横沙岛集约化供水工程自控系统设计

《上海水务》2016年04期

田径 罗秀卿 徐海林

1、引言

近年来，随着居民生活水平不断提高，乡镇分散供水无法有效保障饮用水安全。郊区供水企业运行成本高且安全隐患多，集约化供水得到越来越多的推广集约化供水工程涉及的泵站、管网监测点往往分布范围较广，有些监测点地理位置较偏远.通讯不便，给集约化供水工程的集中生产运行监控管理造成了一定的难度。

随着GPRS技术、现场总线技术、虚拟专用网(VPN)及工业以太网等通讯技术广泛应用于给水工程，为集约化供水工程技术难题的解决提供了有力支撑。

GPRS技术即通用无线分组业务，提供端到端的、广域的无线IP连接，采用IP Over PPP实现数据终端高速、远程接入。

现场总线是应用在生产现场的全数字化、实时、多节点数字通信系统，与挂接在总线上作为网络节点的多个现场级测控设备连接成网络。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，与商用以太网兼容，依据应用层协议有所区别。

虚拟专用网技术是在公用网络上建立专用网络技术.架构在网络服务商提供的网络平台之上。

2、横沙岛集约化供水工程概况

横沙岛集约化供水工程将长兴岛供水管路延伸至横沙岛，关闭横沙岛原有深井水厂，将三座水厂改造成深压泵站，改造现有供水管网并重新敷设管网，实现横沙岛集约化供水。

横沙岛集约化供水管网布置图如图l所示，工程包括宝山泵站、三东泵站、永胜泵站及15.8km管网，具有供水管线长、泵站分布分散等特点，给供水工程的集中生产运行监控管理造成一定难度。

横沙岛集约化供水工程自动控制系统采用通讯技术手段构建三级网络架构：现场控制级、生产监控级及管理决策级，实现泵站信息化管理等各项功能，提高了横沙岛集约化供水工程系统的管理质量和效率。

3、自控系统的设计与优化

3.1自控系统整体架构

横沙岛集约化供水工程自控系统由现场控制级、生产监控级及管理决策级三级网络架构组成。整体架构如图2所示。

现场控制级由宝山站、三东站、永胜站自控系统及管网监测点监测系统组成，主要完成对现场设备的数据采集和自动控制。

生产监控级设于宝山站监控中心，由监控操作站主站、监控操作站从站、数据库服务器、通讯及网络服务器等设备组成，主要通过虚拟专用网、工业以太网及GPRS网络与现场控制级的各给水泵站及管网监测点通讯，完成对上传数据的集中处理和统一调度管理。

管理决策级设于市北宝山数据中心，通过从数据库层面将生产运行数据进行加工利用.建立起生产运行数据与上层管理决策数据的快速、准确、高效共享与交换的平台，为管理层决策做支撑。

3.2现场控制级

现场控制级给水泵站自控系统包括双机热备PLC现场控制站系统、一体化增压泵站系统、次氯酸钠成套系统等。

3.2.I双机热备PLC现场控制站系统

泵站PLC现场控制站采用双机热备的系统形式，每套PLC现场控制系统由PLC主站及PLC辅站共同组成.两站互为备份，同一时刻只有一个PLC站在运行。当主站发生故障，由辅站接管服务，一旦主站恢复正常，系统将再切换，由主机再次接管。

两套PLC站通过光纤实现同步链接.通过同步CPU可实现无冲击切换，光纤通讯实现了系统间的数据快速传送。通过以太网模块连接至工业以太网交换机，实现泵站的流量、压力、余氯、浊度、化验室日报及月报化验结果、一体化泵站及次氯酸钠成套系统运行情况等数据上传：泵站内设备运行接受上级控制。

3.2.2一体化增压泵站及次氯酸钠系统

一体化增压泵站系统集成稳压水泵、变频器、补压装置及控制柜等设备，实现恒压供水。系统控制柜对外预留以太网接口，通过工业以太网交换机接受上级监控。

次氯酸钠成套系统控制柜及现场分析仪表对外预留现场总线接口.通过现场总线与PLC现场控制站进行通讯.实现硬接线无法比拟的大量数据通讯功能。

3.2.3管网监测系统

管网监测系统由设于监测点的监测仪表、UPS电源及RTU站组成，系统采集监测点流量、压力等数据，通过GPRS无线装置与生产监控级配置固定IP地址的服务器通讯。弥补敷设专用光缆成本较高，现场铺设难度大的缺点。

3.3生产监控级

生产监控级数据库服务器收集现场的浊度、余氯、流量、压力、离线化验等数据，对数据做相应处理和存储。针对不同级别操作员，设置相应的操作权限，操作相应设备的启停和运行，完成泵站自动化控制过程。

系统监控软件采用King SCADA.安装在监控操作主站及从站，组成热冗余方式，实现现场控制级的SCADA监控功能。软件提供水质的数据在线及离线计算功能，实现图表、曲线的生成，发布操作控制指令，记录现场发生故障情况并提供相应的分析处理。通过操作站预先编制的自动控制程序，对所有的设备运行状态进行监视，实现各设备运行的自动控制。

现场原始数据经处理后形成水质数据整体评价及现场设备运行状况报告，上传至宝山数据中心。

3.4管理决策级

管理决策级将自动化控制与企业管理决策有机地结合起来。在数据库层面将生产运行数据加工利用，建立起生产运行数据与上层管理决策数据的快速、准确、高效共享与交换的平台，实现直观地向管理决策层展示现场设备运行情况、智能分析指导运行调度，及时准确生成统计分析报表、科学规范管理，达到全面提升生产管理效率和运营水平的信息化管理的目标。

4、工程中常用通讯技术总结

现场总线技术、工业以太网技术、虚拟专用网(VPN)技术以及GPRS/3G技术等是目前广泛应用于水务工程建设中的通讯技术，是自控系统设计的关键部分。

常用技术使用特点及常用场合如表1所示(现场总线以应用广泛的Profibus总线为例)。

5、结语

横沙岛集约化供水工程自控系统包括分散较远的各泵站及管网监测点。泵站现场采用PLC双机热备系统提高了可靠性，采用一体化增压泵站系统、次氯酸钠成套系统等设备实现了智能集成功能。从技术角度看，为实现各分散控制系统的有效互联采用了现场总线技术、工业以太网技术、GPRS技术及虚拟专用网技术等，实现了现场控制级、生产监控级及管理决策级三级网络架构自控系统的建设。