基于加壓泵站恒壓自動(dòng)供水的中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣培洪，歐陽遠(yuǎn)波，劉 武

（廣州開發(fā)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，廣州 510530）

0 引言

供水系統(tǒng)[1]在各行各業(yè)的生產(chǎn)中都具有至關(guān)重要的作用，作為供水單位而言，確保區(qū)域內(nèi)的供水系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是尤為重要并且必須保障的，在嶺南地區(qū)，地勢(shì)多為丘陵地帶，供水壓力無法僅靠管網(wǎng)調(diào)度保證，因此區(qū)域內(nèi)各片區(qū)的供水加壓站起到了關(guān)鍵性作用，是保障各用戶用水壓力不可或缺的手段[1]。通常供水系統(tǒng)在一天內(nèi)不同時(shí)段的用水量波動(dòng)較大，需要的供水壓力也不一致，如果不及時(shí)根據(jù)外圍管網(wǎng)的用水量對(duì)供水加壓站進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，會(huì)致使整個(gè)區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)用水處于波動(dòng)狀態(tài)，并且嚴(yán)重的可能導(dǎo)致供水管網(wǎng)爆管事故、水質(zhì)惡化[2]等問題，傳統(tǒng)的加壓站恒壓調(diào)節(jié)通過手動(dòng)操作加減泵組實(shí)現(xiàn)本站服務(wù)區(qū)域內(nèi)恒壓供水的目的，使用傳統(tǒng)的電氣控制設(shè)備啟停頻繁，增加了值班人員的工作量，且容易出現(xiàn)故障，增加維修工作量等問題，并且不容易控制恒壓運(yùn)行，隨著目前自動(dòng)化技術(shù)的不斷提高，也逐漸引入到供水系統(tǒng)中，大大提高供水系統(tǒng)的智能化[3]程度。

某單位目前供水加壓站采用全天恒壓[4]運(yùn)行模式，并且不分時(shí)間段不分季節(jié)采用同一恒壓壓力，這樣的過程導(dǎo)致泵站內(nèi)設(shè)備為保持恒壓狀態(tài)長時(shí)間運(yùn)行，增加了設(shè)備的故障率，另一方面用戶在不同時(shí)間段所需供水量及供水壓力不一樣，采用統(tǒng)一恒壓壓力會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)；并且采用水池供水的泵站沒有將水池進(jìn)水閥門與液位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通常導(dǎo)致水池溢流，造成嚴(yán)重的淡水資源浪費(fèi)；且目前該單位區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展參差不齊，所需用水量也不盡相同，因此管網(wǎng)調(diào)度經(jīng)常出現(xiàn)夸片區(qū)調(diào)度供水的問題，導(dǎo)致各片區(qū)內(nèi)供水加壓站信息無法實(shí)時(shí)分享，對(duì)供水調(diào)度造成很大影響，根據(jù)實(shí)際情況提出一種恒壓的供水加壓站中控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該方案采用浙江中控技術(shù)PLC 為控制核心，具有高程度自動(dòng)化、精準(zhǔn)控制、便于安裝測(cè)試、便于維護(hù)更換、供水運(yùn)行可靠性高等特性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 子站系統(tǒng)

基于恒壓供水的加壓站中控系統(tǒng)由硬件跟軟件系統(tǒng)組成，硬件以浙江中控技術(shù)PLC G5Pro 的CPU 為控制核心，配置相應(yīng)的AI∕AO∕DI∕DO 模塊，其中CPU 采用熱備冗余[5]模式確保系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性，具備無間斷切換功能；中控系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制系統(tǒng)均采用雙回路電源供電，且切換時(shí)間小于或等于5 ms，現(xiàn)場(chǎng)PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置如圖1所示，該控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)、泵組、變頻器、閥門、母管壓力開關(guān)∕壓力變送器、水池液位計(jì)、濁度儀、流量計(jì)等設(shè)備形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)恒壓供水；其工作原理如圖2所示，PLC 將現(xiàn)場(chǎng)出水壓力傳感器的數(shù)值采集，并與設(shè)定恒壓供水壓力進(jìn)行比較，根據(jù)編輯完整的控制邏輯進(jìn)行啟停泵組及閥門開關(guān)，首先通過變頻器調(diào)節(jié)，如達(dá)到50 Hz 供水壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定壓力，則增加一臺(tái)工頻泵組運(yùn)行，PLC 不斷采集實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，通過PID自動(dòng)調(diào)節(jié)[6]出水壓力使得其保持在設(shè)定壓力（根據(jù)實(shí)際工況要求，啟停泵組調(diào)整壓力時(shí)允許存在一定誤差，并且該誤差可設(shè)定范圍），實(shí)現(xiàn)下位中控系統(tǒng)自動(dòng)恒壓供水；水池進(jìn)水閥門開度由水池液位反饋信號(hào)進(jìn)行積分調(diào)節(jié)[7]，跟水池液位密切關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)調(diào)整閥門開度，使得水池保證在一定范圍的液位高度；另外在泵組吸水母管上加裝濁度儀、壓力開關(guān)及壓力傳感器等，濁度儀用于保障出水質(zhì)量，壓力開關(guān)及壓力傳感器則保障出現(xiàn)負(fù)壓情況下，泵組能夠及時(shí)停機(jī)保護(hù)機(jī)封燒損，泵體氣蝕等情況發(fā)生。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置

圖2 泵房加壓工藝

1.2 中控系統(tǒng)

各站點(diǎn)下位機(jī)組態(tài)完成后，具備現(xiàn)場(chǎng)自適應(yīng)運(yùn)行能力[8]，為便于供水調(diào)度，將各分站集成到中控系進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，系統(tǒng)總構(gòu)如圖3所示，將各分站運(yùn)行數(shù)據(jù)及相關(guān)監(jiān)控通過光纖通訊統(tǒng)一集中VXSCADA 服務(wù)器內(nèi)，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厥?，各分站設(shè)立操作員站，增設(shè)工程師操作站，便于對(duì)各子站相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的修正，從而實(shí)現(xiàn)總中控操作遠(yuǎn)程操控各泵站的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為區(qū)域的供水調(diào)度系統(tǒng)提供有力的運(yùn)行調(diào)度保障。

圖3 中控系統(tǒng)布置

2 硬件選型及組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

PLC 控制器在供水系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛且對(duì)于提高供水智能化程度尤為重要，目前市場(chǎng)上PLC 種類繁多，各類品牌的產(chǎn)品在功能實(shí)現(xiàn)上存下一定差異，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用浙江中控技術(shù)G5ProGCU-5001S 型號(hào)的PLC 作為控制器，該模塊可周期性地采集I∕O 模塊的實(shí)時(shí)信息，將這些信息進(jìn)行綜合運(yùn)算處理，并將處理結(jié)果周期性輸出到I∕O 模塊，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)控制，控制器所執(zhí)行的運(yùn)算處理程序使用符合IEC61133.1 標(biāo)準(zhǔn)的圖形化組態(tài)軟件進(jìn)行編程，該控制器支持Modbus RTU、Modbus TCP、PROFINET 通信協(xié)議，可作Modbus 或PROFINET 從站，與異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行通信；搭載的AI∕AO∕DI∕DO 模塊主要用于采集現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)出水壓力傳感器、流量計(jì)、變頻器頻率反饋、水池液位、水池進(jìn)水調(diào)節(jié)法反饋及給定指令、吸水母管濁度、測(cè)震儀、泵組啟停、閥門開關(guān)等信號(hào)反饋及指令給定等；開關(guān)電源110∕220 VAC，輸出為24 VDC；部分設(shè)備相關(guān)參數(shù)介紹如：水池液位計(jì)采用超聲波液位計(jì)，輸出信號(hào)為4～20 mA，量程根據(jù)不同水池實(shí)際液位選定；進(jìn)出水壓力傳感器采用橫河壓力變送器，輸出信號(hào)為4～20 mA，量程為0～1 MPa 供電電源為24 VDC；采用哈希品牌的濁度儀；采用海峽工控測(cè)震儀，量程為0～20 mm∕s，輸出信號(hào)4～20 mA；其余閥門、泵組、變頻器等設(shè)備參數(shù)結(jié)合實(shí)際使用設(shè)計(jì)。

2.2 電路設(shè)計(jì)

為充分保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，子站中控系統(tǒng)以及總中控室采用雙回路供電[9]設(shè)計(jì)，將兩路低壓開關(guān)單元供給給電源柜內(nèi)，同時(shí)加裝在線式UPS 供電模式，從雙回路市電確保UPS 不斷供電，如雙回路市電因設(shè)備或誤操作等故障導(dǎo)致低壓開關(guān)斷電，則由UPS 電池供電，這樣的設(shè)計(jì)大大提高了因PLC 斷電導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行或各相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)丟失等問題出現(xiàn)，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，總的中控室采取同樣原理的設(shè)計(jì)理念，確保服務(wù)器的運(yùn)行，保證跟現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊的連貫性，不間斷提供區(qū)域內(nèi)加壓供水?dāng)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀況，出現(xiàn)故障及時(shí)處理，從而也保障了供水調(diào)度安全。PLC 電源柜內(nèi)的供電原理如圖4所示。

圖4 PLC電源柜供電原理

2.3 軟件設(shè)計(jì)

子站PLC 控制過程主要包括信號(hào)采集輸入、信號(hào)掃描運(yùn)算處理、信號(hào)運(yùn)算結(jié)果輸出執(zhí)行3 個(gè)部分?？刂破鰿PU按照周期讀取各I∕O輸入模塊狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)部程序運(yùn)算后，更新內(nèi)部鎖存電路，再通過輸出電路控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的控制運(yùn)行。

本次中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化編程[10]，綜合運(yùn)用MBD（功能塊）+SBD（語言）+ST（數(shù)據(jù)處理）+梯形圖等相關(guān)功能，使用GCSContrix 編程軟件完成設(shè)計(jì)，根據(jù)功能控制對(duì)象不同，系統(tǒng)分為水池液位檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、泵組運(yùn)行狀態(tài)模塊、閥門運(yùn)行狀態(tài)模塊、余氯檢測(cè)模塊、濁度檢測(cè)模塊、故障識(shí)別處理模塊、啟停泵組模塊等。通過對(duì)各模塊進(jìn)行工藝組態(tài)，可以將泵站運(yùn)行模式分為直抽模式[11]以及抽庫模式，在直抽與抽庫模式下設(shè)定了自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式及分時(shí)段運(yùn)行模式，模式切換須在工程師操作站實(shí)現(xiàn)，切換不同模式，PLC 程序應(yīng)該自檢相關(guān)條件是否滿足該模式運(yùn)行要求，如果無法滿足則自動(dòng)切換到原供水模式運(yùn)行，選定了供水模式后，需要充分結(jié)合外管網(wǎng)實(shí)際需求進(jìn)行恒壓供水。各功能在設(shè)計(jì)前需確認(rèn)其接口變量類型及數(shù)量，同時(shí)，為避免中途增加相關(guān)的設(shè)備接入系統(tǒng)，系統(tǒng)點(diǎn)位應(yīng)充分考慮一定余量，在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制需要進(jìn)行程序的相關(guān)設(shè)計(jì)以及編譯，程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程

3 子站PLC防護(hù)及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)

自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)配套的信息技術(shù)也日新月異，大數(shù)據(jù)系統(tǒng)給各行各業(yè)發(fā)展帶來了便利同時(shí)也帶來了安全隱患，為確?，F(xiàn)場(chǎng)PLC 設(shè)備運(yùn)行正常，本次設(shè)計(jì)除了采用CPU 熱備冗余外，在子站各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)線在進(jìn)入卡件前需經(jīng)過隔離柵[12]，外部須與PLC 通訊的信號(hào)，采用光纖傳輸，防止雷雨天氣時(shí)，雷電經(jīng)過信號(hào)線進(jìn)入卡件或者CPU，擊穿內(nèi)部元器件。其原理如圖6所示。同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)安全角度考慮，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總中控系統(tǒng)與子站中控系統(tǒng)通過租用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，且總中控系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程操作子站中控系統(tǒng)功能，因此網(wǎng)絡(luò)安全尤為重要，為確保網(wǎng)絡(luò)安全，在子站數(shù)據(jù)上傳∕接收時(shí)須經(jīng)過工業(yè)防火墻后方可接通現(xiàn)場(chǎng)PLC 系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸回總中控系統(tǒng)時(shí)，須先經(jīng)過專業(yè)防火墻才能進(jìn)入SCADA 服務(wù)器[13]，如相關(guān)數(shù)據(jù)需分享其他平臺(tái)使用，則增加單項(xiàng)隔離網(wǎng)閘[14]，阻斷外網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)發(fā)送的任何信號(hào)指令，確保整個(gè)中控系統(tǒng)的運(yùn)行安全，從而保障供水區(qū)域安全。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備防護(hù)原理

4 實(shí)際應(yīng)用與分析

根據(jù)加壓供水的工藝設(shè)計(jì)，完成了下位機(jī)程序組態(tài)設(shè)計(jì)，通過PID調(diào)節(jié)功能，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行具備恒壓自適應(yīng)運(yùn)行能力，能夠更精準(zhǔn)控制出水壓力保證在誤差范圍內(nèi)；同時(shí)在設(shè)定了相關(guān)保護(hù)值后，將各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集分析，如水池液位自動(dòng)調(diào)節(jié)情況下，兩個(gè)液位同時(shí)低于某個(gè)液位值，母管壓力傳感器也低于某個(gè)值時(shí)，泵組將即時(shí)停泵，避免出現(xiàn)抽真空現(xiàn)象，損壞泵組；啟動(dòng)泵組時(shí)，程序自動(dòng)監(jiān)測(cè)泵組進(jìn)水閥門狀態(tài)，進(jìn)水壓力傳感器、壓力開關(guān)、濁度儀等數(shù)據(jù)是否在開到位狀態(tài)及設(shè)定范圍內(nèi)，條件滿足則啟動(dòng)泵組，條件不滿足則不啟動(dòng)泵組；另外在運(yùn)行過程中，濁度儀如出現(xiàn)異常高于正常值，泵組也將停止加壓供水，以確保水質(zhì)安全；現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)的相關(guān)運(yùn)行工藝設(shè)置能夠很好地保護(hù)泵組設(shè)備運(yùn)行及供水安全；本次設(shè)計(jì)采用的PLC具備也具備一定的自診斷功能，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并提醒確定后方可消除。將現(xiàn)場(chǎng)中控室的相關(guān)數(shù)據(jù)通過光纖通訊傳輸回SCADA 服務(wù)器內(nèi)，將服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傊锌厥疫M(jìn)行上位機(jī)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)總中控室與現(xiàn)場(chǎng)中控室的功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況，同時(shí)總中控室具備切換現(xiàn)場(chǎng)控制權(quán)的功能，如將現(xiàn)場(chǎng)控制權(quán)切換到總中控室時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)中控室將無法操作設(shè)備運(yùn)行及設(shè)定相關(guān)參數(shù)，將由總中控室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行及參數(shù)設(shè)定進(jìn)行操作，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)無人值守的條件；本次設(shè)計(jì)增加一臺(tái)移動(dòng)工程師站，移動(dòng)工程師站將所有站點(diǎn)操作員站功能及工程師站功能，并且在總中控室是連接子站系統(tǒng)，可直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)PLC 監(jiān)控，能夠遠(yuǎn)程診斷現(xiàn)場(chǎng)PLC 故障等功能，本次設(shè)計(jì)在推進(jìn)智能化供水的同時(shí)，也節(jié)約運(yùn)營成本，向智慧水務(wù)推進(jìn)；在光纖傳輸過程中，應(yīng)充分考慮帶寬問題，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道擁擠，本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)際租用光纖為100 M 的裸纖，在數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程操控上延時(shí)時(shí)間約為10 Ms，這樣的傳輸速度為實(shí)際運(yùn)行調(diào)度提供了充分的保障。

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)目前單位加壓泵站中控系統(tǒng)運(yùn)行可靠性差、運(yùn)行模式單一、數(shù)據(jù)調(diào)度分享不及時(shí)等不足，提出的一種基于智能化恒壓供水模式中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用浙江中控技術(shù)PLC 為核心的，很大程度上克服原供水系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、可靠性差、自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)無法及時(shí)共享以及統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行、本地PLC 卡件經(jīng)常被雷擊燒損等問題，充分降低了值班人員的勞動(dòng)力，自動(dòng)恒壓調(diào)節(jié)在節(jié)能上也起到很大作用，能夠精準(zhǔn)控制恒壓運(yùn)行，保證外管網(wǎng)供水壓力平穩(wěn)，更符合本單位加壓站實(shí)際運(yùn)行需求。本次設(shè)計(jì)可為其他單位供水加壓系統(tǒng)改造提供參考思路。