水源井群自动化控制系统的设计

(沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司，沈阳110023)

0 引 言

为了建立水源井群与水厂控制室之间的无线遥控、遥测系统，实现水厂控制室对水源井群水泵机组远程自动控制与运行参数自动采集、传输、处理、存储和显示等功能，同时将数据信息接入供水公司调度室的数据监测系统，实现供水公司调度室对水源井群运行参数的自动监测，达到供水公司对水源井群管理的优化运行，提高水源井群的运行效率，提高供水系统的经济效益。根据水源井群分布的地域特点与无线通讯技术发展的水平，水源井群远程监控系统采用以上位计算机作为控制监测主机、无线数传设备GPRS通讯单元作为数据交换通道、远程测控终端RTU作为现场控制、数据采集设备的遥控、遥测系统，实现水厂控制室对水源井群的控制与监测[1-2]。随着城市建设的迅速发展，对供水质量的要求也不断的提高。水源井群供水系统实现运行、控制和管理的综合自动化已经势在必行[3]。

1 控制系统功能

1.1 具有故障诊断与报警处理功能

水源井群自动化控制系统中的设备故障检测和处理是任何控制系统都会面临的问题，这个问题如果不解决势必会导致生产过程不能正常进行，或更为严重的导致事故和不必要的各种损失。本系统的故障诊断与报警处理通过在上位计算机上用WINCC 6.0开发的应用程序实现，集成在上位机监控系统中。在运行中给操作人员提示，指导用户进行操作，了解设备状态，判断故障发生原因，并可给出相应的维修建议。用户也可以对故障诊断进行指导和修正。

1.2 显示界面功能

显示界面按功能分为主控平台，水源井群检测，报警查询，报表浏览，系统维护。系统运行时，首先进入主控平台界面，该界面可以显示整个水源井群所有设备的信息，点击每个设备可以查看设备的详细信息，水源井群检测界面可以显示系统连接网络图，报警查询和报表浏览界面可以查看报警情况和历史数据实时数据的浏览曲线图。

1.3 开放性

水源井群自动化系统发展到今天，已从单机自动化向系统自动化、集团自动化的方向转变，业界广泛倡导的是标准化、开放式结构，在上位机监控系统将引入工业以太网技术，在产品上集成工业以太网接口，从而实现上位机监控系统具有开放性。工业以太网是业界广泛接受的通讯标准。

1.4 查询、报表功能

查询、报表系统要具有日报、月报、季报、年报和按时间间隔查询的自由报表功能。在上位计算机上用WINCC 6.0本身自带的历史数据查询控件，通过编程实现查询、报表功能。

1.5 安全性与可靠性

水源井群自动化系统中的硬件电子设备全部采用大规模集成电路以及其他高质量元件，因而为提高硬件部分的平均故障间隔时间提供了良好的可靠性。对于关键的部分，往往采用冗余化后备，大大提高了系统的安全性。

1.6 可扩展性

水源井群自动化系统采用具有统一标准通讯协议广泛的硬件设备，考虑到控制系统的扩展，为以后控制系统的扩展预留空间。

1.7 远程监控功能

通过无线GPRS和工业以太网技术，水厂操作人员可以在水厂控制室远程监测所辖水源井群的工作情况，可以远程控制水源井群水泵的起停、监测水源井群设备的运行数据及工作参数。供水公司调度室工作人员及公司主管领导可以远程监测水源井群的工作情况及水厂操作人员的操作情况。

1.8 易维护性

采用标准的通讯协议，可以进行系统或模块的维护，便于系统长期的升级和维护，延长系统的寿命，通过更新部件，能让系统一直升级和维护下去。

2 控制系统的构成

根据水源井工艺及平面分布图，本次设计选用基于RTU远程测控终端供水调度控制系统，包括中央监控系统、水源井现场控制站和通讯网络。中央监控系统与现场控制站采用GPRS网络进行通讯。

2.1 中央监控系统

由2台分别用于生产管理与监控的SIMATIC工作站、2台Epson彩色打印机、1台CTRLINK 100 M交换机以及UPS电源和闭路监视系统组成。计算机采用Windows操作系统，均配备有遵循TCP/IP协议的SIMATIC CP1612通讯网卡，实时采集生产数据，形成Ethernet 工控网。其中监控工作站采用德国SIEMENS公司的WINCC6.0可视化监控软件，可显示动态模拟画面，可对系统的所有设备进行远程操作和控制，并具备显示工艺布置图、实时动态参数、设备的工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线、设备运行时间等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理报表。在水厂厂长办公室设有一台DELL商用机，和中控室联网可实时监测水源井群运行情况，记录历史数据为水厂厂长制定生产计划提供决策分析。所用监控软件为WINCC 6.0，该软件人机界面好，功能强大，能根据需要进行动画链接，比较直观。

2.2 通讯网络

GPRS是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。GPRS 是一种分组交换系统，因此，GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS的优势在于：

(1)永久在线：只要激活GPRS应用后，将永远保持在线，不存在掉线问题；类似于一种无线专线网络。

(2)按量计费：虽然可以保持永远在线，但不必担心费用问题；因为只有产生通信流量时才计费。

(3)快速登录：全新的分组服务，无需以往长时间的拨号建立连接过程。

(4)高速传输：GPRS最高理论传输速度为171.2 kbps，使用GPRS可以支持40 Kbps左右的传输速率。

2.3 水源井现场控制站

水源井现场控制站分别设在各个水源井就地控制柜内，由一套RTU远程测控终端控制器为主控制器。用于检测潜水泵的工况、水井液位、出口流量及压力等参数，并将检测数据通过GPRS网络上传至中央监控系统，同时接收中央监控系统的控制指令，实现对水源井的遥控及遥测。

水源井现场控制站主要功能:

(1)监测参数：水井液位、出口流量及压力、电气设备运行参数等。

(2)设备控制：主要控制潜水泵机组的起动、停止过程。监测和控制其设备的手自动状态、设备运行状态及故障状态。

(3)过程控制方式：水源井的工作方式分为就地控制和远程控制，方式转换由设置在就地控制柜上的手动、自动转换开关完成。当处于就地控制方式时，现场控制站仅监视设备的运行工况。当处于远程控制方式时，现场控制站可根据程序进行自动控制；同时也可通过工作站计算机人为鼠标点动控制单台设备。

(4)安全保护：对预设的极限值及运行状况进行预处理和报警处理(机组电流过大、电压过高、机组缺相等)使水源井运行稳定可靠安全。

3 控制系统设备的维护和安装

RTU远程测控终端控制器在系统运行中是非常可靠的，据有关资料统计，在RTU远程测控终端控制器的控制系统中，系统故障的97%发生在RTU远程测控终端控制器外部，3%发生在RTU远程测控终端控制器内部。而在RTU远程测控终端控制器内部故障中，有96%发生在I/O模板中。因此在维护和安装中，应重点注意外围电路。包括电源、继电器、一次仪表、以及信号连接设备。

3.1 避雷保护措施

所有电子设备供电电源和出入户信号线应装设电浪涌保护装置。

3.2 控制系统接地的要求

仪表及自控系统接地应与电气设备接地组成联合接地系统，接地电阻应小于1欧姆，所有电子设备供电电源和出入户信号线应装设电涌保护装置。

3.3 现场控制设备机柜

由于RTU远程测控终端控制器工作的环境恶劣，要求柜体密封，做好防雨水措施，柜体防护等级IP54。所有进出线均为下出线口，焊螺纹丝口连接。柜体冬季具有保温、夏季具有散热功能。柜内所有设备均应有安全接地保护。

3.4 抗干扰措施

在自控系统施工过程中，选材、隔离、屏蔽、接地等措施在抑制干扰中起到了至关重要的作用，是抗干扰措施的关键。

3.5 电 源

供电系统中存在的干扰谐波，将对控制系统各种高精设备的正常运行构成重大威胁。所以稳定的电源是整个系统可靠运行的基础，因此RTU远程测控终端控制器系统电源应采用UPS电源与隔离变压器等。

4 结束语

系统投入运行已近2 a，整个自控系统运行良好，实现水源井群工艺自动化，水源井群现场管理无人值守，保证了优质、低耗、安全供水。此外由于自控系统的安装调试是在自动化公司工程师指导下，由水厂的工程技术人员自行完成，通过该工程建设，为水厂培养与锻炼了一大批技术与管理人员，为水厂投产后的运行、维护与管理积累了经验，对水厂的安全运行，提高供水质量，节能降耗，优化管理等方面起到了至关重要的作用。

[1] 袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003：210.

[2] 吴洪涛.温室环境调控自动化系统设计[J].森林工程，2006，22(2)：19-22.

[3] 张传祥.电气自动控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003：131.