建立水务自动化控制系统标准

谢艳 张元禾 岳敏

（重庆远通电子技术开发有限公司 重庆市 400000）

1 引言

随着信息化、网络化、数字化、云计算及大数据等现代化科技技术的高速发展，自动化控制技术在工业、农业、服务行业等各行各业都起着巨大作用，它也走进了千万家庭中。自动化控制技术在水行业扮演着重要角色，它提升了给排水处理行业工作与生产效率，实现设备的精确控制与监测，保证了水行业的安全生产，提升了水行业的管理水平，减少了人员配置，实现了一定程度上的节能降耗，实现水厂自动化控制系统是建设和打造智能水厂的前提与基础，也为水处理行业的发展贡献部分力量。

水务自动化控制系统主要有各个PLC 控制站、仪器仪表、网络安全系统与中央控制系统（中控室上位机监控系统）等组成，其中仪器仪表主要是实现池子的水位、泥位、水流量、风量、污泥/回流流量、加药加氯量、自来水/污水水质、压力、振动情况、气体泄漏、电气类数据等的监测，网络安全系统主要是实现生产厂区各个PLC 站与中央控制系统的通讯、厂区与泵站的通讯、厂区与水质监测站的通讯、保证网络与系统安全等，每个PLC 控制站主要是实现对应构筑物的各个设备的状态与数据采集、各个设备的自动控制与监控等，中央控制系统主要是实现全厂及泵站设备的集中控制与监控、水处理全工艺环节的展示与监控、报表数据管理、设备联动控制等。

现状：每个自来水厂及污水处理厂的自动化控制系统无统一的建立标准。首先几乎所有都已建立自动化控制系统，但是由不同的设计院采用各自的设计依据与原则进行设立，且大多都由不同的承包商建设；其次每个自来水厂与污水处理厂都设计有工艺成套设备，未与自动化控制系统结合进行统一考虑，会存在其设备品牌与档次与全厂自控系统不一致，同时多个工艺成套可能是不同的通讯协议，上述情况会导致全厂的网络架构与系统架构复杂混乱、通讯困难与工作量增大等；再者如某些污水处理厂或自来水厂存在分期建设情况，各期由不同的承包商建设，会存在多种品牌、多档次的PLC，会导致PLC 系统架构层次不分明和增加投资成本；最后污水处理厂存在提标改造建设，大多为新增深度处理单元（多为工艺成套设备），与原有系统融合未有统一的标准、通讯协议也可能不一致，导致融合困难及其工作量大。综上所述，为水务自动化控制系统建立标准是必要的，也是同时也是实现信息化的前提。

2 水务自动化控制系统标准

建立水务自动化控制系统标准，主要包括PLC 控制站标准、网络及安全标准、上位机标准与下位机标准、数据标准、泵站无人值守标准等。

2.1 PLC控制站标准

（1）全厂每个PLC站的设立根据工艺段或系列组别，具体如下：

1.其中自来水处理可将其工艺段分为取水段、预处理段、砂滤池反冲段、炭滤处理段、送水段、加药段、污泥脱水段（自来水厂）、消毒处理段，泵站段、二次供水段（厂外）；

2.其中污水处理厂可将其工艺段分为提升配水段、预处理段、生物处理段、深度处理段、加药段、脱泥段、消毒处理段；

3.对上述每个工艺段设立1 个主PLC 站、同时为每个滤池设立1 个PLC 子站；

4.取消所有工艺成套设备控制站，将其纳入全厂自动化控制系统统一考虑建设。

（2）每个PLC 站的建设原则如下：

1.每个主PLC 站配置同品牌、同系列、同档次的模块，每个PLC 子站配置同品牌、同系列、同档次的模块，每个主PLC 站或子站采用相同的触摸屏配置，每个主PLC 站或子站采用相同的以太网通讯协议，每个主PLC 站配置Modbus 485 通讯；

2.每个主PLC 站必须配置独立的CPU 处理器，重要工艺段的PLC 子站如滤池必须配置独立的CPU 处理器；

3.每个PLC 主站主要的配套配置保持统一，如配置不间断电源UPS、具有支持形成环网功能的工业以太网交换机等；

4.柜体及柜内标准：户内户外柜体标准、柜内布局标准、防雷措施标准、接地措施标准、电气元器件编码标准、接线端子编码标准、线缆打标的标准等。

5.对需接入控制站电气设备要求的标准：应向监控控制站提供至少如下无源触点信号有①每台设备的运行信号（运行、开到位、关到位），②每台设备的故障信号，③每台电机的手动、自动状态信号，④现场电气控制箱应可接受控制站提供的开命令、停命令（均为无源触点信号），⑤所有状态信号及控制命令均应接至端子排，就地控制箱柜内应根据功能要求留有足够的端子；

6.对需与PLC 控制站进行通信的其他监控系统如电力监控系统等的要求如下：支持Modbus TCP/IP 通讯协议，提供所有点位表且点位表是可读可写的，允许多个设备通过Modbus TCP/IP 方式同时对其进行访问。

（3）建立独立的控制室，与配电间分离。

2.2 网络及安全标准

网络标准：将全厂的中央控制室、每个主PLC 控制站采用具有可支持环网功能的工业以太网交换机组成环网网络，由于环网的网络拓扑具有冗余性、可靠性的优点，若环网上的某一路链路断开后也不会影响网络上数据的转发，保证了数据的传输；全厂采用相同的以太网通讯协议，PLC 子站与其主站的通信采用以太网通讯方式，触摸屏与PLC 站的通信采用以太网通讯或Modbus 485 通讯方式；PLC 控制站及中央控制室监控站的网址按照水务集团IP 地址标准将其分为生产段对各个控制站进行统一分配与建立；自来水厂区及泵站与污水处理厂区及泵站的自动化控制系统与安防监控系统的光纤模数保持统一；上传方法采用VPN 专线方式（自控、视频各自上传），接入采用有线为主、无线备用的原则。

安全标准：

（1）建立统一的工控系统信息等级安全防护或网络安全防护措施；

（2）先将分为区域类、设备类、人员类三大安全领域，再就每个领域按其领域内元素的重要性、风险系数划分为A、B、C 三个安全等级。

2.3 上位机标准与下位机标准

上位机标准建立具体如下：

（1）采用CS 架构，并具备冗余；

（2）采用3D 界面渲染、布局与色调保持风格一致（色调风格分为两种：管理类和生产类，其中管理类采用浅色系、生产类采用深色系），3D界面主要有总图、每个单体工艺图，背景模板保持统一；

（3）对设备进行分类如可分为电机类、阀门类、监测仪表类，再按类别为每种设计统一的显示与控制面板，最后按类进行创建后只需再按标签名进行映射；其中电机类按着设备具有的信息元素可再分为大泵类、中泵类、小泵类三大类，阀门类可再分为开关型、调节型两大类，监测仪表类可再分为水质类、流量类、安全监测类、物位类、压力类五大类；

（4）对厂区及泵站的相关报表数据按工艺设备类别、仪表类别（如水质/流量/物位/压力/安全监测等）、重要性、能耗类（电耗、水耗、药耗）等进行分类，为每种类别建立一一对应的报表并其报表格式保持统一；

（5）对厂区及泵站的趋势数据按仪表类别及其重要性、设备参数及其重要性等进行分类，按类别建立相应标准的趋势界面（包括操作与显示界面）；

（6）对厂区及泵站的报警信息分为管理类、安全类、生产类三种，为每种类别的报警信息建立统一的报警显示与处理模板；

（7）规范上位机组态软件与下位机的信息接口；

（8）融合原则：与原有风格保持一致。

下位机标准建立具体如下：

（1）对设备标签变量按其设备类别并结合PLC 特性建立标准以便识别，实现标签变量定义的规范性与标签变量特征（数据类型、限值、周期、值域等）规范性；

（2）对设备标签地址按其设备所属类别、数据类别（如生产、安全、管理类）、数据类型（布尔型、短整型、长整型、单精度浮点数、双精度浮点数等）、设备情况（如状态、命令、报警、电流、温度、振动、时间等）并结合采用的PLC 和编程软件特性建立地址分配标准以便快速识别与增加程序的可读性；

（3）为单个工艺段建立相应的标准程序；其次对设备进行分类，按其类别建立对应标准的程序；

（4）将程序按主程序、辅助程序、专题程序分类并打造相应的标准程序，规范每个程序的命名。

2.4 数据标准

数据标准：主要包括数据建立与编码标准、数据采集标准、数据集成标准、数据共享与交互标准等。其中数据建立与编码原则如下：

（1）基于集团大数据平台；

（2）首先将数据分为给水类、排水类两大类，在此基础上将数据再分为生产、管理、安全三中类，再根据上述进行相应的编码；

（3）对所有自来水厂、污水处理厂进行编码；

（4）对工艺段流程及其系列等进行编码；

（5）对工艺设备、仪表进行分类并进行相应的编码；

（6）对工艺设备、仪表按状态、控制等进行分类并编码；

（7）对数据类型按类别进行编码；

（8）提炼出主数据，形成统一的主数据编码规则。

其中数据采集标准如下：首先规范上位机组态软件与下位机PLC 控制站的信息接口，再规范上位机组态软件与信息管理系统的接口且建立统一的识别原则与程序。其中数据共享与交互标准：主要有数据交换方式标准、数据共享目录规范、交换共享标准规范和运行机制等；其中数据交换方式实现对信息系统内部和信息系统之间各种接口与联系方式，以及信息系统输入和输出的格式制定规范和标准化，包括客户端报送方式、数据接口对接方式与数据拷贝方式；其中共享目录规范实现完善和提供更加便捷且可溯源的共享数据的查询方式，它包括基础信息目录、部门共享目录和专题共享目录，基础信息目录重点围绕各子公司厂、站、网基础信息等编制；部门共享目录重点围绕大数据各指标及其他关键数据等编制；专题共享目录重点围绕供水、排水、项目建设信息共享和公众服务信息共享等专题方面编制。其中数据集成标准：包括数据转换与定义标准、基础数据编码规则、基础数据约束与规则管理。

2.5 泵站无人值守标准

泵站无人值守标准：

（1）出入口管理标准：设立门禁、监控措施；

（2）周界安全管理标准，设立电子围栏；

（3）设备监视与控制标准，采取视频措施、仪表监测、电气自动化控制设备等；

（4）泵房安全标准：采用泵房雨水洪水位安全监测、火灾报警系统、电气防护措施等；

（5）数据上传标准：如自动化控制系统数据、安防监控数据采用独立的专线上传。

3 结语

建立水务自动化控制系统标准可实现PLC 的系统结构层次清晰，避免造成网络架构复杂与出现多种不同协议通讯困难；建立统一的数据标准，数据更具可读性、易识别、便于共享与传输，便于接入大数据中心；全厂所有PLC 控制站统一考虑，节约投资成本；也为今后智能水厂与污水厂建设打下坚实的基础。实现标准化的自来水厂、污水处理厂、泵站自动化控制系统的打造，为达到精细化管理、供排水企业的内部生产标准化管理、智能化管理等奠定良好的基础。