变电站外排雨水智慧控制装置的设计与开发

周 元 李求飞 李明明

（中电环保股份有限公司）

通常，变电站远离城郊建设，雨季来临时若变电站长期有大量雨水积聚，则容易引起变电站设备故障， 需要工作人员经常到现场巡检和清理。 若变电站设备发生故障，不能及时处理，会导致含油雨水外排至附近农田或河道中，对农作物或河道产生污染，破坏生态平衡。 为解决上述问题， 笔者设计了一款500 kV 及以上变电站外排雨水智慧控制装置，以实现远离城郊变电站就地无人值守、远程集中监控、故障预见性分析、远程集中智慧水务管理，达到节省人力物力的目的。

1 装置构成及工作流程

变电站外排雨水一体化装置一般置于地下3.5 m 或更深处。 装置内部由固液分离池、油水分离池、隔油池、电动闸门、油泵、抓斗及过水通道等组成，池体间由隔离板划分，过水通道进水端与固液分离池连通， 出水端与装置出口连通，固液分离池底部连通进水管， 格栅管与进水管连接，固液分离池和油水分离池底部设置倾斜角度为30°的污泥斗， 防止固体颗粒溢流进入斜板池造成阻塞。

变电站外排雨水一体化装置的工作流程如图1 所示。 变电站外排雨水一体化装置进水母管和处理后排水母管各设置一台在线油检测仪，固液分离池、油水分离池、隔油池分别设置在线液位计，控制器通过检测来水中油含量值来判断是否需要进行油水隔油处理，通过检测出水总管油含量值来判断是否可以达标排放，通过检测油水分离池和隔油池的液位来控制泵的启停或抓斗的升降等。

图1 变电站外排雨水一体化装置工作流程

2 主体设计

变电站外排雨水智慧控制装置设置了一台控制柜， 控制柜内配置PLC 控制设备、 触摸屏（HMI） 监控设备、 监控安防设备、 智能网关（FBOX）和若干电气元器件。 通过控制柜内搭建的电气一、二次控制回路，组态PLC 控制器逻辑控制程序和触摸屏HMI 操作画面，实现对外排雨水一体化装置内所有被控对象的软手操、自动程序联锁控制及监控，具体包括水泵、抓斗的启停控制，阀门的开关操作，液位、油分析仪等工艺参数的监视等。 当油含量超过设定值，装置自动联锁关进口闸板阀；固液分离池、油水分离池、隔油池任一池体液位高， 则自动联锁关进口闸板阀；通过检测油水分离器、隔油池的液位控制油泵的高开低停。安装在现场的摄像头24 h 连续监测控制柜区域、变电站外排雨水一体化装置周围环境和设备的运行状况， 并上传给硬盘录像机（NVR）， 实现视频的录像、 存储和转发。 同时，PLC、HMI、NVR 通过网线连接到交换机， 交换机通过网线与FBOX 组网并进行相关程序设置，完成PLC、HMI 监测数据的处理并发布到互联网云服务器中。 中央控制中心或其他地点的计算机或手机终端只需安装相应的软件及智能终端APP，便可随时上网查看分布在各现场的变电站外排雨水一体化装置的仪表实时运行数据，泵、自动阀等设备的运行状态和报警信息，并可以远程联网进行上下位机程序的组态和调试，实现智慧水务管理功能。

2.1 工程硬件

工程硬件配置如图2 所示。 控制装置主要由一台10 英寸触摸屏、 一套S7-1200 系列PLC、一台下行4 电口交换机、一台上行8 电口2 光口带VPN 功能的交换机、若干摄像头、一台NVR、一套FBOX、一套电气设备及电缆等辅助材料组成。

图2 主要硬件配置

摄像头安装于外排雨水一体化装置附近，摄像头通过6 类双绞线连接到下行交换机1， 下行交换机1 上行口通过6 类双绞线连接到NVR，NVR 对采集的视频信号进行管理、 存储。 NVR、PLC、HMI 通过6 类双绞线与交换机2 连接，现场仪表、自动阀、接触器及热继电器等通过硬接线连接到控制柜接线端子，S7-1200 控制系统模拟量输入卡件（AI）、数字量输入卡件（DI）采集现场设备信号并处理，经过CPU 运算、逻辑程序处理后，通过模拟量输出卡件（AO）、数字量输出卡件（DO）输出，执行电机、抓斗的启停以及自动阀的开关和调节。 在HMI 中组态工艺流程图画面，定义PLC 数据变量，设置报警、报表数据等，下载到PLC 和HMI，通过网络组态并设置，实现现场设备数据的采集、处理、监测、控制、追踪及查询等，同时PLC、HMI 中的数据通过智能网关或交换机2 连接到工业互联网，进行数据交换和传输，实现大数据共享和管理。

2.2 工程软件

为满足变电站外排雨水一体化装置分散布置、无人值守的自动运营需求，软件设计综合考虑了操作简易性、自动化程度、通信开放性、适应性、扩展能力及经济运行等方面。 PLC 采用最新博图软件， 触摸屏采用EasyBuilder Pro 图控软件， 第三方设备智能网关采用FSTOOLS 软件，PLC 通过集成的PROFINET 物理接口与触摸屏连接，通信协议采用工业以太网协议。 PLC 控制器带集成的输入、输出模块，具有输入滤波器、过程报警及脉冲捕获等功能，同时控制器集成高速计数器（HSC）和脉冲发生器（PTO/PWM），具有时间同步功能。

工程软件设计上采用软件滤波、 软件容错、脉冲捕获和过程报警技术，一般故障信号提示并通过程序自动处理（如电动门、泵、抓斗故障过载等）；重要故障报警提醒并联锁保护（如水池液位与出口泵的高开、低停，低液位报警，进水、出水油含量超标开泵关阀控制，各池体液位高低开关泵、阀控制等）。 上位机监控程序设计时，对一些重要参数、重要操作进行操作跟踪、历史趋势和报警记录，实现故障的追溯和分析，查明故障原因，方便用户分析并总结经验，避免故障重复出现，同时对重要操作设置相应的权限保护，避免非正常用户操作。

控制装置支持远程程序下载和监控，远程控制开停机，支持VPN 一键连接，支持电脑客户端、手机APP 和网页远程数据监测，并可推送报警信息至移动APP，也可配置手机短信推送和微信推送，支持监控点的历史数据采集、记录，支持列表曲线数据的展示和常用统计分析。

2.2.1 PLC 控制逻辑结构

变电站外排雨水智慧控制装置的控制程序可分为进水区油含量超标联锁控制、出水区油含量超标报警并联锁控制，各池体液位高、低报警并联锁控制、 隔油填料污染报警并联锁控制等，各控制逻辑既相互独立又相互关联，最终实现变电站外排雨水一体化装置自动无人值守控制。 主要控制逻辑如图3 所示。

图3 PLC 主要控制逻辑

2.2.2 下位机程序软件

下位机编程软件采用TIA Portal V17， 利用简单易懂的梯形图语言LAD 编写控制逻辑程序，并根据实际控制需要，对程序段、变量标签进行详细、科学的规划，规范变量标签名，对实现同一功能的不同设备的程序组态为功能块（如电动机控制、电动门控制等），通过主程序调用功能块和子程序实现不同设备的控制功能。

2.2.3 上位机监控软件

上位机控制软件采用EasyBuilder Pro 图控软件，该软件是一个友好、开放且可扩展的HMI，拥有丰富的向量图库、图形库、声音库和地址标签库，具有强大的宏指令编辑功能，可以快速设计出丰富的工程内容、设置不同的操作或报警状态、设置多层安全性控制。 该人机界面可实现的功能如下：

a. 数据处理。 通过高性能高速I/O 驱动程序完成与PLC 的硬件通信、错误帧检测、信号调节；通过以太网口HMI 通信，动态存取网络链路上对方的资料；通过以太网口HMI 口可操作连接其他HMI 上的装置， 可对HMI 与连接在HMI 上的装置进行远程监控与故障排除。

b. 显示。 通过EasyBuilder Pro 图控软件可以绘制GIF 系统流程图画面，显示主要设备的运行状态、主要测量参数的实时数值和报警数值以及主要参数的动态图、历史趋势图等。

c. 监控。 根据工艺设备运行需要，操作人员可以在就地控制箱触摸屏上修改控制值、调整工艺控制参数，并可通过编写脚本禁止一些非法操作，从而保护现场设备。

d. 报警。 可以提供工艺设备运行中出现的运行状态、故障等，并根据需要对一些重要参数进行趋势显示和声光报警， 以引起操作人员注意。

e. 报表。 通过历史资料，根据实际需要建立重要参数的EXCEL 电子表格， 可以触发实现报表功能，并根据需要定期打印数据报表，也可保存历史数据以便优化系统控制、跟踪事故发生原因以便处理故障。

f. 安全管理。 用户可根据自己的需求设置多级密码（最多可以设置7 级），防止非法操作。

g. 网络连接开放。 可以通过可选的OPC 协议实现与上级的数据上传，为生产调度系统提供实时数据，供高层管理。

2.3 网络通信

控制系统上位机监控软件EasyBuilder Pro 和S7-1200 系列PLC 的TIA Portal V17 软件之间采用标准TCP/IP 协议加上应用层的RPC/DCOM 来完成节点间的通信和网络寻址［1］，实现上下位机间的数据交换，具体数据交换链路如图4 所示。

图4 PLC 和触摸屏数据交换链路

控制系统基于4G/5G 网， 通过带VPN 功能的交换机或智能网关接入网络云平台，与上级远程智慧水务管理系统连网，建立一套基于公共互联网络的上级智能监控、管理平台，实现多套油水分离一体化装置的设备入网通信、 数据传输、云计算及远程运维等功能。 该系统可以远程监控各变电站外排雨水一体化装置的实时运行状态，监测液位、油分析仪等仪表的实时数据，实时监视设备周围环境状况；可以远程下载程序并监控设备；可以远程开、停设备，减少运维人员的投入，实现实时、高效、安全规范的集中管理。 远程智慧水务管理网络如图5 所示。

图5 远程智慧水务管理网络

3 应用效果

笔者设计开发的变电站外排雨水智慧控制装置， 在多套500 kV 及以上变电站外排雨水一体化装置上配套使用，从运行效果来看：

a. 节省施工费用。变电站外排雨水智慧控制装置可以提前批量生产，控制程序固化并撬装到现场， 现场只需接一根供电电缆即可投入使用，不需要专业技术人员到现场安装指导，普通维护人员经过半天培训就可以进行正常的操作和维护。

b. 无人值守。变电站外排雨水一体化装置正常投运后，现场不需要配置操作人员，维保人员在上级控制中心或手机APP 即可实时监测多个现场设备的运行状态和周围环境状况，根据实时读取的数据、设备运行曲线及历史报表等进行数据统计分析，做出预见性维护，从而减少人力的投入。

c. 减少环境污染。通过工业物联网引入控制系统，实现远程数据实时采集，可以实时监测并自动控制含油雨水达标排放，减少了因含油雨水无法及时排放而对周围水体、土壤环境造成污染进而造成动植物减产的损失。

4 结束语

笔者设计开发的500 kV 及以上变电站外排雨水智慧控制装置具有较强的模拟量、数字量处理能力和逻辑运算能力，网络架构简单，数据通信可靠，操作简单、界面友好，接口标配，即插即用，安全可靠，日常运行维护量少。 该控制装置能够很好地满足小型一体设备控制需要，值得在油水分离装置、 类似的变电站外排雨水一体化装置、一体化污水处理装置中应用和推广。