雨水调蓄工程自控及仪表设计要点概述

何 佳 良

(上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200120)

0 引 言

随着城市化建设和社会经济的快速发展,暴雨内涝、径流污染等问题日趋严重。在城市排水系统末端设置雨水调蓄池,不仅可以削减向下游排放的雨水峰值流量,提高城市排水防涝能力,还可以控制面源污染,控制初期雨水和合流污水对河道的污染。因此,安全、稳定、准确的自动化控制及仪表系统将是保障雨水调蓄工程发挥重要作用的关键因素。

1 设计依据与内容

1.1 依据的主要规范

雨水调蓄工程的自控及仪表设计除了要遵循现行国家相关仪表自动化设计标准外,还要执行GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》[1]、CECS 416:2015《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[2]、CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》[3]及GB 55027—2022《城乡排水工程项目规范》[4]等行业规范。

1.2 设计分界及内容

通常,雨水调蓄是城市排水系统的一部分,运行管理部门一般考虑将调蓄池纳入相应的排水调度系统,对调蓄池进行统一管理调度。工程以与上级调度系统的通信接口为分界,分界面以下属于项目设计范围,界面以上属于城市排水调度系统建设范围。

雨水调蓄工程的自控及仪表设计主要包括根据工艺流程要求配置必要的液位、流量、雨量、水质分析、气体监测等检测仪表;所有检测仪表信号的传送和显示;根据工艺流程对设备运行的要求,设置自动控制装置;根据安防要求,设置视频监控系统、电子围栏系统及门禁系统等。

2 自控系统

2.1 系统结构

自动控制系统应在满足功能性要求的前提下,选择合理的参数和设备,节约工程投资,降低工程运行费用,并能适应水质水量变化的影响,为潜在的突发性事件适当留有余地和工程应对措施。

本文以城市排水系统末端与雨水泵站合建的大型调蓄池为例,构建由检测执行级、现场控制级、中央监控级组成的集中管理、分散控制的集散型控制系统。其中,值班室为信息层,现场控制站为控制层,位于现场的在线检测仪表和现场执行设备组成设备层。

(1) 信息层。信息层设备设在站内值班室,主要由1台监控计算机(工控机)及1台打印机组成。工控机通过工业以太网与PLC柜通信,采集雨水调蓄工程内仪表和设备的实时运行数据,作为人机交互界面在显示器上显示主要仪表和设备的运行状态、雨水调蓄流程图以及各种测量值、报警信息及趋势图等。操作人员可以通过键盘鼠标在线修改主要设备的运行参数,实现对自动化控制程序运行条件的设定。除上述人机交互功能外,工业级监控计算机还负责记录存储雨水调蓄工程的各项运行数据,根据运维人员的需求对这些数据进行查询、统计分析等。另外,信息层预留开放的数据通信接口与上级调度系统进行数据交换。

(2) 控制层。控制层由1台PLC现场控制站组成,通过以太网与信息层连接,接受信息层指令,根据预先编制好的程序,控制雨水调蓄工程内设备自动运行、仪表和设备数据的采集处理,上传至监控计算机。鉴于雨水调蓄工程发生故障可能会导致城镇内涝等情况,PLC现场控制站建议采用冗余结构,包括冗余电源、CPU、通信模块、架构等。

(3) 设备层。设备层包括在线检测仪表、潜水轴流泵、闸门、排砂泵、排空泵、螺旋输送机、砂水分离器、机械格栅、旱季截流泵、水力冲洗系统、除臭设备等。

2.2 自动控制系统主要功能

自动控制系统应具有以下主要功能。

(1) 数据采集。采集雨水调蓄工程各个生产过程的工艺参数、电气设备运行状态和电气参数等信息。

(2) 生产过程监视功能。通过监控计算机动态显示工程平面图、总工艺流程图、局部工艺流程图、供电系统图,以及工艺参数、电气参数、机械设备运行状态、事故报警显示的各种数据图表。

(3) 控制功能。运维人员通过监控计算机可用键盘或鼠标对有关设备进行手动操作。控制系统对工艺过程和控制设备按运行程序要求自动进行控制与调节,各个自动运行程序的工艺参数、控制参数可以设定。

(4) 报警功能。系统对生产状况实时数据进行监控分析,对设备及工艺过程中发生故障时发出警报,显示故障点和故障状态,按照报警等级做出相应反应,记录故障信息。提供的报警日志可以记录事件、信息和报警,并且可以根据要求对相应内容进行归档,触发相应动作等。

(5) 安全操作功能。提供的用户管理器允许设置用户权限,针对不同的操作者设置相应的加密等级,记录操作员及操作信息。

(6) 生产数据管理功能。根据采集到的信息,建立各种信息数据库,保存工艺参数、电气参数、电气设备运行数据、控制数据、报警数据、故障数据。自动生成历史数据库,并对各类工艺参数做出趋势曲线,完成数据传送和报表打印。

2.3 设备三级控制方式

依据GB 51174—2017《城镇雨水调蓄工程技术规范》[1]的规定,雨水调蓄工程中主要设备的控制分为3个层级。

(1) 机侧控制。机侧控制为在各设备机侧控制箱(柜)上进行手动操作。当机侧控制方式手柄处于“手动操作”时,PLC的控制和上级监控中心的远程控制命令均被拒绝。

(2) 就地控制。就地控制是通过自控系统PLC实施设备控制,该控制方式下可通过人机界面选择就地程序软手动控制和就地程序自动控制两种方式。其中就地程序软手动控制通过工控机操作界面实施手动控制;就地程序自动控制由自控系统PLC根据仪表检测数据、设备状态等参数按照预先编制好的程序,自动起、停,无须人工干预。

(3) 远程控制(预留)。上级监控中心远程控制为由上级排水调度中心运行管理人员通过中央SCADA综合监控信息平台用户端获取下属各雨水调蓄工程运行工况,并根据运行调度管理策略下达各类控制指令,保证各雨水泵站及调蓄池高效、稳定运行。

雨水调蓄工程内设备的控制优先级由高至低宜为:机侧控制、就地控制、远程控制,较高优先级的控制可屏蔽较低优先级的控制。每一级控制均应设置选择开关,以确定是否允许较低级别的控制。

2.4 主要设备自动控制方式

(1) 水泵。在自动状态下由PLC根据泵房集水井的水位和设定的运行参数,按照预先编制好的程序对水泵进行自动开停。水泵组的使用应遵循等利用率原则,即累计运行时间最长的水泵优先考虑停止,累计运行时间最短的水泵优先考虑开泵。当某台水泵故障时自动切换其他正常水泵投入运行。

(2) 格栅除污机。格栅除污机自动状态下由PLC根据预先设定好的时间间隔自动开停,同时PLC根据格栅前后实际液位的差值及设定好的液位的差值自动开停格栅除污机。

(3) 螺旋输送机。螺旋输送机的运行控制应与格栅除污机联动。起动时,应按输送机、格栅除污机的顺序依次起动设备,停止时,应按相反的顺序操作。

(4) 电动闸门。电动闸门由人工就地程序软手动控制、机侧控制或由PLC根据预先设定好的程序进行顺序控制。

(5) 高低液位报警。当浮球开关检测到高低液位报警时,自动控制系统发出报警。

3 在线检测仪表

雨水调蓄工程的检测仪表应以适用性、可靠性、先进性为原则设计,充分考虑处理规模、工艺特点及控制要求等综合因素,对运行参数及设备状态等进行实时监测。通常出水总管宜设置流量计量设施、集水池宜设置液位计、用于控制径流污染的调蓄池可设置自动采样器、雨水综合利用系统的调蓄池宜设置水质监测仪表等。

特别注意的是,调蓄池内易形成和聚集有毒有害气体的区域,应设置硫化氢、甲烷、氨气等有毒有害气体检测报警设备,且预留有毒有害气体监测孔。当任何一个在线气体测定探头所测定的硫化氢、甲烷或氨气浓度达到报警设定值时,自动控制系统发出实时声光报警。同时,气体测定仪现场实时声光报警。

由于正常运行时运维人员无须进入调蓄池内部,因此,雨水调蓄工程可不在调蓄池内部设置在线式有毒气体检测仪表监测有毒气体浓度。但是,如运维人员需进入调蓄池内部,必须事先进行有效通风并通过便携式有毒有害气体检测仪表监测池内有毒有害气体浓度是否安全,并在采取有效的防护措施(如佩戴防毒面具)的前提下,方可进入调蓄池内。

4 安全技术防范系统

根据CECS 416:2015《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[2]的要求,雨水调蓄工程设置一套安全技术防范系统。该系统主要由视频监控系统、电子围栏系统及门禁系统组成,不同子系统管理软件之间可通过通信方式,实现子系统联动。

4.1 视频监控系统

为满足雨水调蓄工程运营管理和安全防范的需要,需建立一套数字式视频监视系统。视频监视系统应以先进性、可靠性、经济性及可扩展性为原则设计,对泵站及调蓄池进行宏观动态监视。系统主要由前端视频采集设备、数据传输设备、监控中心终端显示管理设备组成。

(1) 前端视频采集设备。由网络摄像机以及相关辅助配套设备组成,主要完成图像的采集及编码工作。结合雨水调蓄工程的特点,根据运行管理需要在重要设备(轴流泵、进出水闸门等)、重要房间(变配电间、控制室等)、重要通道(进场道路、大门等)设置监控摄像机。

(2) 数据传输设备。采用数字式传输方式,各摄像机视频图像信号经以太网电缆接入视频监控系统专用工业以太网交换机。

(3) 终端显示管理设备。设置于值班室,主要完成对视频图像的接收、显示、切换、存储、检索、回放以及对监控摄像机的控制等功能,由NVR网络数字硬盘录像机、主控键盘及监视器组成。来自前端设备的视频信号均接入NVR网络数字硬盘录像机,由NVR负责视频信号的监视、存储、检索、回放等,需配置可至少保存一个月录像信息的硬盘空间。操作人员可以通过主控键盘控制前端摄像机动作,控制NVR显示、录像以及回放等。

4.2 电子围栏系统

为确保雨水调蓄工程的安全,站内需配置一套电子围栏系统,在值班室设置一套报警控制主机,项目围墙设置电子围栏,大门上方设置红外对射系统。对安装在围墙上的电子围栏及红外对射探测器24 h监控,对非正常进入人员立即给予报警。同时,安防系统还可按需与地方110联网,保证厂区安全。

4.3 门禁系统

为有效保障重点房间区域的安全性,可根据运行需求在变配电间、控制室、值班室等设置门禁点,相关授权用户方可刷卡进入。门禁系统主要由门禁控制器、读卡器、电磁锁等组成。相关人员刷卡信息保存于系统数据库内,运行单位可对相关人员进出信息及权限进行有效管理。

5 防雷接地与设备选型

5.1 防过电压及接地

工程内的自控仪表系统、视频监控系统及电子围栏系统分别设置防雷保护。由室外引入各现场控制站的电源线路、金属介质通信总线均在进户处装设过电压保护装置,抑制暂态浪涌电压,泄放暂态浪涌电压能量,保障设备免受过电压的干扰和侵害。

除特殊注明或有特殊接地要求的仪表外,根据CJJ/T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》的要求,仪表及控制系统宜与低压供电系统采用联合接地方式,接地电阻不大于1 Ω,达不到要求时应增加接地极数量或采用降阻措施。现场仪表的工作接地一般应在现场控制站控制室侧实施,并单点接入接地系统。对于被要求或必须在现场接地的现场仪表应在现场侧接地。

5.2 主要设备选型

考虑到雨水调蓄工程潮湿、腐蚀、爆炸等特殊环境,PLC建议采用模块化结构的具有防腐蚀性涂层的PLC系统。检测仪表选用带现场显示变送器的智能化仪表。爆炸危险环境中的设备选用须满足不同防爆分区的防护级别要求[5]。

6 结 语

实践证明,雨水调蓄工程能有效提高城市排水防涝并控制面源污染。科学、合理的自控及仪表设计不仅能够保障调蓄工程的处理效果、减轻劳动强度、改善操作环境、降低运维成本,还能为生产管理、事故分析、工艺控制寻优、改进管理方法等提供可靠的依据。