鹽城市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

符新峰，倉(cāng)基俊，陸惠萍

（1.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，200434，上海；2.江蘇省鹽城市水利科學(xué)研究所，224000，鹽城）

江蘇省鹽城市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程是鹽城市重點(diǎn)城市供水項(xiàng)目，項(xiàng)目建成后提高了城市供水安全保障能力，并同時(shí)提高了城市供水水質(zhì)。該工程采用人工濕地水質(zhì)凈化的處理工藝，通過設(shè)置必要的工程措施和生物措施，使蟒蛇河原水經(jīng)本工程凈化后水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)水質(zhì)指標(biāo)滿足Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，凈化后的水再經(jīng)輸水泵站引至鹽城市自來水廠。

水源生態(tài)凈化需要根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工藝流程進(jìn)行操作，每天的取水量、凈化量、水體的凈化時(shí)間、流量、水質(zhì)等都是一些重要參數(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能夠極大地提高生產(chǎn)率，用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)凈化是當(dāng)前的一個(gè)必然趨勢(shì)。該工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，即利用以太網(wǎng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)監(jiān)控、視頻監(jiān)控和水質(zhì)在線監(jiān)控構(gòu)建在一個(gè)網(wǎng)上，在一個(gè)硬件平臺(tái)下進(jìn)行站內(nèi)所有設(shè)備的立體化監(jiān)控，節(jié)省了投資，提高了工作效率。

一、設(shè)計(jì)原則

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)按 “無人值班”（少人值守）進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則進(jìn)行配置，建成后可實(shí)現(xiàn)遙視、遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)等功能。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型適應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的特點(diǎn)，采用全分布開放式系統(tǒng)，便于功能和硬件擴(kuò)充。軟件的模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)更能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴(kuò)充。系統(tǒng)人機(jī)接口功能強(qiáng)，操作方便，全漢化界面，具有語音報(bào)警功能。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)總體框架分為管理樓集中監(jiān)控中心與取水泵站監(jiān)控分中心、取水泵站、配水總渠涵閘、引水涵閘和溢流堰調(diào)節(jié)閘現(xiàn)地控制設(shè)備LCU等幾部分組成，各系統(tǒng)通過冗余光纖環(huán)形以太網(wǎng)連接通信，各個(gè)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。工程設(shè)置兩個(gè)監(jiān)控中心——管理樓集中監(jiān)控中心和取水泵站監(jiān)控分中心，兩個(gè)監(jiān)控中心均能實(shí)現(xiàn)對(duì)水源地各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。泵站內(nèi)部、配水總渠涵閘、引水涵閘和溢流堰調(diào)節(jié)閘分別設(shè)置單元控制機(jī)設(shè)備，負(fù)責(zé)采集各個(gè)單元的監(jiān)控對(duì)象數(shù)據(jù)，并進(jìn)行控制。

集中控制中心、分中心和LCU之間通過10 M/100M冗余光纖以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通信，通信協(xié)議采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。LCU之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，在上位機(jī)退出運(yùn)行時(shí)，也能夠完成相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)水體控制。LCU通過現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)各種微機(jī)型保護(hù)裝置、智能電力儀表、自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采集數(shù)據(jù)并監(jiān)控設(shè)備。

2.視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)分成兩個(gè)部分：①水源地內(nèi)部設(shè)備監(jiān)控，即取水泵站、涵閘管理區(qū)視頻，均接入水源地自動(dòng)化系統(tǒng)。②大壩周界視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)視點(diǎn)的設(shè)置按照全庫(kù)區(qū)無死角進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在環(huán)繞水源地的大壩上，按100～200 m間隔安裝網(wǎng)絡(luò)高速球形攝像機(jī)，可利用圖像技術(shù)進(jìn)行視頻報(bào)警監(jiān)控。

3.水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工程設(shè)有水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)站3套，分別設(shè)在蟒蛇河取水口（取水泵站）、深水植物區(qū)和輸水泵站附近，其中輸水泵站監(jiān)測(cè)站由自來水公司負(fù)責(zé)實(shí)施。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由采配水單元、預(yù)處理單元、分析單元、過程邏輯控制、數(shù)據(jù)采集及傳輸單元和輔助設(shè)備構(gòu)成。

三、系統(tǒng)功能

該工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用三級(jí)控制方案，即上級(jí)遠(yuǎn)方監(jiān)控、管理區(qū)取水泵站集中監(jiān)控和現(xiàn)地控制，優(yōu)先順序自下而上。各級(jí)控制嚴(yán)格安裝優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)定，以防誤操作。

①監(jiān)控系統(tǒng)主控層上位機(jī)設(shè)備完成對(duì)水源地所有受控對(duì)象的監(jiān)控。其主要功能包括圖形顯示、系統(tǒng)監(jiān)視、水源地視頻圖像監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行參數(shù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理、數(shù)據(jù)報(bào)表打印、全泵站運(yùn)行監(jiān)視和控制功能、發(fā)操作控制命令、作定值切換、設(shè)定與變更工作方式、通信控制、系統(tǒng)診斷、軟件開發(fā)以及語音報(bào)警等功能。

現(xiàn)地控制層以PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。PLC主要完成數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，具有控制操作和監(jiān)視功能。各LCU通過以太網(wǎng)與主控層通信，當(dāng)PLC與主機(jī)系統(tǒng)脫離后實(shí)現(xiàn)對(duì)各受控設(shè)備必要的監(jiān)視和控制，當(dāng)其與主機(jī)恢復(fù)聯(lián)系后又能自動(dòng)地服從上位機(jī)系統(tǒng)的控制和管理。

②泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要功能是在取水泵站運(yùn)行過程中對(duì)各個(gè)電氣設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員及水工建筑物運(yùn)行工況進(jìn)行視頻監(jiān)控，保證設(shè)備安全運(yùn)行；大壩周界視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能就是保證水源地的安全，預(yù)防非授權(quán)人員進(jìn)入水源地，當(dāng)發(fā)現(xiàn)無關(guān)人員進(jìn)入水源地時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

③水質(zhì)監(jiān)測(cè)站完成各個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的在線測(cè)量，水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次為每天監(jiān)測(cè)12次 （具有時(shí)間設(shè)置功能，可根據(jù)需要任意設(shè)定監(jiān)測(cè)頻次）。水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括pH值、水溫、電導(dǎo)率、濁度、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、揮發(fā)酚等。當(dāng)被測(cè)斷面水質(zhì)出現(xiàn)異常值時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警并自動(dòng)采集斷面瞬時(shí)樣品（配置有水質(zhì)自動(dòng)采樣器）。

四、系統(tǒng)特點(diǎn)

①監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，冗余環(huán)形光纖以太網(wǎng)，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)接點(diǎn)故障或一段光纜故障時(shí)，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，為當(dāng)前主流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有可靠性高、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

②水源地日常管理采用三級(jí)監(jiān)控模式，同時(shí)增加管理區(qū)監(jiān)控，正常運(yùn)行時(shí)集中在管理區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，特殊情況下可在取水泵站控制室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控，管理方式靈活且效率高。

③各監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控分站、通信計(jì)算機(jī)在物理層面處于平等地位，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)不會(huì)引起原系統(tǒng)的重大變化，為系統(tǒng)的不斷完善創(chuàng)造了條件。

④各LCU均通過100 M/s以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控系統(tǒng)，可靠性高，通信速率快，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快。

⑤PLC選用的產(chǎn)品，為水利行業(yè)使用的高端PLC產(chǎn)品，系統(tǒng)的運(yùn)行速度快，一個(gè)邏輯指令運(yùn)算速度為0.0525～0.075μs，并具有I/O模塊帶電插拔功能，維護(hù)方便；采用Unity Pro軟件編程，可以直接通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)方編程、遠(yuǎn)方組態(tài)，支持5種IEC語言，編程維護(hù)方便。

⑥在線式水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用，可以實(shí)時(shí)在中控室監(jiān)測(cè)每天的水質(zhì)參數(shù)，保證了水源地的安全性。

⑦視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化相融合的新一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像、聲音及各種報(bào)警信號(hào)的遠(yuǎn)程采集、傳輸、儲(chǔ)存和處理，提供便捷、經(jīng)濟(jì)、有效的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控解決方案。

五、結(jié) 語

鹽城市區(qū)飲用水源生態(tài)凈化工程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，充分考慮和采用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，其開放性、可擴(kuò)展性、分層分布式結(jié)構(gòu)、冗余環(huán)形網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都是當(dāng)前比較先進(jìn)的技術(shù)，能夠很好地保證水源地的正常運(yùn)行。在線式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)水源地內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)水質(zhì)超標(biāo)時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，停止取水或供水，保證水源的安全性。