大亞灣石化區(qū)污水排海管線自動(dòng)控制及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王張磊

摘要：介紹了大亞灣石化區(qū)污水排海管線自動(dòng)控制及在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，從設(shè)計(jì)思路、總體架構(gòu)、分層分區(qū)等方面闡述了計(jì)算機(jī)監(jiān)控、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、安防視頻等子系統(tǒng)的組成及功能。同時(shí)簡(jiǎn)述項(xiàng)目的實(shí)施及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，針對(duì)該系統(tǒng)提出了一些改進(jìn)意見，對(duì)水利工程管理單位信息化系統(tǒng)的建設(shè)方案設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)監(jiān)控;水質(zhì)監(jiān)測(cè)：安防視頻

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.

文章編號(hào)：2095-6487（2019）03-0051-02

0引言

大亞灣石化區(qū)排污管道位于大亞灣東側(cè)海域，下海點(diǎn)位于清源污水處理廠附近，主體工程包含一條長(zhǎng)約37.8km的海底管線和長(zhǎng)約154m的管道終端連接擴(kuò)散器、兩條陸地管線、一座排海泵站及配套設(shè)施。排海泵站設(shè)計(jì)流量為3800m*/h，裝設(shè)有4臺(tái)臥式單級(jí)雙吸中開離心泵，其中3臺(tái)為排海泵，1臺(tái)為回流泵，工程規(guī)模為中型。泵站廠區(qū)內(nèi)布置污水緩沖池、泵房、站內(nèi)進(jìn)、出水管道及附屬閥件設(shè)備、運(yùn)營(yíng)管理中心大樓等，中控室設(shè)在運(yùn)營(yíng)管理中心大樓一層。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)涵蓋計(jì)算機(jī)監(jiān)控、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)、安防視頻等多個(gè)專業(yè)。其中計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)排海泵站內(nèi)主、輔設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控，水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)排?？偣芟潞｜c(diǎn)水質(zhì)、石化區(qū)4個(gè)污水排放口流量、排海管出口海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)將數(shù)據(jù)按照規(guī)定接入到惠州市環(huán)保局水質(zhì)在線信息平臺(tái)，安防視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)部位的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)視，并提供畫面存儲(chǔ)、歷史查詢等安全運(yùn)行輔助手段，同時(shí)通過(guò)大屏對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行綜合展示。直流系統(tǒng)用來(lái)保障排污泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)房設(shè)備穩(wěn)定供電。

2設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮安全性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性。系統(tǒng)以工業(yè)以太網(wǎng)及各類現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享的同時(shí)，通過(guò)路由器、防火墻及物理隔離等設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分層、分區(qū)，保證系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)平臺(tái)、軟硬件產(chǎn)品均選用行業(yè)內(nèi)的成熟產(chǎn)品和技術(shù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件資源留有適當(dāng)冗余，軟件采用層次化、組件化設(shè)計(jì)，通信接口、規(guī)約符合通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為后期系統(tǒng)擴(kuò)展和集成留有擴(kuò)充余量。

3總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用開放的、分層分布式體系結(jié)構(gòu)，自下而上分成現(xiàn)地級(jí)、站控級(jí)，并預(yù)留與辦公自動(dòng)控制系統(tǒng)（本方案未涵蓋）通信。

現(xiàn)地級(jí)設(shè)備由布置在現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)地控制單元（LCU）、視頻攝像機(jī)、拾音器及水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)及處理?，F(xiàn)地控制單元以PLC為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站主機(jī)組、公用設(shè)備、變配電設(shè)備等被控對(duì)象進(jìn)行測(cè)量和控制，分散布設(shè)在現(xiàn)地的攝像頭、拾音器實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站、水質(zhì)站及管路等重要部位的實(shí)時(shí)視頻、音頻數(shù)據(jù)采集，各類水質(zhì)傳感器及分析儀，完成水溫、PH值、COD、氨氮等水質(zhì)參數(shù)采集、處理、存儲(chǔ)及發(fā)送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

站控級(jí)設(shè)備由中控室內(nèi)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控事務(wù)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作站以各種人機(jī)界面、語(yǔ)音、簡(jiǎn)報(bào)等方式實(shí)時(shí)顯示泵站設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，對(duì)對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、記錄，異常情況發(fā)生時(shí)發(fā)出報(bào)警，是監(jiān)控泵站運(yùn)行的主要手段。視頻監(jiān)視器實(shí)時(shí)顯示各攝像頭采集的視頻圖像，硬盤錄像機(jī)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)歷史圖像，供事后回放、檢索與分析歷史畫面，是對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

4系統(tǒng)層次

按照“縱向分層、橫向分區(qū)”的原則設(shè)計(jì)1，整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為“控制區(qū)”和“管理區(qū)”兩個(gè)大區(qū)，“控制區(qū)”承載泵站監(jiān)控及水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等與生產(chǎn)密切相關(guān)、安全性要求比較高的業(yè)務(wù)，控制區(qū)又分為I區(qū)和II區(qū)，I區(qū)主要負(fù)責(zé)泵站監(jiān)控業(yè)務(wù)，II區(qū)主要負(fù)責(zé)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。“管理區(qū)”承載一些安全性要求相對(duì)較低的業(yè)務(wù)，如安防視頻、大屏系統(tǒng)等。

為保證系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用型，本系統(tǒng)采取如下網(wǎng)絡(luò)安全策略。

生產(chǎn)控制區(qū)局域網(wǎng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別設(shè)置工業(yè)級(jí)交換機(jī)，并進(jìn)行級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享。水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)帶防火墻功能的核心路由器與公網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)與水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及惠州環(huán)保局的數(shù)據(jù)通信。

管理信息區(qū)局域網(wǎng)。安防及視頻監(jiān)視系統(tǒng)、DLP大屏顯示系統(tǒng)及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（本方案未涵蓋）屬管理信息III區(qū)，DLP大屏、安防及視頻監(jiān)視系統(tǒng)利用管理區(qū)交換機(jī)組成管理區(qū)局域網(wǎng)。

生產(chǎn)控制區(qū)局域網(wǎng)與辦公自動(dòng)控制系統(tǒng)連接時(shí)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置，只允許計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向外傳輸數(shù)據(jù)，確保計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不受外來(lái)侵襲。

5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以自建為主、部分租用的方式建設(shè)以光纜為傳輸介質(zhì)的星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)以核心交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的中央節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備都連接到中央節(jié)點(diǎn)并通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，各節(jié)點(diǎn)呈星狀分布。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)具有相對(duì)的“獨(dú)立性”，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)的連接及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，便于系統(tǒng)擴(kuò)充。適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多，實(shí)時(shí)性要求高，且出現(xiàn)故障可迅速排查的系統(tǒng)。

6系統(tǒng)建設(shè)

6.1計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)依照“無(wú)人值班”（少人值守）[2]的原則設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站主機(jī)組、公用設(shè)備、高低壓配電設(shè)備等設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)視、控制、保護(hù)、以及調(diào)度運(yùn)行管理等工作，具有數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)視與報(bào)警、控制與調(diào)節(jié)、系統(tǒng)自診斷與恢復(fù)、數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)、人機(jī)接口、時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)通信等功能。主要配置2臺(tái)操作員工作站、1臺(tái)應(yīng)用兼數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、1臺(tái)核心交換機(jī)、1套公用LCU控制單元、3套機(jī)組LCU控制單元、1套滲漏排水控制箱及4套管蝶閥控制箱等設(shè)備。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

LCU控制單元核心為PLC，通過(guò)配置不同類型的模件，可以硬接線或通信的方式采集控制對(duì)象及其自動(dòng)化儀表的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)向站控級(jí)上送過(guò)程信息，同時(shí)接受站控級(jí)發(fā)來(lái)的控制指令，并將執(zhí)行情況和結(jié)果回送到站控級(jí)。站控級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全站的運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和記錄等功能，各計(jì)算機(jī)與LCU控制單元采用以太網(wǎng)方式連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)斷開時(shí)，LCU控制單元具有對(duì)泵站進(jìn)行必要的監(jiān)視和控制的功能，而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后能自動(dòng)地服從站控級(jí)的控制和管理。

6.2水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)有水溫、PH值、流量、COD、氨氮等5項(xiàng)，系統(tǒng)主要由取水單元、預(yù)處理單元、輔助分析單元、分析監(jiān)測(cè)單元、現(xiàn)地系統(tǒng)控制單元、通信單元、運(yùn)行環(huán)境支持單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等構(gòu)成。取水單元、預(yù)處理單元、輔助分析單元完成水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的水樣采集、水樣預(yù)處理、管路清洗等采樣控制過(guò)程;分析監(jiān)測(cè)單元完成監(jiān)測(cè)站水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的分析過(guò)程;系統(tǒng)控制單元完成系統(tǒng)的監(jiān)控操作、數(shù)據(jù)的采集;通信單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及控制指令的上行及下行傳輸過(guò)程;運(yùn)行環(huán)境支持單元提供整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行支持。站控級(jí)匯集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)、處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可打印輸出日、周、月、季、年平均數(shù)據(jù)以及最大值、最小值等各種監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)告及圖表（棒狀圖、曲線圖、多軌跡圖、對(duì)比圖等）。

6.3安防視頻系統(tǒng)

安防視頻系統(tǒng)由視頻采集部分、信號(hào)傳輸部分和管理控制部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)兩條陸地管線與4家污水廠排污支管接口位置電動(dòng)蝶閥及電磁流量計(jì)、排海泵站等重點(diǎn)區(qū)域設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，為水調(diào)工作的監(jiān)督提供直觀的依據(jù)，主要包括視頻監(jiān)視、視頻控制、視頻錄像及畫面捕捉等功能。

另本系統(tǒng)在廠區(qū)周界設(shè)置紅外對(duì)射報(bào)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)?？刂撇糠址譃楸谜局锌厥壹皬S區(qū)入口保衛(wèi)室，以便保安人員和運(yùn)行管理人員能同時(shí)監(jiān)視廠區(qū)情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

6.4直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)可提供穩(wěn)定的交直流電源，主要供電對(duì)象為計(jì)算監(jiān)控系統(tǒng)各現(xiàn)地控制單元、高壓開關(guān)柜及微機(jī)保護(hù)、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備及站控級(jí)設(shè)備。直流電源具有逆變功能，平時(shí)輸出交流220V電源供給監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備用;當(dāng)交流電源失電時(shí)，由蓄電池逆變?yōu)榻涣?20V電源供電，以確保監(jiān)控設(shè)備電源可靠。

經(jīng)計(jì)算并考慮一定冗余，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)各現(xiàn)地控制單元功率為1000W，開關(guān)柜及保護(hù)裝置功率1400W，水質(zhì)在線檢測(cè)系統(tǒng)及站控級(jí)設(shè)備功率3500W。直流系統(tǒng)選用微機(jī)型直流電源裝置，額定電壓為220V，額定容量65Ah，配置一組免維護(hù)鉛酸蓄電池組，充電模塊采用高頻開關(guān)電源組件，包括直流控制逆變屏1面、蓄電池屏1面。

7結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)目前已完成建設(shè)并投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，功能滿足設(shè)計(jì)要求，為大亞灣石化區(qū)污水處理運(yùn)行管理單位提供了可靠地技術(shù)支撐。結(jié)合本系統(tǒng)特點(diǎn)，提出以下改進(jìn)建議。

（1）本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)及安防視頻等子系統(tǒng)雖層次分明、分區(qū)清晰，但受系統(tǒng)構(gòu)架所限，未能實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)系統(tǒng)的深度整合，若采用一體化管控構(gòu)架，可打破不同專業(yè)間的壁壘3]，進(jìn)一步節(jié)省硬件重復(fù)建設(shè)及人力資源投入，從而提高工作效率。.

（2）伴隨近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展、智能手機(jī)高度普及，本系統(tǒng)可在手機(jī)APP、微信等移動(dòng)終端、GIS等方面進(jìn)一步進(jìn)行功能擴(kuò)展，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性、便捷性，從而提升管理水平。

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