變電站外排雨水智慧控制裝置的設(shè)計與開發(fā)

周 元 李求飛 李明明

（中電環(huán)保股份有限公司）

通常，變電站遠(yuǎn)離城郊建設(shè)，雨季來臨時若變電站長期有大量雨水積聚，則容易引起變電站設(shè)備故障， 需要工作人員經(jīng)常到現(xiàn)場巡檢和清理。 若變電站設(shè)備發(fā)生故障，不能及時處理，會導(dǎo)致含油雨水外排至附近農(nóng)田或河道中，對農(nóng)作物或河道產(chǎn)生污染，破壞生態(tài)平衡。 為解決上述問題， 筆者設(shè)計了一款500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置，以實現(xiàn)遠(yuǎn)離城郊變電站就地?zé)o人值守、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、故障預(yù)見性分析、遠(yuǎn)程集中智慧水務(wù)管理，達(dá)到節(jié)省人力物力的目的。

1 裝置構(gòu)成及工作流程

變電站外排雨水一體化裝置一般置于地下3.5 m 或更深處。 裝置內(nèi)部由固液分離池、油水分離池、隔油池、電動閘門、油泵、抓斗及過水通道等組成，池體間由隔離板劃分，過水通道進(jìn)水端與固液分離池連通， 出水端與裝置出口連通，固液分離池底部連通進(jìn)水管， 格柵管與進(jìn)水管連接，固液分離池和油水分離池底部設(shè)置傾斜角度為30°的污泥斗， 防止固體顆粒溢流進(jìn)入斜板池造成阻塞。

變電站外排雨水一體化裝置的工作流程如圖1 所示。 變電站外排雨水一體化裝置進(jìn)水母管和處理后排水母管各設(shè)置一臺在線油檢測儀，固液分離池、油水分離池、隔油池分別設(shè)置在線液位計，控制器通過檢測來水中油含量值來判斷是否需要進(jìn)行油水隔油處理，通過檢測出水總管油含量值來判斷是否可以達(dá)標(biāo)排放，通過檢測油水分離池和隔油池的液位來控制泵的啟?；蜃ザ返纳档?。

圖1 變電站外排雨水一體化裝置工作流程

2 主體設(shè)計

變電站外排雨水智慧控制裝置設(shè)置了一臺控制柜， 控制柜內(nèi)配置PLC 控制設(shè)備、 觸摸屏（HMI） 監(jiān)控設(shè)備、 監(jiān)控安防設(shè)備、 智能網(wǎng)關(guān)（FBOX）和若干電氣元器件。 通過控制柜內(nèi)搭建的電氣一、二次控制回路，組態(tài)PLC 控制器邏輯控制程序和觸摸屏HMI 操作畫面，實現(xiàn)對外排雨水一體化裝置內(nèi)所有被控對象的軟手操、自動程序聯(lián)鎖控制及監(jiān)控，具體包括水泵、抓斗的啟?？刂疲y門的開關(guān)操作，液位、油分析儀等工藝參數(shù)的監(jiān)視等。 當(dāng)油含量超過設(shè)定值，裝置自動聯(lián)鎖關(guān)進(jìn)口閘板閥；固液分離池、油水分離池、隔油池任一池體液位高， 則自動聯(lián)鎖關(guān)進(jìn)口閘板閥；通過檢測油水分離器、隔油池的液位控制油泵的高開低停。安裝在現(xiàn)場的攝像頭24 h 連續(xù)監(jiān)測控制柜區(qū)域、變電站外排雨水一體化裝置周圍環(huán)境和設(shè)備的運行狀況， 并上傳給硬盤錄像機(jī)（NVR）， 實現(xiàn)視頻的錄像、 存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。 同時，PLC、HMI、NVR 通過網(wǎng)線連接到交換機(jī)， 交換機(jī)通過網(wǎng)線與FBOX 組網(wǎng)并進(jìn)行相關(guān)程序設(shè)置，完成PLC、HMI 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器中。 中央控制中心或其他地點的計算機(jī)或手機(jī)終端只需安裝相應(yīng)的軟件及智能終端APP，便可隨時上網(wǎng)查看分布在各現(xiàn)場的變電站外排雨水一體化裝置的儀表實時運行數(shù)據(jù)，泵、自動閥等設(shè)備的運行狀態(tài)和報警信息，并可以遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上下位機(jī)程序的組態(tài)和調(diào)試，實現(xiàn)智慧水務(wù)管理功能。

2.1 工程硬件

工程硬件配置如圖2 所示。 控制裝置主要由一臺10 英寸觸摸屏、 一套S7-1200 系列PLC、一臺下行4 電口交換機(jī)、一臺上行8 電口2 光口帶VPN 功能的交換機(jī)、若干攝像頭、一臺NVR、一套FBOX、一套電氣設(shè)備及電纜等輔助材料組成。

圖2 主要硬件配置

攝像頭安裝于外排雨水一體化裝置附近，攝像頭通過6 類雙絞線連接到下行交換機(jī)1， 下行交換機(jī)1 上行口通過6 類雙絞線連接到NVR，NVR 對采集的視頻信號進(jìn)行管理、 存儲。 NVR、PLC、HMI 通過6 類雙絞線與交換機(jī)2 連接，現(xiàn)場儀表、自動閥、接觸器及熱繼電器等通過硬接線連接到控制柜接線端子，S7-1200 控制系統(tǒng)模擬量輸入卡件（AI）、數(shù)字量輸入卡件（DI）采集現(xiàn)場設(shè)備信號并處理，經(jīng)過CPU 運算、邏輯程序處理后，通過模擬量輸出卡件（AO）、數(shù)字量輸出卡件（DO）輸出，執(zhí)行電機(jī)、抓斗的啟停以及自動閥的開關(guān)和調(diào)節(jié)。 在HMI 中組態(tài)工藝流程圖畫面，定義PLC 數(shù)據(jù)變量，設(shè)置報警、報表數(shù)據(jù)等，下載到PLC 和HMI，通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)并設(shè)置，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、處理、監(jiān)測、控制、追蹤及查詢等，同時PLC、HMI 中的數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)或交換機(jī)2 連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和傳輸，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享和管理。

2.2 工程軟件

為滿足變電站外排雨水一體化裝置分散布置、無人值守的自動運營需求，軟件設(shè)計綜合考慮了操作簡易性、自動化程度、通信開放性、適應(yīng)性、擴(kuò)展能力及經(jīng)濟(jì)運行等方面。 PLC 采用最新博圖軟件， 觸摸屏采用EasyBuilder Pro 圖控軟件， 第三方設(shè)備智能網(wǎng)關(guān)采用FSTOOLS 軟件，PLC 通過集成的PROFINET 物理接口與觸摸屏連接，通信協(xié)議采用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。 PLC 控制器帶集成的輸入、輸出模塊，具有輸入濾波器、過程報警及脈沖捕獲等功能，同時控制器集成高速計數(shù)器（HSC）和脈沖發(fā)生器（PTO/PWM），具有時間同步功能。

工程軟件設(shè)計上采用軟件濾波、 軟件容錯、脈沖捕獲和過程報警技術(shù)，一般故障信號提示并通過程序自動處理（如電動門、泵、抓斗故障過載等）；重要故障報警提醒并聯(lián)鎖保護(hù)（如水池液位與出口泵的高開、低停，低液位報警，進(jìn)水、出水油含量超標(biāo)開泵關(guān)閥控制，各池體液位高低開關(guān)泵、閥控制等）。 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計時，對一些重要參數(shù)、重要操作進(jìn)行操作跟蹤、歷史趨勢和報警記錄，實現(xiàn)故障的追溯和分析，查明故障原因，方便用戶分析并總結(jié)經(jīng)驗，避免故障重復(fù)出現(xiàn)，同時對重要操作設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限保護(hù)，避免非正常用戶操作。

控制裝置支持遠(yuǎn)程程序下載和監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制開停機(jī)，支持VPN 一鍵連接，支持電腦客戶端、手機(jī)APP 和網(wǎng)頁遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測，并可推送報警信息至移動APP，也可配置手機(jī)短信推送和微信推送，支持監(jiān)控點的歷史數(shù)據(jù)采集、記錄，支持列表曲線數(shù)據(jù)的展示和常用統(tǒng)計分析。

2.2.1 PLC 控制邏輯結(jié)構(gòu)

變電站外排雨水智慧控制裝置的控制程序可分為進(jìn)水區(qū)油含量超標(biāo)聯(lián)鎖控制、出水區(qū)油含量超標(biāo)報警并聯(lián)鎖控制，各池體液位高、低報警并聯(lián)鎖控制、 隔油填料污染報警并聯(lián)鎖控制等，各控制邏輯既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)變電站外排雨水一體化裝置自動無人值守控制。 主要控制邏輯如圖3 所示。

圖3 PLC 主要控制邏輯

2.2.2 下位機(jī)程序軟件

下位機(jī)編程軟件采用TIA Portal V17， 利用簡單易懂的梯形圖語言LAD 編寫控制邏輯程序，并根據(jù)實際控制需要，對程序段、變量標(biāo)簽進(jìn)行詳細(xì)、科學(xué)的規(guī)劃，規(guī)范變量標(biāo)簽名，對實現(xiàn)同一功能的不同設(shè)備的程序組態(tài)為功能塊（如電動機(jī)控制、電動門控制等），通過主程序調(diào)用功能塊和子程序?qū)崿F(xiàn)不同設(shè)備的控制功能。

2.2.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件

上位機(jī)控制軟件采用EasyBuilder Pro 圖控軟件，該軟件是一個友好、開放且可擴(kuò)展的HMI，擁有豐富的向量圖庫、圖形庫、聲音庫和地址標(biāo)簽庫，具有強(qiáng)大的宏指令編輯功能，可以快速設(shè)計出豐富的工程內(nèi)容、設(shè)置不同的操作或報警狀態(tài)、設(shè)置多層安全性控制。 該人機(jī)界面可實現(xiàn)的功能如下：

a. 數(shù)據(jù)處理。 通過高性能高速I/O 驅(qū)動程序完成與PLC 的硬件通信、錯誤幀檢測、信號調(diào)節(jié)；通過以太網(wǎng)口HMI 通信，動態(tài)存取網(wǎng)絡(luò)鏈路上對方的資料；通過以太網(wǎng)口HMI 口可操作連接其他HMI 上的裝置， 可對HMI 與連接在HMI 上的裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障排除。

b. 顯示。 通過EasyBuilder Pro 圖控軟件可以繪制GIF 系統(tǒng)流程圖畫面，顯示主要設(shè)備的運行狀態(tài)、主要測量參數(shù)的實時數(shù)值和報警數(shù)值以及主要參數(shù)的動態(tài)圖、歷史趨勢圖等。

c. 監(jiān)控。 根據(jù)工藝設(shè)備運行需要，操作人員可以在就地控制箱觸摸屏上修改控制值、調(diào)整工藝控制參數(shù)，并可通過編寫腳本禁止一些非法操作，從而保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備。

d. 報警。 可以提供工藝設(shè)備運行中出現(xiàn)的運行狀態(tài)、故障等，并根據(jù)需要對一些重要參數(shù)進(jìn)行趨勢顯示和聲光報警， 以引起操作人員注意。

e. 報表。 通過歷史資料，根據(jù)實際需要建立重要參數(shù)的EXCEL 電子表格， 可以觸發(fā)實現(xiàn)報表功能，并根據(jù)需要定期打印數(shù)據(jù)報表，也可保存歷史數(shù)據(jù)以便優(yōu)化系統(tǒng)控制、跟蹤事故發(fā)生原因以便處理故障。

f. 安全管理。 用戶可根據(jù)自己的需求設(shè)置多級密碼（最多可以設(shè)置7 級），防止非法操作。

g. 網(wǎng)絡(luò)連接開放。 可以通過可選的OPC 協(xié)議實現(xiàn)與上級的數(shù)據(jù)上傳，為生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)，供高層管理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件EasyBuilder Pro 和S7-1200 系列PLC 的TIA Portal V17 軟件之間采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議加上應(yīng)用層的RPC/DCOM 來完成節(jié)點間的通信和網(wǎng)絡(luò)尋址［1］，實現(xiàn)上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)交換，具體數(shù)據(jù)交換鏈路如圖4 所示。

圖4 PLC 和觸摸屏數(shù)據(jù)交換鏈路

控制系統(tǒng)基于4G/5G 網(wǎng)， 通過帶VPN 功能的交換機(jī)或智能網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)云平臺，與上級遠(yuǎn)程智慧水務(wù)管理系統(tǒng)連網(wǎng)，建立一套基于公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的上級智能監(jiān)控、管理平臺，實現(xiàn)多套油水分離一體化裝置的設(shè)備入網(wǎng)通信、 數(shù)據(jù)傳輸、云計算及遠(yuǎn)程運維等功能。 該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控各變電站外排雨水一體化裝置的實時運行狀態(tài)，監(jiān)測液位、油分析儀等儀表的實時數(shù)據(jù)，實時監(jiān)視設(shè)備周圍環(huán)境狀況；可以遠(yuǎn)程下載程序并監(jiān)控設(shè)備；可以遠(yuǎn)程開、停設(shè)備，減少運維人員的投入，實現(xiàn)實時、高效、安全規(guī)范的集中管理。 遠(yuǎn)程智慧水務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示。

圖5 遠(yuǎn)程智慧水務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)

3 應(yīng)用效果

筆者設(shè)計開發(fā)的變電站外排雨水智慧控制裝置， 在多套500 kV 及以上變電站外排雨水一體化裝置上配套使用，從運行效果來看：

a. 節(jié)省施工費用。變電站外排雨水智慧控制裝置可以提前批量生產(chǎn)，控制程序固化并撬裝到現(xiàn)場， 現(xiàn)場只需接一根供電電纜即可投入使用，不需要專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場安裝指導(dǎo)，普通維護(hù)人員經(jīng)過半天培訓(xùn)就可以進(jìn)行正常的操作和維護(hù)。

b. 無人值守。變電站外排雨水一體化裝置正常投運后，現(xiàn)場不需要配置操作人員，維保人員在上級控制中心或手機(jī)APP 即可實時監(jiān)測多個現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)和周圍環(huán)境狀況，根據(jù)實時讀取的數(shù)據(jù)、設(shè)備運行曲線及歷史報表等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，做出預(yù)見性維護(hù)，從而減少人力的投入。

c. 減少環(huán)境污染。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)引入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實時采集，可以實時監(jiān)測并自動控制含油雨水達(dá)標(biāo)排放，減少了因含油雨水無法及時排放而對周圍水體、土壤環(huán)境造成污染進(jìn)而造成動植物減產(chǎn)的損失。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計開發(fā)的500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置具有較強(qiáng)的模擬量、數(shù)字量處理能力和邏輯運算能力，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)通信可靠，操作簡單、界面友好，接口標(biāo)配，即插即用，安全可靠，日常運行維護(hù)量少。 該控制裝置能夠很好地滿足小型一體設(shè)備控制需要，值得在油水分離裝置、 類似的變電站外排雨水一體化裝置、一體化污水處理裝置中應(yīng)用和推廣。