水利水務(wù)廠站群自動(dòng)化系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化體系研究

張世能,陳柏妤

(1.常德市城區(qū)水利泵站管理處，湖南 常德 415700；2.北京中科院軟件中心有限公司，北京 100190)

1 概 述

某市多個(gè)污水處理廠、凈水廠、污水泵站等水利水務(wù)設(shè)施建設(shè)年代較久，自動(dòng)化程度不高。當(dāng)前，智慧城市中的智慧水利水務(wù)志在改善城市水環(huán)境，改善人民生活居住環(huán)境，水利水務(wù)廠站群自動(dòng)化系統(tǒng)及集中控制對(duì)于防洪排澇、水環(huán)通是一個(gè)必要的技術(shù)條件，建成的自動(dòng)化及集控系統(tǒng)對(duì)民生具有重要的作用。但是上述廠站群自動(dòng)化建設(shè)薄弱，設(shè)備品牌多樣，系統(tǒng)建設(shè)廠家的水平更是參差不齊，為統(tǒng)一接入、集成到集控系統(tǒng)帶來困難。尤其是老舊系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)水利水務(wù)廠站群的集中監(jiān)控，迫切需要一種標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)、改造模式。

由于水利水務(wù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的理論基礎(chǔ)薄弱、未形成體系且認(rèn)識(shí)不一，以至于在標(biāo)準(zhǔn)編制、實(shí)施等標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)中，缺乏理論作指導(dǎo)，沒有完全依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化自身的規(guī)律實(shí)施，造成標(biāo)準(zhǔn)編制進(jìn)度過慢、部分標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量不高、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施不力、可操作性不強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化支撐約束作用不突出等現(xiàn)象[1]。因此，有必要進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)化的形式，提出更好的應(yīng)用措施。

標(biāo)準(zhǔn)化是一門新興交叉學(xué)科，《學(xué)科分類與代碼》(GB /T 13745-2009)中，明確將“標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)技術(shù)”規(guī)定為一級(jí)學(xué)科“工程與技術(shù)科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科”中的二級(jí)學(xué)科[2]。

標(biāo)準(zhǔn)化是為在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序，對(duì)實(shí)際的或潛在的問題制定共同和重復(fù)使用規(guī)則的活動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)化的意義是改進(jìn)產(chǎn)品適用性，是科研、生產(chǎn)、使用三者之間的橋梁，解決該問題的方法從設(shè)計(jì)角度講就是標(biāo)準(zhǔn)化，即標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化的施工[3]。

一直以來，標(biāo)準(zhǔn)化研究人員都以建立標(biāo)準(zhǔn)化理論體系、進(jìn)而建立標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科體系作為使命，為此進(jìn)行了不懈的探索與實(shí)踐。標(biāo)準(zhǔn)化廠站改造是打造廠站群“集控”的核心工作，廠站的標(biāo)準(zhǔn)化程度直接決定著廠站群“集控”的智能化程度。根據(jù)廠站的特點(diǎn)，針對(duì)不同廠站的工作原理進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造的方案設(shè)計(jì)，具體包括凈水廠標(biāo)準(zhǔn)化改造、污水廠標(biāo)準(zhǔn)化改造、污泥處置廠標(biāo)準(zhǔn)化改造、污水泵站標(biāo)準(zhǔn)化改造、調(diào)蓄池標(biāo)準(zhǔn)化改造等，結(jié)合廠站運(yùn)行規(guī)范實(shí)施。逐步形成廠站改造及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，為整體“集控”建設(shè)形成統(tǒng)一化、規(guī)范化的“神經(jīng)末梢”。

2 標(biāo)準(zhǔn)化的概況

某市污水廠現(xiàn)地PLC設(shè)備采用RSLogix 5000編程軟件及標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)全系統(tǒng)該系列PLC進(jìn)行固件版本統(tǒng)一，采用統(tǒng)一版本的編程軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化編程。觸摸屏畫面采用標(biāo)準(zhǔn)化觸摸屏程序進(jìn)行畫面的更新，對(duì)于操控的界面，設(shè)置成二級(jí)加密窗口，避免無權(quán)限人員的非法操控，屏幕息屏?xí)r間統(tǒng)一調(diào)整，增加屏幕使用壽命。廠站級(jí)軟件畫面采用廠站級(jí)監(jiān)控軟件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，畫面規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，風(fēng)格與其它站點(diǎn)統(tǒng)一，對(duì)于操控的設(shè)備進(jìn)行用戶權(quán)限設(shè)置，避免無權(quán)限人員的非法操控，增加與集控系統(tǒng)的聯(lián)系窗口。

3 標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化廠站軟件建設(shè)辦法

廠站SCADA軟件部署于廠站內(nèi)的工作站，能夠根據(jù)用戶要求對(duì)廠站重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制、事故保護(hù)等，并同時(shí)能向集控中心上傳必要的數(shù)據(jù)，以及接受并執(zhí)行集控中心集控系統(tǒng)發(fā)來的啟停指令。

3.1.1 通信信箱的標(biāo)準(zhǔn)化

通信是集控級(jí)與廠站級(jí)、站控層與現(xiàn)地層之間數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)，也是一個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)平臺(tái)的集控級(jí)與廠站級(jí)的交互采用信箱的方式進(jìn)行。

站控層與現(xiàn)地層PLC之間的通信也采用相同模式，這樣上述3個(gè)特點(diǎn)在廠站內(nèi)部得到實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化了通信，簡(jiǎn)化了運(yùn)維難度，同時(shí)對(duì)于后期PLC的升級(jí)改造，也建立了程序架構(gòu)和模板。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用格式化進(jìn)行分類，按照數(shù)據(jù)類型不同開辟不同的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)表單。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具備以下特點(diǎn)：①采用客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)；②支持快速存取和實(shí)時(shí)處理；③支持?jǐn)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的建立和管理，對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和聯(lián)機(jī)分析處理(OLAP)應(yīng)用有完善的支持；④支持?jǐn)U展標(biāo)記語言(XML)；⑤提供與其他商用數(shù)據(jù)庫(kù)連接的應(yīng)用接口，支持開放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)(ODBC)、ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象(ADO)、對(duì)象鏈接嵌入型數(shù)據(jù)庫(kù)(OLE DB)等接口標(biāo)準(zhǔn)；⑥宜支持分布式的分區(qū)視圖等。

因集控接入站點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多樣化，故需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理。針對(duì)廠站間數(shù)據(jù)的類似性及廠站內(nèi)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，在時(shí)間縱向上、橫向維度上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理。處理后的數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)空間小，查詢速度快。

3.1.3 軟件界面的標(biāo)準(zhǔn)化

包括上位機(jī)、觸摸屏的標(biāo)準(zhǔn)化，風(fēng)格、布局方面的標(biāo)準(zhǔn)化，畫面具備以下特點(diǎn)：①畫面簡(jiǎn)潔美觀，界面友好；②能顯示各類測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可輸入控制指令；③程序可讀性好，易于擴(kuò)展和修改；④具有操作權(quán)限控制，具備操作提示及報(bào)警信息顯示；⑤考慮到集控的展示性較高，在畫面色彩處理上、圖元選用上進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化廠站硬件建設(shè)內(nèi)容

關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)主要覆蓋對(duì)廠站運(yùn)行起到重要作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包含水位、壓力、流量、溫度、頻率、水質(zhì)等數(shù)據(jù)，閥門、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、變頻器等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及藥耗、能耗數(shù)據(jù)等。

廠站自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要包括站控級(jí)自動(dòng)化控制軟件(以下簡(jiǎn)稱SCADA軟件)以及自動(dòng)化控制裝置(以下簡(jiǎn)稱LCU)。

現(xiàn)場(chǎng)控制站的標(biāo)準(zhǔn)化主要涉及程序框架、程序注釋、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序IO模塊、工藝控制、故障處理、保護(hù)程序的標(biāo)準(zhǔn)化，以及LCU屏柜設(shè)計(jì)、觸摸屏程序、柜內(nèi)配線、標(biāo)識(shí)標(biāo)簽、外部接線、防雷接地、外部通信的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2.1 LCU現(xiàn)地控制裝置

LCU即現(xiàn)地控制單元的簡(jiǎn)稱，主要由可編程邏輯控制器(PLC)、電源設(shè)備、通信設(shè)備、控制設(shè)備、防雷保護(hù)設(shè)備、人機(jī)接口、溫濕度控制設(shè)備、隔離保護(hù)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜組成。標(biāo)準(zhǔn)化的LCU柜采用模塊進(jìn)行配置，對(duì)柜內(nèi)的供電、信號(hào)回路進(jìn)行二次集成裝配，減少運(yùn)維工作量及運(yùn)維難度。

3.2.2 程序框架及標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)化

1)程序框架標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)程序框架包括主程序以及各個(gè)功能子程序，不同硬件配置的PLC，只要品牌和編程環(huán)境一致，程序只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)配置，即可完成程序的編制。標(biāo)準(zhǔn)化程序框架設(shè)見圖1。

圖1 施耐德品牌PLC標(biāo)準(zhǔn)程序框架

2)程序標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于程序的修改，采用版本號(hào)的方式進(jìn)行版本控制，版本新建時(shí)標(biāo)注的標(biāo)識(shí)由以下信息 “編寫的內(nèi)容+編寫日期+編寫人+當(dāng)前版本號(hào)”組成，版本更新時(shí)標(biāo)注的標(biāo)識(shí)由以下信息 “修改內(nèi)容+修改日期+修改人+當(dāng)前版本號(hào)”組成。

3.2.3 I/O程序模塊化、結(jié)構(gòu)化封裝

對(duì)輸入輸出程序掃描、模塊化處理，對(duì)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)化封裝。程序模塊中包括根據(jù)初始化的模塊數(shù)量，自動(dòng)讀取輸入緩沖器的數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取品質(zhì)位、自動(dòng)讀取通道狀態(tài)等模塊。

把自動(dòng)化系統(tǒng)的功能需求分配給軟件結(jié)構(gòu)，形成軟件的模塊結(jié)構(gòu)圖。然后設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：劃分功能模塊，確定模塊間調(diào)用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)需求定義過程中提出的數(shù)據(jù)對(duì)象的邏輯表示；編寫概要設(shè)計(jì)文檔：包括模塊設(shè)計(jì)說明書、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書、集成測(cè)試計(jì)劃等。

3.2.4 觸摸屏程序的標(biāo)準(zhǔn)化

觸摸屏程序布局統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，配置開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、溫度量輸入、主接線圖、報(bào)警、設(shè)備監(jiān)控圖、索引等標(biāo)準(zhǔn)畫面，完善觸摸屏功能。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，還需要具備配置窗口，用來配置I/O點(diǎn)數(shù)量等信息，減少不同LCU配置差異造成的重復(fù)組態(tài)，提高效率。見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化觸摸屏畫面

3.2.5 現(xiàn)地LCU屏柜標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要摒棄老舊的屏柜組屏裝配模式，在設(shè)備布局、端子排布、附件配置、預(yù)制電纜、裝配接線、電源干擾上進(jìn)行提升。見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)接線端子示意圖

3.2.6 柜內(nèi)配線的標(biāo)準(zhǔn)化

柜內(nèi)的PLC接線采用預(yù)制電纜，接線端子采用成套端配板，柜內(nèi)電源分布采用強(qiáng)弱電分離設(shè)計(jì)，減少?gòu)?qiáng)電對(duì)弱電的干擾。根據(jù)端子作用不同，端子排布采用分層分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)排布，柜內(nèi)配線根據(jù)電壓等級(jí)、信號(hào)類型采用不同色標(biāo)、線徑線纜裝配。

3.2.7 標(biāo)識(shí)標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)化

柜內(nèi)配線、設(shè)備的標(biāo)識(shí)標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，配線印字套管采用“對(duì)側(cè)機(jī)柜名+設(shè)備名+端子排名+端子號(hào)”的樣式進(jìn)行標(biāo)記。設(shè)備的標(biāo)識(shí)標(biāo)簽采用與圖紙相同編號(hào)名稱的的標(biāo)識(shí)，便于檢修檢查。

4 結(jié) 論

通過軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化后，在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)試和維護(hù)人員只需設(shè)置功能參數(shù)即可完成系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)，畫面簡(jiǎn)潔，美觀，大大降低了不同硬件平臺(tái)之間的差異所造成的技術(shù)難度。在目前標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)使用的許多項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間縮短40%，調(diào)試人員的技術(shù)水平要求也大大降低。標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)使大量的廠站接入、集成到集控中心成為現(xiàn)實(shí)，也為國(guó)內(nèi)城市內(nèi)水利水務(wù)廠站群的聯(lián)合調(diào)度提供了借鑒。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化的廠站群為實(shí)現(xiàn)城市智慧水利水務(wù)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)了智慧城市的進(jìn)步。