集控式少人无人值守水厂建设方法

2018-10-11杨天博宋晓亮

制造业自动化 2018年9期

杨天博，宋晓亮，杜洁

（北京机械工业自动化研究所有限公司自动控制与制造装备技术工程研究中心，北京 100120）

0 引言

为应对企业规模扩大、水厂地理位置分散引发的信息共享、统一管理困难，解决传统水厂运营管理模式粗放、运行低效等问题，对现有水厂进行自动化、信息化改造，使之能达到少人或无人运行的水平，并建立区域性集控中心进行集中的监视控制，充分利用管理、技术人才资源，建立一种新的管理、运营模式，达到减员增效、节能降耗的目的。可通过该类项目的实施促进水厂规划建设、工艺设计、设备配置、自动控制水平的整体提高，并形成智慧化水厂设计、建设、运营管理标准，通过精益化运营管理工具的应用，提升水厂综合运营能力。在本文中水厂指自来水厂、再生水厂、污水处理厂等类似工程。

1 介绍

无人少人值守水厂的建设分为全流程自动化水厂的建设、区域集控中心的建设、MIS系统和高性能数据交换网络的建设等部分。全流程自动化水厂应配备可靠、完备的控制系统，按照严密的逻辑程序自动运行，并通过高性能数据交换网络与区域集控中心互通互联。区域集控中心作为核心节点将一定地理范围内的自动化水厂纳入到同一个监控管理系统，由集控中心的运营管理人员、技术人员统一进行监视、控制、管理。一个区域集控中心下辖若干个自动化水厂。

2 全流程自动化水厂建设

在新的运营模式中，每个水厂只有1～2个值守人员或者不设置长期值守岗位，因此纳入该系统的水厂应达到很高的自动化程度，可以在没有人为干预或极少人为干预的情况下自动、安全、可靠的运行。为实现这一目标我们应对水厂的中央监控系统、分布式控制系统、仪表系统、工业电视系统、安保系统、控制网络等进行升级改造以达到水厂全流程自动化。

2.1 中央监控系统

图1 少人无人值守水厂拓扑图

全流程自动化水厂仍保留中心控制室，但其功能定义与传统中心控制室大为不同。在新模式中由区域集控中心完成水厂的监视、控制任务，水厂中心控制室主要起补充、备份、存储作用，不再安排专人值守。当水厂与集控中心间的网络断开时，由水厂中心控制室接管监控任务，并记录数据。网络恢复后继续由区域集控中心对水厂进行监控，同时水厂中心控制室将网络断开期间记录的数据上传，保证集控中心数据完整。通常集控中心的管理、控制优先级高于水厂中心控制室，但出现紧急情况时，水厂中心控制室的处置权限应高于集控中心。水厂中心控制室配备1台监控计算机和1台服务器。服务器用于记录数据、打印报表，运行视频、安防、定位、MIS客户端等软件。

2.2 分布式控制系统

传统“分布式控制站-中心控制室”二元式的控制系统需要在每个水厂安排值班、巡检、维修、化验人员。为达到少人、无人值守的目的，应对分布式控制系统进行升级改造，使各分控站可独立自动运行。选用高可靠性的PLC产品、带诊断功能的IO模块，对重要的生产环节、关键信号的采集采用冗余设计以加强可靠性，将独立成套运行的如加药设备、紫外线消毒设备、污泥脱水设备纳入自动控制系统[1]。同时对各分布式控制站的软件进行升级，使之逻辑更加完备，能自动根据不同情况调整设备运行状态，能根据报警信号的来源分辨警报的严重程度并分级别上报或发出报警信号，使水厂能更“智能”地运行。

2.3 在线仪表

在线仪表系统应及时、准确、可靠的将工艺参数、生产数据传递给自动控制系统。为满足这一要求可在常规水厂仪表配置水平的基础上加装不同类型仪表作为补充。如，可在超声波液位计旁加装浮球开关作为冗余保护。在线仪表应选择免维护或易维护设备，优先选用具有数字传输及组网功能的仪表，重要信号应采用总线+模拟量两种采集方式相结合，以保证信号准确、可靠。

2.4 网络及通信系统

全流程自动化水厂的控制网络应高度稳定可靠，应选用工业型以太网交换机，通过光纤组成环形或者双星型网络，保证每个网络节点都至少有两个物理链接。当网络出现故障时系统应立即发出警报。

配电室电表应选用带总线通信接口的智能型电表，电流、电压、功率等信号通过现场总线由PLC站采集后，再经由控制网络传输至中控室能源管理服务器。

为满足日常巡检要求，在巡检线路上及巡检、维护人员可能到达的地点搭建无线局域网，供各类移动设备接入生产监控网络。巡检人员可通过该网络进行数据上传与查询。

2.5 视频监视及安防系统

全流程自动化水厂的最终建设目标是达到少人或无人值守，在这种情况下厂区的安全将更依赖安防设备。

可沿水厂围墙布置电子围栏、红外对射等防入侵装置或周界报警系统，当有非法入侵时向区域集控中心和中心控制室同时报警。自动化水厂将取消传统的传达室，改由区域集控中心通过可视对讲门禁和电控门锁远程控制人员出入水厂。周界报警系统和门禁、电控门锁应具备网络接口可实现远程报警、控制。

水厂内摄像头应覆盖尽可能多的区域，由水厂中心控制室的置硬盘录像机存储一定时间内的视频信息。硬盘录像机应具有网络接口，可调看任意摄像头的画面和历史画面。区域集控中心可通过网络调用所辖水厂的每一个摄像头，或查看历史画面。由于视频信息属于大量写入少量读取类，因此只在水厂中控室存储，区域集控中心只查看不存储。

2.6 辅助巡检系统

巡查养护和维修是无人值守管理模式下的主要作业项目[2]。在少人无人值守水厂中只有1～2个值守人员或不设置长期值守岗位，因此巡检工作常需要工作人员单独完成。而水厂的生产区域存在一定数量危险源，为保证巡检过程的安全、减轻巡检人员工作量应配备完备的辅助巡检系统。

智能移动终端（智能手机、平板电脑）是一种可选择的技术手段，其系统的开放性和越来越强的处理能力使得我们可以借助智能移动终端实现某些高级应用。

1）移动监控

基于智能移动终端开发监控软件或利用web发布功能，对水厂的主要设备、重要数据进行实时监控，移动终端通过厂区无线局域网接入控制系统。值守/巡检人员通过手持终端随时随地查看现场生产运行数据、历史曲线、处理故障和报警信息。

2）人员定位

通过广泛布置在生产区域的无线路由器形成覆盖整个巡检路线和可能到达区域的无线局域网络，定位软件通过巡检人员随身携带的智能移动终端在无线局域网中的接入点和接入信号的强弱计算出巡检人员的具体位置，并在电子地图上显示。定位软件还可以对巡检人员的行进路线实时进行检查，如果行进路线偏离、异常或者在一区域停留时间过长则发出报警信息，提示相关人员关注这一情况，以免发生意外。定位计算机记录每一次巡检的时间、路线、巡检人员的个人信息等数据以备查询。

3）主动防护及对讲

在人员定位功能的基础上，可根据巡检人员的位置实时向智能移动终端推送主动防护信息，通过语音提示巡检人员该区域存在的危险源和注意事项。

区域集控中心、各水厂中控室和巡检人员之间可通过智能移动终端双向语音呼叫，实现对讲功能。当紧急情况发生时，智能移动终端可以群发呼叫、警报。

4）下达工单

区域集控中心每日下达巡检任务至巡检/值守人员的手持移动终端。巡检人员根据接收到的工单按时巡检并将现场情况通过手持移动终端反馈给系统。如水厂安排值守人员则可通过手持移动终端查看区域集控中心下达的工艺调度单和临时下达的任务信息并执行和反馈。巡检/值守人员通过手持移动端进行交接班登记。

5）设备管理及电子台账

手持移动终端可通过无线网络接入MIS系统实现设备管理和电子台账查询功能。在录入电子台账时为设备生成二维码并将二维码固定在设备所在区域，巡检人员只需用手持移动终端扫码即可查询到设备信息。也可通过手持移动终端进行故障上报，包括故障描述和现场照片等。同样，在对设备进行维护、检修时也可将维护、检修相关信息通过移动终端录入MIS系统。

6）远程技术支持

智能移动终端普遍支持视频通话，可通过区域集控中心和水厂之间的网络及水厂内的无线局域网建立区域集控中心技术专家与水厂巡检/值守人员之间的视频通话，由技术专家直接指导现场生产，充分发挥其技术、经验优势。

3 区域中心多水厂集中监控系统

在新的运营管理模式中区域集控中心取代传统水厂的中控室，起到集中监视、控制的作用。区域集控中心内配备高可靠性的冗余工作站作为SCADA监控计算机，对所辖几个水厂进行统一的实时监视、控制。同时还配备视频服务器、MIS系统服务器、工程师便携电脑等设备，这样就可以在集控中心内实现对远方水厂的实时监视、运营管理、远程修改程序等功能。因此这种运营管理模式只需要在区域集控中心配备一套运维班组和少量技术专家，由集控中心对人员进行统一调配，既精简了队伍的同时又更充分的发挥了技术专家的优势。

区域集控中心一般设置在所辖水厂中规模较大的水厂中，或取地理位置居中的水厂布置，这样可以减少一次投资和运营成本。

除SCADA系统、MIS系统等需要布置在区域集控中心外，布置在各水厂的视频系统、可视门禁系统、周界报警系统等应通过网络与集控中心相连，实现区域集控中心远程管理。

4 MIS系统

MIS系统（管理信息系统）是以信息技术为基础，为管理和决策提供信息支持的系统[3]，在水厂中引入该技术可以提升其安全性、可靠性，并提高生产效率和人员专业性。针对少人无人值守水厂设计的MIS系统应具备业务管理、设备管理、安全管理等功能，全面满足水厂的安全性、可靠性和效率要求。MIS系统中的数据分析、统计及工艺调整、报表系统、优化调度、工单生成与下发、能源与产量采集、能效分析报告功能、环保基础指标维护等功能可有效提高水厂的运营管理水平，实现精益管理、智慧运行，达到减员增效、节能降耗的目的。

针对少人无人值守水厂可将巡检系统、视频系统、安防系统等纳入MIS管理平台，有针对性的开发巡检终端管理、巡检轨迹管理及监控、设备信息管理、巡检信息交互、语音与视频交互、告警推送等功能模块，使少人无人值守变为可能。

MIS系统应遵循松耦合设计原则，系统层级、业务层级、功能模块之间完全分离，统一规划，逐步实施，降低一次性投入风险。同时采用开放式设计，系统应支持多种技术平台，支持ERP/CRM/SRM/第三方系统之间的数据互通，为公司、集团级别的信息化建设打好基础。

少人无人值守水厂MIS系统的功能结构设计如图：

5 网络建设

租用专用线路将区域集控中心和各水厂连接起来，组成一个可靠的虚拟局域网（VPN），区域集控中心以此网络为基础对各水厂进行远程监控。该网络应有足够的带宽以满足控制系统、视频系统、安防系统、定位系统及MIS等系统的通讯要求。为保证通讯可靠性可在各水厂配备4G通讯设备，作为在专用线路断开时的补充。

图2 少人无人值守水厂MIS系统功能及结构

6 运营管理模式

全流程自动化水厂的建设，少人无人值守水厂运营管理模式与传统水厂有较大不同。

1）水厂运行值班模式

将运行值班、巡检、维护、安防（门卫）职责合并，达到日常一人值守。夜间由集控中心值班人员负责监控，各分厂安排电话值班以应对紧急情况。水厂基本实现全自动运行，值班人员以巡检维护为主，按照工单巡检到位，并处理现场紧急情况，发现无法处理的问题及时上报，按照区域监控中心指令进行处置。区域监控中心工艺工程师分析各厂的运行情况和处理效果，出具工艺调整单交由现场值班人员操作。

2）水质化验模式

在理想情况下水质化验由各水厂现场自动采样装置定时采样，区域集控中心化验室集中化验。若各水厂距离较远或因特殊情况需要频繁化验水质也可在水厂安排化验人员。水质化验结果与在线分析仪表相互对比验证，以保证化验结果的准确。若在线仪表数据准确则减少人工化验频次，改为直接读取在线仪表数值，以减轻化验人员工作量。

3）设备维护维修模式

以区域集控中心集中安排维护维修为主，维修队伍按照监控中心指令及时到现场处理问题，并将设备的状态和维修情况通过智能移动终端上传至MIS系统。