无人值守水厂集控系统设计与实现

陈晓华

摘  要： 本文介绍了一种水厂集控系统设计与实现的方法，通过层级化方法在业务层面将水厂分为四个层级，分级设计逐层管理，采用扁平化网络结构设计提高数据传输的速度和稳定性。通过对跨地域的水厂进行集中监控，大大减少了水厂人员的使用量，降低了运营成本，提高了管理效率和生产效率，实现了基层水厂与上级单位的实时联系，使水厂管理向数字化、智能化方向迈进。

关键词：无人值守;信息化;分层级;扁平化;区域集控中心;

中图分类号：TH 865    文献标志码：A

1、引言

随着经济的不断发展和城市规模的不断扩大，水处理企业的规模也不断扩大。许多大型水处理企业的水厂分布在不同的地域，甚至全球化分布。地域分散导致的信息共享困难，对企业的统一管理十分不利。针对水厂运营管理模式粗放、运行效率低、生产管控功能差等问题，通过集控信息化、监控互联化、管理工具精益化、形象展示具象化改造等一系列方法，使水厂达到“少人值守/无人值班”的运行模式，提高了水厂的管理智能化，降低了水厂的运营成本。

2、系统设计

无人值守水厂集控系统总体设计可分为四个部分：业务层次设计、网络架构设计、数据架构设计、系统架构设计。下面具体介绍。

2.1 业务层次设计

无人值守水厂根据业务层次分为集团总部运管中心、地域中心、區控中心、基层水厂四个主要层级。其中，集团总部运管中心为集团最高运行管理机构，重大业务方针决策层;指导并监督下属各级业务机构的日常运行管理工作。地域中心直接隶属于运管中心，通常由一至多个区控中心构成，主要以地理位置为划分依据;在生产运行管理体系中承担主要的日常管理职责。区控中心是生产运行的核心执行机构，区控中心对下属各水厂生产运行情况进行远程控制，主要工作内容包括：运行情况监视、远程设备启停、工艺参数调整、报表生成和异常情况响应等。基层水厂是最终管理单元，也是水厂体系的真正运行单元;通过完善就地自动化控制系统及巡检制度的高效落实，达到少人甚至无人值守的模式。

2.2 网络架构

网络在整个系统中有着十分重要的作用，特别是在区控中心与水厂之间的网络更是区控模式运行的基础，所以在网络规划时采用扁平化的设计方案。扁平化可以提高数据的传输速度，更好的满足工业控制的需要;同时也减少了可能的故障节点数，有较好的稳定性。网络架构如图2所示。

整个网络架构包含两大类节点。其中，网络枢纽是连接到同一网络枢纽的区域中心或水厂之间实现远程控制。不同网络枢纽之间互联互通，形成信息传递网络，但是主要以集团顶层运管云的应用为主。主要包括区控中心的业务数据上报和集团运管中心的管理内容下达为主。普通节点，包括水厂、区控中心、事业部乃至集团运管中心。对于连接到同一网络枢纽的各普通节点，他们的网络位置相等。因此某一区控功能的实现不必完全依赖于特点的水厂，该区域内的任何一个水厂都可以随时升级到区控中心，整个运管模式底层的可靠性有良好的保障。

2.3 数据架构

数据是企业生产，经营，战略等几乎所有的经营活动所依赖的，不可或缺的信息。数据就犹如企业经营者的眼睛一样，通过数据可以反映出经营的问题，就犹如舵手依赖导航一样。可见高效可靠的数据架构对构建智慧水务尤为重要，数据架构如图3所示：

2.4 系统架构

无人值守项目建设主要内容包括：单厂的自控系统完善，达到智能化监控要求;多厂集中监控中心建设，达到集中监控+管理模式创新（精益化管理）;设备设施执行机构的完善，达到无人值守智能化水厂的要求。

3、建设内容

以更好实现水厂无人值守智能化运行为目标，以完善集控功能、管理措施保障水厂安全运行为目标。区控系统建设主要包含网络建设、基层水厂系统完善、区控中心系统搭建三方面工作。

3.1 网络建设

网络建设是区控中心的基础条件。传统单厂运管模式下，各厂生产控制网络都局限于本厂内部，无法满足区域控制需要厂外远程监控和管理的需求，所以在区控建设过程中第一步进行相应的网络建设。

区控相关的通讯链路全部采用VPN的方式进行加密。各网络节点用于VPN组网的设备选用同一厂家的产品，以最大程度确保通讯的稳定性和兼容性。同时也便于维护过程中备品备件的保障。

3.2 区控中心/基层水厂内部网络安全建设

在区控中心/基层水厂引入新的网络构架之后，需要对其内部的网络安全性进行更进一步的管理。主要管理内容包括：

1 确保区控相关线路与其余线路物理隔离;

2 辅助系统中的视频监控系统由于较大的数据流量，需要实现设备与线路资源的独立;

3 网络设备选型尽量选用网管型设备，使用SYSLOG及SNMP等手段实现对网络运行情况的监管;

4 配置工业安全网络实现对自动化控制设备的访问保护。

3.3 全流程智能化水厂建设

全流程智能化水厂是通过工艺设计优化、设备仪表配置优化、自控系统完善等一系列措施，实现全厂各工艺单元的自动运行，进而实现运行、巡检、维护、维修管理模式的转变。

3.4 数据采集与监视控制系统

数据采集与监视控制系统（SCADA）是基层水厂最核心的生产监控系统。现有运管模式下，各厂都配置了以在线仪表、PLC控制系统及上位机组态软件为组合的SCADA控制系统。为实现无人值守水厂的信息化建设，需要对水厂进行自动化改造，使关键区段、关键设备信号由上位机监控，减轻甚至消除人员就地控制工作量;水厂各工艺单元能够自动运行;区分控制信号层级;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[1～4]。

水厂中控的监控功能与集控中心的监控功能一致，作为集控中心对本水厂监控的后备手段。平时不需要巡检人员操作，但控制权限高于集控中心，用于应急处置。同时具备数据存储功能，当水厂与集控中心出现网络中断时能够存储厂内各类数据，待网路恢复后能够将存储数据同步至集控中心中控，数据存储时长不小于2年。

3.4.1 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。

3.4.2 视频监控及安防系统

区控模式下，视频监控系统是区控中心了解基层水厂情况十分重要的手段。视频监控的布点原则是以满足工艺监视和安防监控两方面需求为依据。主要参数详见设备参数表。除了主要工艺区段之外，配电间、大門和控制室等区间也必须安装摄像头，并确保必要的光照效果。对于摄像头设备选型推荐采用图像清晰、易组网的高清网络型摄像头，并支持主、副双码流输出。必须配置硬盘录像机，并且支持网络方式获取视频流。硬盘录像机录像保存时间至少达到15天。

3.4.3  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[5～7]，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。巡检系统是区控管理模式中重要配套管理机制——巡检机制的信息化辅助手段。巡检系统借助物联网和信息网络，实现对巡检工作的全过程进行指导、监督和考核，并在巡检过程中为巡检人员与区控中心提供高效的信息传输手段。通过巡检系统使巡检工作更规范、高效的开展。

巡检系统的构成包括信息化调度软件与配套的各种硬件装备和设施。信息化调度软件功能集成在区控中心区控智能调度信息系统中。涉及到的硬件包括巡检人员巡检时的穿戴设备和携带设备，以及现场巡检点的设施。

巡检人员携带的智能移动终端可接入厂内无线网络与集控平台进行信息交互。

3.5 网络及通讯系统

无人少人值守水厂的控制网络应高度稳定可靠，应采用光纤环网或者双星型网络，降低链路故障对集控系统正常运行的影响。双通讯线路同时工作，保证两条线路的可用性，便于线路问题的及时发现。任何线路出现故障都会在水厂和集控中心进行报警。

水厂在线仪表尽量采用总线组网。进出水水质在线参数上传中控室、数采仪时应确保数据的一致性，必要时要采用相同的通讯方式;流量、风量须采用总线+模拟量两种结合的传输方式，以便采集累计量和瞬时量。

4  结束语

本文对无人值守水厂集控系统在业务层次、网络架构、数据架构、系统架构四个方面进行了设计。通过对基层水厂进行网络建设、基层水厂系统完善、区控中心系统搭建的方式实现了无人值守水厂集控系统。

在国家大力推进两化融合和智能化、数字化工厂建设的今天，信息化建设是水务公司向数字化、智能化工厂转型的必经之路。本文提出的层级化集控系统设计方案已经在多个水厂部署实施，取得了较好的运行效果，具备较高推广价值。

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