水利水务厂站群自动化系统的标准化体系研究

张世能,陈柏妤

(1.常德市城区水利泵站管理处，湖南 常德 415700；2.北京中科院软件中心有限公司，北京 100190)

1 概 述

某市多个污水处理厂、净水厂、污水泵站等水利水务设施建设年代较久，自动化程度不高。当前，智慧城市中的智慧水利水务志在改善城市水环境，改善人民生活居住环境，水利水务厂站群自动化系统及集中控制对于防洪排涝、水环通是一个必要的技术条件，建成的自动化及集控系统对民生具有重要的作用。但是上述厂站群自动化建设薄弱，设备品牌多样，系统建设厂家的水平更是参差不齐，为统一接入、集成到集控系统带来困难。尤其是老旧系统难以实现水利水务厂站群的集中监控，迫切需要一种标准化的建设、改造模式。

由于水利水务行业标准化的理论基础薄弱、未形成体系且认识不一，以至于在标准编制、实施等标准化活动中，缺乏理论作指导，没有完全依据标准化自身的规律实施，造成标准编制进度过慢、部分标准质量不高、标准实施不力、可操作性不强、标准化支撑约束作用不突出等现象[1]。因此，有必要进一步研究标准化的形式，提出更好的应用措施。

标准化是一门新兴交叉学科，《学科分类与代码》(GB /T 13745-2009)中，明确将“标准科学技术”规定为一级学科“工程与技术科学基础学科”中的二级学科[2]。

标准化是为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同和重复使用规则的活动。标准化的意义是改进产品适用性，是科研、生产、使用三者之间的桥梁，解决该问题的方法从设计角度讲就是标准化，即标准化的产品、标准化的设计和标准化的施工[3]。

一直以来，标准化研究人员都以建立标准化理论体系、进而建立标准学科体系作为使命，为此进行了不懈的探索与实践。标准化厂站改造是打造厂站群“集控”的核心工作，厂站的标准化程度直接决定着厂站群“集控”的智能化程度。根据厂站的特点，针对不同厂站的工作原理进行标准化改造的方案设计，具体包括净水厂标准化改造、污水厂标准化改造、污泥处置厂标准化改造、污水泵站标准化改造、调蓄池标准化改造等，结合厂站运行规范实施。逐步形成厂站改造及运行标准，为整体“集控”建设形成统一化、规范化的“神经末梢”。

2 标准化的概况

某市污水厂现地PLC设备采用RSLogix 5000编程软件及标准程序进行优化，对全系统该系列PLC进行固件版本统一，采用统一版本的编程软件进行标准化编程。触摸屏画面采用标准化触摸屏程序进行画面的更新，对于操控的界面，设置成二级加密窗口，避免无权限人员的非法操控，屏幕息屏时间统一调整，增加屏幕使用寿命。厂站级软件画面采用厂站级监控软件进行标准化改造，画面规范、标准的同时，风格与其它站点统一，对于操控的设备进行用户权限设置，避免无权限人员的非法操控，增加与集控系统的联系窗口。

3 标准化建设的方法

3.1 标准化厂站软件建设办法

厂站SCADA软件部署于厂站内的工作站，能够根据用户要求对厂站重要设备进行监视、控制、事故保护等，并同时能向集控中心上传必要的数据，以及接受并执行集控中心集控系统发来的启停指令。

3.1.1 通信信箱的标准化

通信是集控级与厂站级、站控层与现地层之间数据交互的基础，也是一个系统的重要组成部分，系统平台的集控级与厂站级的交互采用信箱的方式进行。

站控层与现地层PLC之间的通信也采用相同模式，这样上述3个特点在厂站内部得到实现，优化了通信，简化了运维难度，同时对于后期PLC的升级改造，也建立了程序架构和模板。

3.1.2 数据存储格式标准化

数据存储采用格式化进行分类，按照数据类型不同开辟不同的数据库数据表单。数据存储具备以下特点：①采用客户机/服务器体系结构；②支持快速存取和实时处理；③支持数据仓库的建立和管理，对数据仓库和联机分析处理(OLAP)应用有完善的支持；④支持扩展标记语言(XML)；⑤提供与其他商用数据库连接的应用接口，支持开放数据库互联(ODBC)、ActiveX数据对象(ADO)、对象链接嵌入型数据库(OLE DB)等接口标准；⑥宜支持分布式的分区视图等。

因集控接入站点多、数据量大、数据种类多样化，故需要对数据进行轻量化处理。针对厂站间数据的类似性及厂站内数据的关联性，采用数据压缩技术，在时间纵向上、横向维度上对数据进行清洗处理。处理后的数据占用存储空间小，查询速度快。

3.1.3 软件界面的标准化

包括上位机、触摸屏的标准化，风格、布局方面的标准化，画面具备以下特点：①画面简洁美观，界面友好；②能显示各类测点数据，可输入控制指令；③程序可读性好，易于扩展和修改；④具有操作权限控制，具备操作提示及报警信息显示；⑤考虑到集控的展示性较高，在画面色彩处理上、图元选用上进行优化。

3.2 标准化厂站硬件建设内容

关键运行数据主要覆盖对厂站运行起到重要作用的关键数据，包含水位、压力、流量、温度、频率、水质等数据，阀门、鼓风机、水泵、变频器等运行状态数据，以及药耗、能耗数据等。

厂站自动化控制系统主要包括站控级自动化控制软件(以下简称SCADA软件)以及自动化控制装置(以下简称LCU)。

现场控制站的标准化主要涉及程序框架、程序注释、数据存储、程序IO模块、工艺控制、故障处理、保护程序的标准化，以及LCU屏柜设计、触摸屏程序、柜内配线、标识标签、外部接线、防雷接地、外部通信的标准化。

3.2.1 LCU现地控制装置

LCU即现地控制单元的简称，主要由可编程逻辑控制器(PLC)、电源设备、通信设备、控制设备、防雷保护设备、人机接口、温湿度控制设备、隔离保护设备、标准机柜组成。标准化的LCU柜采用模块进行配置，对柜内的供电、信号回路进行二次集成装配，减少运维工作量及运维难度。

3.2.2 程序框架及标注的标准化

1)程序框架标准化。标准程序框架包括主程序以及各个功能子程序，不同硬件配置的PLC，只要品牌和编程环境一致，程序只需要进行简单的参数配置，即可完成程序的编制。标准化程序框架设见图1。

图1 施耐德品牌PLC标准程序框架

2)程序标注标准化。对于程序的修改，采用版本号的方式进行版本控制，版本新建时标注的标识由以下信息 “编写的内容+编写日期+编写人+当前版本号”组成，版本更新时标注的标识由以下信息 “修改内容+修改日期+修改人+当前版本号”组成。

3.2.3 I/O程序模块化、结构化封装

对输入输出程序扫描、模块化处理，对程序进行结构化封装。程序模块中包括根据初始化的模块数量，自动读取输入缓冲器的数据，自动提取品质位、自动读取通道状态等模块。

把自动化系统的功能需求分配给软件结构，形成软件的模块结构图。然后设计软件系统结构：划分功能模块，确定模块间调用关系，实现需求定义过程中提出的数据对象的逻辑表示；编写概要设计文档：包括模块设计说明书、结构设计说明书、集成测试计划等。

3.2.4 触摸屏程序的标准化

触摸屏程序布局统一标准，配置开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出、温度量输入、主接线图、报警、设备监控图、索引等标准画面，完善触摸屏功能。

根据标准化的要求，还需要具备配置窗口，用来配置I/O点数量等信息，减少不同LCU配置差异造成的重复组态，提高效率。见图2。

图2 标准化触摸屏画面

3.2.5 现地LCU屏柜标准化设计

标准化设计要摒弃老旧的屏柜组屏装配模式，在设备布局、端子排布、附件配置、预制电缆、装配接线、电源干扰上进行提升。见图3。

图3 标准接线端子示意图

3.2.6 柜内配线的标准化

柜内的PLC接线采用预制电缆，接线端子采用成套端配板，柜内电源分布采用强弱电分离设计，减少强电对弱电的干扰。根据端子作用不同，端子排布采用分层分区标准排布，柜内配线根据电压等级、信号类型采用不同色标、线径线缆装配。

3.2.7 标识标签的标准化

柜内配线、设备的标识标签进行标准化，配线印字套管采用“对侧机柜名+设备名+端子排名+端子号”的样式进行标记。设备的标识标签采用与图纸相同编号名称的的标识，便于检修检查。

4 结 论

通过软硬件标准化后，在实际应用中，调试和维护人员只需设置功能参数即可完成系统的调试和维护，画面简洁，美观，大大降低了不同硬件平台之间的差异所造成的技术难度。在目前标准系统使用的许多项目中，现场调试时间缩短40%，调试人员的技术水平要求也大大降低。标准化技术使大量的厂站接入、集成到集控中心成为现实，也为国内城市内水利水务厂站群的联合调度提供了借鉴。同时，标准化的厂站群为实现城市智慧水利水务提供了技术基础，促进了智慧城市的进步。