对某城乡供水工程自动化控制的设计和应用研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER25第 40卷第 2期0 引言某供水工程的建设任务是以城乡生活、工业供水为主，兼顾农业灌溉，促进当地群众脱贫致富和生态环境改善，供水范围涉及 4 市 8 县区 97个乡镇，发展灌溉面积 29.2104亩，年调水量3.13108 m3。工程总干渠渠首设计流量为 20 m3/s，工程共计建设 1 条总干渠长度 95.09 km，干渠 6 条和分干渠 2 条线路长度共计 299.97 km，城乡集中供水点供水管（渠）线 18 条共计长度 176.47 km。为了及时准确地调度、分析和解决工程安全运行管理问题，合理调配有限的水资源，减少工程运行事故的发生，减少水损，降低工程运行成本，建设该工程自动化非常必要，也很迫切。1 需求分析供水工程自动化控制系统建设能彻底解决调度距离远等诸多管理方面的问题，实现应用高科技信息技术远程管理运营，提高引水工程现代化对某城乡供水工程自动化控制的设计和应用研究王艳平（河南工业贸易职业学院，河南 郑州 450000）摘要：城乡供水自动化是解决农村饮水安全的重要措施，能够有效保证供水工程的管理决策能力和应用服务水平。总结了某城乡供水项目中自动化控制的设计和应用，不仅能有效的弥补水利工程建设过程中存在的不足，此外在实现水利工程长远发展、提高水利工程管理水平中也发挥了重要性作用，可以实现城乡供水后期运行中节水、减员、降本、增效的功能优势，推动了城乡供水的均等化服务，有效巩固当地的脱贫攻坚工作。关键词：城乡供水工程；自动化控制；需求分析；必要性；自控设计方案中图分类号：TU991.41文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0025-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.007Design and Application Research on Automation Control of a Certain Urban and Rural Water Supply ProjectWANG Yanping(Henan Industry and Trade Vocational College,Zhengzhou 450000,China)Abstract:Urban and rural water supply automation is an important measure to solve the safety of rural drinking water,which can effectively ensure the management decision-making ability and application service level of water supply projects.This paper summarizes the design and application of automation control in a certain urban and rural water supply project.It not only effectively compensates for the shortcomings in the construction process of water conservancy projects,but also plays an important role in achieving long-term development of water conservancy projects and improving the level of water conservancy project management.It can achieve the functional advantages of water-saving,personnel reduction,cost reduction,and efficiency enhancement in the later operation of urban and rural water supply,promote equal services for urban and rural water supply,and effectively consolidate local poverty alleviation work.Keywords:urban and rural water supply project;automation control;requirement analysis;necessity;automatic control design scheme收稿日期：2023-01-13作者简介：王艳平（1982-），女，河南漯河人，大学讲师，主要从事通信技术、机械电子及自动化等教学工作。*26云南水力发电2024 年第 2 期管理水平，保证安全生产，使水利管理向信息化、自动化、智能化、网络化管理方面发展。通过整个供水自控系统工程的建设，将泵站、高位水池等终端采集到的数据传送到水厂，通过软件分析采集数据，根据分析结果发送控制信号，可以实时、准确、全面反映供水设备的运行状态，并对超限参数提示并报警，也可以实时掌握管网漏损情况，自动关闭控制阀，减少水损，达到节水管理的目的。2 自控设计方案2.1 计算机监控系统计算机监控系统遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的设计原则进行设计，监控系统负责水厂、泵站、供水管线、高位水池控制与数据采集，由中央监控站、PLC 控制站、就地控制盘（箱）及通信网络（远期实现）构成。此次对基础设备的选择采用标准的、开放的通讯网络系统，考虑远期实现与第三方的控制设备及过程仪表之间的通信，同时使自动控制系统的扩展变得更加方便、可靠，各个监控子站分别设在水厂、泵站、高位水池等各个工作现场，主要包括监控计算机、UPS电源、报表打印机、报警打印机、PLC 可编程控制器以及网络接口等组成1。控制层通信采用工业以太网，现场层通信采用现场总线形式（Profibus DP），工程各子站与水厂等监控子站与调度中心之间组网通讯介质采用敷设光缆通信，高位水池、管线闸阀井与泵站的通讯采用 GPRS 无线通信方式，各子站控级及对应的现地控制级间的网络设备采用以太网交换机，交换机端口的形式及数量满足工程实际需要，组网通讯介质采用网络屏蔽双绞线。监控站通过配置 Widows NT 操作平台，采用PLC 系统配套或通用的监控软件等实现其功能。5座泵站 PLC 控制站分别设置在各个泵站中控室，高位水池PLC控制站设置在闸阀井内或架空杆上，均配有通讯接口，7 座高位水池、水厂监控站通信传输采用架空光缆通信，通过工业以太网与中央监控工作站进行数据交换。7座高位水池、3座闸阀井负责水池水位、流量、管线压力等参数采集，负责进水阀等设备的状态检测和控制，除 1 座管线闸阀井通过 GPRS 无线通信方式与对应泵站进行数据通信外，7座高位水池，2 座分水闸与对应泵站或水厂通过光缆通信。5 座泵站控制站设置在加压泵站配电室，负责泵站进出水液位，进出水流量，管道压力，同时负责提水泵、进出水电动阀、真空泵、排污泵等设备的状态检测和控制，并通过通信网络与上位机进行数据通信。高位水池控制站 PLC 的具体功能如下：负责进水水位、出水水位进行等参数采集及启闭设备、闸阀等设备的状态检测和控制；当水池水位达到预设定上限值时，向 PLC 发出关阀请求，得到应答后，按程序控制各阀门的开启，完成关机过程；当水位降到设定低水位时，向 PLC 发出合闸请求，得到应答后，按程序控制各闸门的开度，保证水池的进水流量。管线闸阀井控制站 PLC 的具体功能如下：负责管线分水闸阀等设备的状态检测和控制；负责采集管线实时压力、流量的采集并上传至水厂。加压泵站控制站 PLC 的具体功能如下：负责进水水位、出水水位、流量等参数采集及水泵电机、闸门等设备的状态检测和控制；进水池水位达到设定值时，向PLC发出开阀及开机请求，得到应答后，按程序控制各阀门的开启后开启水泵电机，完成提水过程；当进水池水位达到设定低水位时，向 PLC 发出关阀请求，得到应答后，按程序控制各阀门的开度，并进行停机；当泵房机组温度、管道压力等采集参数超过设定值时，向 PLC 发出关机请求，得到应答后，按程序关闭水泵电机，进行故障排查，待开机条件具备时，按照以上第项的工艺要求进行开机运行。设备的操作级别分为 3 级，即机侧（或就地）操作、现场分控站操作、中心控制室操作2，就地控制盘或急停箱为工艺（电气）设备成套的专用控制装置，安装在被控设备附近，对相应的设备进行控制，并将相关设备的主要数据及运行状态传送至中央监控管理计算机，同时接受上位机指令。2.2 视频监视系统重要设备和重要场所的全天候监视对于现场无人值守情况是很重要的，可以实现从远端实时直观的监控水源、管线、泵站、水厂的设备和现场情况，为主要功能性构筑物和管理、巡视关键王艳平 对某城乡供水工程自动化控制的设计和应用研究27点提供了有效的远程作业监护、远程设备监控和远程安全防范监视，从而推动远距离输水管理逐步向自动化、综合化、集中化、智能化方向发展。根据实际需求，以水厂调度中心为核心，通过网络连接各现地站监控点，实施对现地的水厂、泵站主要构筑物等工作环境和设备状况进行全方位的视频监控3。通过骨干通信传输系统及计算机网络系统，将工程沿线新建的阀门及高位水池等处的视频终端信号传送至调度中心，在调度中心实现工程各站点视频图像的监视及控制。2.2.1 系统组成与结构系统组成由前端摄像部分、传输部分和中心控制部分，相当于视频监视系统的“眼睛”“通路”和“心脏”。前端摄像部分设置在被监视场所的摄像点把监视现场情况转变为图像信号，经网络传输到调度中心报警主机，由监控中心进行实时监看。项目中子系统负责前端摄像机至室内交换机之间的线缆连接及实施、现地各站点内的交换机、各现地站点至调度中心的光纤传输及计算机网络系统均由计算机网络与通信传输系统完成4-5。系统传输线路由视频电缆及电源电缆构成，视频电缆的好坏，直接关系到图像信号的噪声、失真及清晰度。中心控制部分主要包括视频或射频信号处理设备、LCD显示器、数字主机、操作切换设备等，是系统功能的指挥中心。2.2.2 系统功能及部署视频监控系统可对工程的重点部位进行实时远程监视，如对泵站、水厂内的运行状况及周边环境进行重点监控。视频监控系统提供的直观图像信息既能确保输水安全，又为水资源调度提供重要的决策依据，并且还能用于输水工程的安全防卫工作，如实时运行情况、泵站进出水水位是否超出警戒线、是否有物体（如人、兽）进入泵站、水厂等危险区等，同时调度中心还通过视频监控系统实施水库现场工作的远程调度指挥工作。图像监视包括远程图像监视、多点监视一点、一点监控多点、摄像机预置、图像抓拍、自动巡视、画面切换和锁定等功能，系统管理可实现用户管理、系统网管、系统日志、控制权协商、信息查询、电视墙、平台录像（录像回放/下载）等功能。根据工程各站点实际情况，共计配置 33 路前端摄像头（不含净水厂），具体分布位置见表 1。2.2.3 视频存储配置根据工程站点与管理机构布置，考虑到现地表 1 视频图像采集点布设统计表序号视频监测点名称桩号数量安装位置一泵站工程1调蓄水池至水厂加压泵站5小岔沟调蓄水池 1 处，泵站院内 2 处、泵房内 2 处2水厂清水加压泵站5泵站高压室 1 处，低压室 1 处，泵房 1 处，院内 2 处3大墩梁 1 级加压泵站5泵站高压室 1 处，低压室 1 处，泵房 1 处，院内 2 处4大墩梁 2 级加压泵站5泵站高压室 1 处，低压室 1 处，泵房 1 处，院内 2 处5老渠梁加压泵站5泵站高压室 1 处，低压室 1 处，泵房 1 处，院内 2 处二高位水池1小岔沟调蓄水池1调蓄水池上部2孙家山高位水池1调蓄水池上部3大墩梁高位水池总管 20+3341调蓄水池上部4李店西山高位水池总管 24+6381调蓄水池上部53 号人饮高位水池总管 29+1421调蓄水池上部6西张梁高位水池1调蓄水池上部7西张梁支管分水点至老梁渠泵站分水阀控点总管 31+7071监测井上部8水厂直供管道分水口闸阀井1监测井上部合计33总计 33 处28云南水力发电2024 年第 2 期站点较多，如集中存储，网络出现中断情况下，会丢失所有视频数据，因此计划在 7 座高位水池，2 座分水口闸阀井的每个现地站点配置 1 套NVR，存储本地 10 d 的视频数据，其余各站点通过调度中心配置的流媒体服务器转发视频。按高清视频 1 080 P 的要求存储，则每路视频每天约30 G，7 座高位水池、2 座闸阀井各设置 1 路视频，则考虑为 NVR 配置 2T 硬盘。2.2.4 辅助工程系统供电。高位水池、闸阀井摄像点电源从仪表用动力电源或太阳能蓄电池取电，各泵站电源从该站动力箱取电。系统防雷与接地。为了保证整个系统的安全，进行合理的系统防雷设计非常重要。室外摄像机的电源及信号电缆需分别加装电源和信号防雷器，系统的重要设备应安装避雷器6。电缆敷设。室外视频点至站房通过地埋钢管的方式敷设，室内部分通过线槽/线管敷设，所有电缆必须加电缆护管，且埋于地下一定深度，以免来往行人或车辆损坏。护管两端应封闭，以免被老鼠咬坏。2.3 通信与网络系统2.3.1 数据传输方案比选数据传输方式提供以下 2 种比选方案。方案一：自建 5.8 G 无线网络，鉴于现场地形复杂，满足架设无线网桥的地点距离监控点远，通讯可靠性、稳定性、安全性不够，故此次设计不考虑自建无线网络。方案二：光纤通信组网目前有 2 种方式，一种是采用租借电信/移动运营商的线路，另一种是通过自行组建专网。项目实施区电信/移动基站少，接入点共计 12 处，电信/移动公司无法接入，现地不满足租赁接入条件。因此采用自建专网方式，费用包括建设投资和后期运行维护费用。按每公里建设费用为 3104元计算，48.5 km 光缆的建设费用为 145.5104元，维护费用包括故障检修费用和巡查费用，估算为每年 1104元。根据上述分析对比，由于项目地域范围广，数据安全性、稳定性和带宽有一定要求，均推荐使用光纤通信为主，无线 GPRS 通信补充的通信方式进行传输，光纤可以采用架空的方式沿主管道进行敷设。2.3.2 通信传输系统通信网络作为各项业务开展的基础，此次设计主要是敷设水厂至各个泵站的光缆，以保证数据传输的带宽和可靠性。光缆从水厂开始，沿途覆盖 7 处高位水池、2 处主管线阀门监测点、5 座泵站，全长 48.5 km，沿总管线路架空敷设。通信点分布如下：调度中心水厂，位于桩号为总管0+000 处；7 座泵站和 6 座高位水池、2 座管道闸阀通过光缆就近接入传输。根据供水信息化建设需求，需要通过网络进行传输的数据类型包括：各监测点采集的实时数据，包括压力、流量、水位、阀门状态等；网络视频监视的音、视频数据；水泵、阀门远程监控的监测数据和控制命令。2.4 光缆工程根据此供水工程信息及自动化系统建设需求，需建设满足工程范围内各站点间的通信光缆，为满足工程需要及预留将来系统扩容发展，主干光缆选用 24 芯 8 字型光缆，共计 42 km；西张梁高位水池、孙家山高位水池监测站点用 4.5 km 支线光缆就近接入，水厂直供管道分水口闸阀井监测站点用 2 km 支线光缆就近接入水厂主干光缆，采用 12 芯 8 字型光缆，共计 6.5 km。光缆基本沿管线采用架空方式敷设，便于后期检修维护管理。选用 GYTC8A 型光缆，其结构是将 250m 光纤套入高模量材料制成的松套管中，松套管内填充防水化合物。泵站、高位水池等自控设备情况见表 2 表 4所示。表 2 水厂孙家山加压泵站自控设备统计表名称规格型号数量泵站 LCU/套含 PLC 控制器、触摸屏等1语音设备/套1分站 IP 话机/部IP 话机2交换机/台1直流配电屏/面GZDW-65Ah/2201直流蓄电池柜/面(含 12V 蓄电池 18 只)1控制电缆/mKVV-0.75kV-x1.5 x2.51 000计算机电缆/mZRDJYPVP22-2 1.5200王艳平 对某城乡供水工程自动化控制的设计和应用研究29表 3 大墩梁 1 级泵站自控设备统计表名 称规格型号数量泵站 LCU/套含 PLC 控制器、触摸屏等1语音设备/套1激光打印机/台A3 幅面彩色黑白1分站 IP 话机/部IP 话机2监控主机/台15/8 G/500/1 000 M1应用服务器/台机架式服务器，配置 INTEL4 强处理器，配 16GB DDR 内存，配300 G3 硬盘热插拔 SAS 硬盘，标配RAID 卡，配置 2 个千兆以太网口，配置 1+1 冗余电源，DVD 光驱1工程师工作站/台17/16 G/120 SSD+1TB/1 000 M1液晶显示器、简述一体化套件/套产品类型 LED 显示器产 屏幕尺寸 27英寸 屏幕比例 16:9（宽屏）最佳分辨率1 9201 080 高清标准1 080 p（全高清）面板类型 TN 背光类型 LED 背光动态对比度 1 000 000:1 静态对比度1 000:1 黑白响应时间 5 ms2交换机/台1监控工作台/面2 4008007001UPS 不间断电源/套3 kVA1光电转换器/对1服务器机柜/面1控制电缆/mZRKVVP22 2.5800计算机电缆/mZRDJYPVP22-2 1.56003 结束语该城乡供水工程自动化控制的实施，通过整个供水自控系统工程的建设，将泵站、高位水池等终端采集到的数据传送到水厂，通过软件分析采集数据，根据分析结果发送控制信号，可以实时、准确、全面反映供水设备的运行状态，并对超限参数提示并报警，也可以实时掌握管网漏损情况，自动关闭控制阀，减少水损，达到节水管理的目的。参考文献：1麻建丽.西安市城市供水管网工程扩大供水区域研究D.西安：长安大学，2007.2刘洋.咸阳市张家山泉群供水研究D.西安：西安建筑科技大学，2015.3周正强，赵国荣.水利信息化在城区供水中的应用：以天水市城区引洮供水工程为例J.水利信息化，2020,（5）:54-57.4黄毅.引水工程输水干渠水量监测信息系统研究J.中国水运：下半月，2017,17（7）:115-116.5范美师.沾益区水利城乡供水一体化现状与发展J.云南水力发电，2023,39（1）:261-268.6赵琳.南水北调山东段闸（泵）站监控系统研究D.济南：山东大学，2012.表 4 高位水池水位监测点表名 称规格型号数量高清全球网络摄像机/只 自动彩转黑，CMOS，13010417计算机信号电缆/mDJYVRP-131.0507屏蔽控制电缆/mKVVP-71.5507光电转换器/对160.38 kV 输电线路/km0.57小型 PLC 装置/套DI=6，DO=3，AI=5，AO=017交换机/套17硬盘录像机/台17避雷器/组17太阳能电源/组含太阳能充电控制器、太阳能电池、太阳能板、控制箱等17单模光缆/kmGYTC8A，12 芯4.5