水厂自动化与信息化系统应用开发技术的探讨

水厂自动化与信息化系统应用开发技术的探讨

杜嫱

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[摘要]：给水行业的自动化和信息化系统是客户化程度很高的自动控制系统。以天津水源厂自动化系统升级改造工程为例，分析目前水厂自动化和信息化系统中存在的问题，提出水厂自动化、信息化系统技术性能指标及其衡量标准，并对提高系统性能应采取的技术措施进行了探讨。

[关键词]：水厂自动化；开发；衡量标准；技术措施；

0 引言

近年来，计算机信息技术及网络技术的飞速发展，给水厂自动化系统无论在结构上还是在功能上，都提供了一个广阔的发展舞台。对企业生产运行和管理提出了新的要求，也对水厂自动化技术提出了更高的要求。与国际先进水平相比，我国在给水行业自动化和信息化领域还存在相当大的差距。面对技术上的差距，明确性能上的优劣，水厂自动化工作必须适应新的形势需要。如今的水厂自动化系统应该成为一个集计算机、控制、通信、网络为一体的综合系统。以天津市水源厂自动化升级改造工程为例，本文就如何开发水厂自动化系统及自动化系统开发方面的技术标准作一点探讨。

1 水厂自动化及信息化系统所存在的问题

（1）系统的可靠性问题依然突出

有不少系统可靠性达不到设计要求，经常发生故障而未能发挥应有的作用。

（2）数据利用率低

信息化系统采集的大量数据未得到充分利用，在多数情况下仅仅用于计算机屏幕显示。很多系统既缺乏数据深度开发和处理的能力，不能用于管理和决策;同时也缺乏和其它系统共享使用的能力，造成信息资源浪费。

（3）应用软件编制质量不高

大部分开发商在应用软件的开发程序方面尚不规范，缺乏有效的监测技术和手段，造成交付验收时只检验其功能而忽略性能指标的验收。把尚不完善的应用软件提供给自来水公司应用，造成系统功能不完善，个别系统甚至故障频发，信息化成为所在单位的包袱。

（4）信息孤岛现象普遍

信息孤岛是指已经建成的各个子系统之间的数据不能互相利用，缺乏集成和整合的能力，造成信息资源浪费;已经利用的数据则仅用于显示，缺乏深度处理用于管理和决策。

目前，水厂在系统建设后，还只有模糊的、定性的标准，难以判断一个系统的真正优劣。天津市水源厂担负着非常重要的源水输配任务，设备老化，自动化水平逐年低，严重影响本市供水质量。进行自动化升级改造刻不容缓。通过该工程的设计到施工，开发和制定出对水厂自动化和信息化系统一个明确的、量化的衡量标准就显得尤为重要。

2 水厂自动化与信息化系统开发流程

（1）用户参与开发过程

由于计算机硬件的可扩展性和软件的灵活性，使监控系统的结构、规模、功能、性能等不可能统一，用户的要求差异性大。水厂规模、重要性、设备状况不同，对监控系统的要求就不同。参与开发能使用户最快地掌握系统开发技术，有利于用户对系统的升级、改进、完善及维护，更好地使用系统各项功能。

监控系统从设计到投运一般要经过设计招标、合同谈判、成立联合设计开发组、用户数据文件收集、开发商设备采购、系统集成与软件开发、出厂验收、现场安装调试、工厂试验及投运等。

（2）用户数据文件的准备

监控系统开发的最大工作量在于系统的客户化，用户应在同厂家开发之前组织包括运行人员、计算机和网络技术人员、自动化技术人员在内的专业技术人员进行现场数据的收集和准备工作。

由运行人员准备的资料有：工作站监控画面、运行报表、历史记录点定义、事件记录报表、操作键盘定义、语音报警语句、电话及ON-CALL传呼定义、统计计算格式等等。

由计算机和网络技术人员准备的资料有：计算机网络结构、MIS系统操作系统平台、MIS系统和自动化接口软件、网桥、防火墙等。

由自动化技术人员准备的数据资料有：数据库定义表、各项操作流程及防误闭锁条件、各LCU的I/O定义表、LCU顺控及自动倒换流程、AGC、AVC控制参数和边界条件、对外通信数据清单等。

（3）双方联合设计开发主要内容

包括现场数据准备情况；设备采购、设备变更和系统集成方案；技术澄清及开发组织方式和开发进度时间表。

（4）系统的集成与软件开发

硬件系统的集成，一方面是检验合同文件所规定的系统结构、硬件设备的可行性，另一方面也是为软件开发搭建平台，完成监控画面、运行报表、实时数据库原文件、历史数据库原文件、各LCU控制流程及对外通信数据模块原文件的编辑等等。

（5）监控系统与就地自动控制回路和装置的功能协调

泵组或公共辅助设备，一般设有就地自动控制装置。处理现地自动化与监控系统的关系时，应遵循现地自动化为主的原则，监控系统则通过开关量、模拟量的采集承担监视、后备控制的任务，一旦发生异常，则发出信号，并通过独立的信号采集进行紧急控制。

（6）信号模拟屏

信号模拟屏是水厂实现集中监视和控制的重要人机交流界面，由于显示直观、清晰可靠，画面和各仪表、元件位置固定，对运行值班十分方便，尤其是事故情况下，运行人员对全厂的状况一目了然，其作用是计算机屏幕不可替代的。

（7）工业电视、消防报警、保安及MIS的接入

工业电视，由于图像信号数据量大，占用网络资源多，不建议通过监控网传送，而应自成网络，在控制室设置工业电视专用CRT。

消防报警对运行监视十分重要，其数据量不大，因此接入监控系统比较合理。

为实现生产送水与水厂管理相结合，MIS应与监控系统联网。为安全起见，两网之间除采取防火墙等隔离措施外，还应采用单向数据流，控制室设置专用MIS终端。

3 水厂自动化和信息化系统技术指标

水厂自动化和信息化系统应该具有高可靠性、先进性、开放性、实用性、经济性以及具有规范化和网络化的特点，能保证生产和管理在各种情况下均可正常进行。

衡量一个给水厂在自动化与信息化方面的水平，以天津市水源厂自动化升级改造工程为例，提出9类24项具体的、可考核的检查内容作衡量标准。

（1）集散型控制系统

PLC站监控范围:要求覆盖全部生产过程，实现自动监控。

（2）水厂调度室

基本要求是调度主机，以太网交换机，服务器，数据库，组态软件，防火墙和加密保护，打印机，UPS电源，安保监控主机。能满足功能要求，安装规范，设备完好率95%以上。

具备与集团公司，与各工作站和PLC站的通信功能，数据处理功能，监测和报警功能，调度功能，事件处理功能，办公自动化功能，系统再开发功能，自动生成各类生产报表，数据准确、全面。

（3）在线仪表

基本要求是原水有流量仪、浊度仪、液位仪、pH仪;加药有液位仪、SCD或其它控制仪表;滤池有水头损失仪、浊度仪;清水池、吸水井有液位仪;出水有流量仪、浊度仪、余氯仪、压力仪、pH仪;回用水有液位仪。安装规范，满足工艺要求，仪表完好率95%以上。

技术参数包括压力仪测量精度;流量仪测量精度;浊度仪测量精度；余氯仪测量精度;液位仪测量精度;pH仪测量精度。定期校验，仪表完好率95%以上。

（4）生产自动化

工艺要求实现三级控制，即就地控制，现场单元控制，调度室控制。包括进水泵开停、加药、滤池冲洗、出水泵开停、排泥处理。每一级均设有“手动/自动”两种控制方式;就地控制器设有“就地/遥控”两种方式;各设备均可通过选择开关切换实现手动操作;上、下控制级之间，下级控制的优先权高于上级。

出厂水技术参数包括压力、余氯、浊度。出厂水质、水压、水量符合指标;设备正常运行;发生一般事故系统会自动处理。

（5）网络系统

基本要求是以太网交换机，服务器，工作站，数据库，组态软件，防火墙和加密保护，打印机，UPS电源。能满足功能要求，设备完好率95%以上。三层网络结构:即快速以太网、光纤网和控制网。调度主机、工程师站、服务器和以太网交换机组成第一层星形结构百兆以太网;现场PLC主站和水厂调度室工业以太网交换机组成第二层环形结构全双工百兆光纤以太网;现场PLC主站和下属子PLC站、电气柜上综合测量单元、工艺设备控制器组成第三层有线或无线网络。能满足功能和技术指标要求。

技术参数包括主机的联机启动时间、报警响应时间、查询响应时间、实时数据更新时间、控制指令的响应时间、计算机画面的切换时间、数据通信负载容量平均负荷、峰值负荷。

（6）管理信息系统

结构包括办公自动化子系统，电子邮件子系统，人事管理子系统，财务管理子系统，设备管理子系统，查询和统计子系统。各子系统软件采用模块式结构。

功能要求具备自动检索查询功能;通信功能;数据处理功能;监测和报警功能;事件处理功能;办公自动化;系统再开发功能;自动生成各类生产报表，数据准确、全面。

（7）辅助决策系统

自动配泵方案:根据水厂调度指令、实际净水能力、设备完好情况，自动制定配泵方案、日水量分配和小时水量分配，由计算机在线修正生产运行方式，实现在保证管网动态水量/压力平衡基础上的计算机辅助人工调度，达到合理生产。根据水质变化情况，自动调整工艺流程，达到保证出厂水质的目的。

（8）安保系统

数字图像监控系统集显示、数字视频移动监视、图像压缩、数字录像、资料管理等多种功能于一体，可以通过内部局域网实现联网扩展。

在调度室设置视频监视中心，配置电源、转换模块、安防监控主机等。视频监视采用数字化系统，分前端部分和后端部分。前端装在室外球形护罩的全方位云台内，摄像要求适应夜间的图像分辨率。后端采用数字化的视频监视主机和管理软件。前端监控点包括全方位云台护罩、摄像头等设备。点位分布为重点岗位处，以控制人员的出入和水厂内的安全。安装规范，图像质量等级、水平清晰度、灰度等级、信噪比、复合视频信号电平值等指标满足需要。红外对射探测器安装在围墙上，24小时监控围墙状态，对非正常进入立即报警。

（9）外围配置

防雷:包括电源防雷和信号防雷。电源防雷采用三级防雷措施。在UPS前端每线加装一、二级避雷器和退藕分压器；在调度主机前安装第三级避雷器；在各PLC控制器前安装一级防雷器。信号防雷在室外的馈线端口、通信网络端口及室外的4-20 mA模拟量的设备进线和出线端口安装避雷器。

采用等电位接地技术，接地网线间的接线、与接地体的连接均采用满焊焊接。接地电阻<1n。接地方式:一点接地，接地线与其它导线之间保持可靠绝缘，接地线不构成回路。

重要模块、易损件有备分;应用程序软件有备分。

（10）管网信息管理系统

国际通用的GIS平台、开放式机制、模块组件化、网络化、支持web访问。

实现管网主件和附件的图档管理，网络拓扑维护，爆管抢修决策，用水量分析，业务流程管理，数据离线维护，管网平差计算，管网等水压曲线，管网运行状态分析，管网辅助设计。

与集团公司联网，实现与SCADA、营业收费、水质信息管理等系统的动态数据共享。技术参数包括系统平均无故障间隔时间MTBF;系统年宕机次数;主机的联机启动时间;单项数据查询响应时间;计算机画面的切换时间。

（11）客户服务系统

结构模式采用开放式机制，模块组件化，采用CTI技术，网络化。

能够实现“一站式”服务，服务透明公开，为特殊客户提供个性化服务，服务于整个城市，基于Internet的web访问通道。

（12）管理信息系统

结构要求:办公自动化子系统，财务管理子系统，设备管理子系统，水质信息管理子系统，生产管理子系统，决策支持子系统。现场检验，各子系统软件采用模块式结构。

能够实现自动检索查询、通信、数据分析处理等功能。符合SUMA服务器性能。

（13）网络系统

以太网交换路由设备，服务器，防火墙和加密保护，网络线路的冗余与备份等。

能够实现网络管理，物理安全，漏洞扫描，访问控制，信息加密，入侵检测等功能。

要求集成IDS(入侵检测系统)，能有效监测系统主要设备。

4 提高水厂自动化和信息化系统水平的措施

提高我国水厂自动化和信息化系统的水平是摆在制造商、开发商和用户面前的迫切课题，需要各方长期的坚持不懈和协同努力。以往的实践证明，对于自动化和信息化系统的模糊考核方法阻碍了它的进步。在现阶段，应该把握住以下问题。

（1）明确提出系统的技术性能参数。在设计文件和建设合同中，除了提出功能要求外，应该明确提出系统的技术性能参数指标。这个指标应具有约束性，作为工程验收的主要标准。

（2）设计方案要组织专家咨询审查。为防止设计阶段出现偏差，设计方案最好请专家审查，帮助技术把关。

（3）要特别重视应用软件的质量。应用软件对于自动化和信息化系统的可靠性、实时性、完善性、可操作性同样关键，应该充分重视。

（4）经过招投标选择安装单位。应当选择那些对给水自动化和信息化有成功经验并有良好信誉的设计和安装单位来承接工程。并加强对设计和安装阶段的技术监理。

总之，水厂通过自动化与信息化开发或者升级改造，能够提高设备的整体健康水平，保证设备的安全稳定运行，为"无人值班"或"少人值守"奠定基础。

参考文献

[1] 伊学农. 城市给水与自动化控制技术[M] . 北京：化学工业出版社，2008

[2] 朱亮 张文妍 水处理工程运行与管理[M] . 北京：化学工业出版社，2004