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1、*农村集中饮水工程测量及自动化控制系统设计书二一年十月二十四日第一章 系统概述1.1、前言水资源短缺已经成为全球性的问题，随着经济的发展，日益增长的用水需求与水资源短缺之间的矛盾迫使世界各国都在寻求解决的有效办法。因此，采用现代化手段，建设水资源实时监控系统，动态掌握区域水资源变化及利用情况，最大限度的调控使用效率，是促进经济社会可持续发展的迫切需要。农村集中饮水承担该地区生活用水的取水、过滤、净化以及给水、供水等工作，生产单元非常分散，尤其是大量的水源井、水源站、用户和庞大的给水、供水管网分散在整个区域内。采用原始的人工巡检、人工操作的工作方式，导致数据监测、汇总和应急处理的能力严重滞后。基
2、于上述原因，为提升生产运行调度指挥能力，保障设备、管网安全运行，提高工作效率等，我们根据客户的需求提出了整套工程地理信息系统及自动化控制系统方案。1.2、设计方案概述根据生产经营的范围和特点，建立一套生产运行远程实时测控系统。该系统是以各供水厂站为核心节点，建立局级生产调度指挥中心，下设由典供水厂、杨坡供水厂、页坡供水厂、草堂供水厂、笃牯供水厂共五个控制分中心组成。传输方式根据各子系统的特点采用GPRS、光纤宽带网等网络。自控系统主要解决集中供水生产过程中现场设备的运行状态、各种仪表参数的采集及显示，并完成对现场设备的控制和管理，保证整个生产过程的自动化，便于领导及时了解各供水点的供水量、设备
3、的运行状态。通过在线监测和控制、现代化的调度指挥系统可以充分发挥供水设施的作用，以保证最大限度的节约用水，实现社会效益、经济效益双丰收。1.3、设计原则本方案从农村集中供水的具体实际出发，设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则，并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。做到配置合理，留有扩展余地，技术先进，性能价格比高，确保系统性能高质量，高可靠性。具有以下原则：1.3.1、先进性与适用性系统的技术性能、质量指标达到国际领先水平，并且系统的安装调试、软件编制容易掌握，操作使用简便易行，适合中国国情和农村集中供水的特点。该系统集计算机控制技术
4、、网络技术、传感技术、无线通讯技术为一身，达到国际领先水平，适应时代发展要求。同时该系统面向各种管理层，设备功能齐全、操作简便。1.3.2、经济性与实用性充分考虑供农村集中供水实际需要和信息技术发展趋势，根据现场环境，设计适合现场情况、符合用户要求的系统配置方案，通过科学合理的配置组合，实现最佳的性能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。1.3.3、可靠性与安全性系统的设计具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能，同时系统具有一整套完整的系统安全管理策略，可以保证系统的运行安全。1.3.4、开放性以现有成熟
5、产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，可以实现数据共享，具有网络通讯口，可实现远程控制。1.3.5、可扩充性系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后集中供水工程的实际要求扩展系统功能，同时，本方案在设计中留有冗余接口，以满足将来发展需要。1.3.6、最优化的系统配置在满足用户对功能、质量、性能、价格和服务等各方面要求的前提下，追求最优化的系统设备配置，以尽量降低系统造价。1.3.7、足够的扩展容量该系统设备预留一定的扩展容量，以便在系统中升级改造过程中增加新的控制点。此外系统还预留与计算机、自动化系统接口，也尽量考虑未来科
6、学的发展和新技术的应用。1.3.8、提高综合管理水平本方案通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合监测，实时动态掌握各子系统运行情况。中央控制系统对设备进行综合统筹、运行方案优化，保证设备在最佳情态下运行，从而降低设备能耗，减少设备维修，达到提高综合管理水平的目的。1.4、集中供水控制网络拓扑图 - - 14 - -第二章 *农村集中饮水工程现场自动控制系统2.1、系统设计目的建立水源井泵房与供水站储水罐之间数据检测和设备控制系统，实现水源站储水罐对深井水泵机组远程自动控制与运行参数的自动采集、传输、处理、存储、显示等功能，同时将数据信息接入县级集中供水生产调度指挥中心的数据监测系统，实现对
7、水源井和水源站储水罐运行参数的自动监测，达到水源井和供水站储水罐的优化运行，提高水源井运行效率，提高整体经济效益的目的。2.2、系统设计思想根据水源井泵房与供水站储水罐分布的地域特点与通讯技术发展的水平。水源井运行测控子系统包括监控计算机、无线数传交换设备（采用GPRS、CDMA或通讯光缆）、现场PLC系统（用于现场设备工作状态的监视、控制以及数据采集）等，实现对水源井泵房与供水站储水罐的监控。把水源井和供水站储水罐的各种设备运行状态、运行参数送到现场PLC系统，然后经无线数传交换设备到监控计算机，监控计算机对采集的各种数据进行存储、统计等生成设备运行数据的实时*线、历史*线及数据表格，并对现
8、场的各种故障显示、生成，并对各种报表进行打印等。2.3、系统基本架构*农村集中饮水工程现场控制系统分为两个部分：现场监控计算机、现场PLC系统和数据传输系统。水源井泵房与供水站储水罐的各种运行状态和运行参数由现场PLC系统采集获得，并传送到现场监控计算机，然后经过GPRS、CDMA或通讯光缆传到远程监控中心，实现各种设备状态及各种数据的显示、处理、发布等。2.3.1、现场PLC系统现场PLC系统安装在水源井泵房控制柜或箱内，潜水泵采用软启动器进行开启和保护，主要实现对各水泵的综合测控和保护，功能包括潜水泵的电流测量、启停控制、运行停止状态检测、接触器故障检测（烧死）、液位测量（如需要可选配）、
9、流量测量（如需要可选配）、水压测量（如需要可选配）、过载保护、过压保护、欠压告警等，功能强大，最适用于户外水源井远程测控的设备，具有高可靠性，较宽的工作温度范围，较高的防雷防浪涌能力，较高的电磁抗干扰能力。软启动内的信号通过RS485接口和PLC进行连接。供水水泵安装电流互感器和电流表及电压表，热保护器，断路器等对水泵进行保护。控制柜（箱）内安装电子电度表，对用电量进行精确计量.现场设备接地，需要的地方安装避雷器！4-20毫安的信号加装信号隔离器。潜水泵出口配备电磁流量计和压力变送器，储水罐内安装超声波液位计，用来显示储水罐内的液位和对水泵进行控制，供水泵出口安装电磁流量计和压力变送器，输出4
10、-20毫安信号传送到配电柜上的PLC模拟量模块。PLC上实现水泵的开启和关闭，在上位机和组态系统上显示流量，压力，液位，运行状态，故障显示，报表及等相关参数，同时实现对水泵的控制。PLC模拟量约为32个点，开关量模块约为96个点，预留20%余量2.3.2、现场监控计算机现场监控计算机对PLC系统的水厂设备运行过程中的现场数据采集处理，对所控设备进行控制。在该控制方式下，实现对水厂、泵站的相关设备进行联动控制，如开泵过程为先开泵后开阀，停泵过程为先关阀后停泵等。2.3.3、数据传输系统通讯技术与设备的选择是构建数据传输系统网络最丰富多彩的部分，该系统设计是否合理，通讯技术的选择十分重要。网络技术
11、为数据传输系统通讯的一部分，基于TCP/IP的计算机网络互连与扩展技术，如网关、路由器、网桥、中继器、远程访问服务；基于存储器的动态数据交换技术；基于开放数据库的访问技术等构成控制网络与信息。随着国家宽带数据网的建设和增值业务范围的扩大，利用TCP/IP的计算机网络来实现数据传输系统的通讯，是未来系统发展的趋势之一。数据传输系统网络目前主要采用的手段有无线传输和有限宽带传输两种。2.3.3.1、无线通讯：无线通讯包括微波、扩频通讯、卫星通讯、超短波通讯、短波通讯、GPRS、CDMA等。目前主要采用的方式有GPRS、CDMA，特殊场合采用短波通讯。2.3.3.2、有线通讯：系统有线通信部分可以分
12、为传感器与PLC之间的通信、PLC分站与控制中心之间的通讯。根据信号类型的不同可以选用不同电缆。PLC通讯可以通过RS232、RS485接口，以太网等方式，RS232、RS485使用屏蔽双绞线将信号接入现场控制计算机，也可以采用以太网进行通讯，但是设备造价比较高。远距离信号传输主要采用光缆进行，如把现场的数据等传到县级控制中心。几种方式的比较：1.自由口通讯一般是指RS232的串行通讯方式，其通讯距离较短，速率较慢，一般在现场的某些仪表会采用这种方式，比较典型的是西门子的PC-PPI通讯；2.总线一般指RS485的串行通讯方式，其通讯距离和速率要远高于RS232通讯方式，一般现场的PLC或变频
13、器等设备用此协议较多，比较典型的是西门子的Profibus-DP，Modicon的Modbus等；3.以太网采用的是国际通用的以太网通讯协议，具备相当高的速率，但其问题是设备成本较前两种方法要高很多，因此没有总线方式普及。2.4、水源井与供水站蓄水池逻辑控制根据现场勘察的实际情况，水源井与供水站储水罐的距离远近不等，工控系统中传感信号有线连接可靠传输距离最远500米左右，而且还受到地理环境限制，施工维护很困难，原则上超过100米的现场建议不采用有线连接，只能采用无线将数据传输到由典生产调度指挥中心，通过中控系统的软逻辑功能实现两者之间的逻辑控制。2.4.1、水源井与储水罐逻辑控制示意图如下：2
14、.4.2、逻辑控制说明2.4.2.1、一级命令（100米现场）在储水罐安装超声波液位计或压力变送器，将储水罐液位数据或压力数据经通用型数据测控箱采集后，通过GPRS网络传送到供水生产调度指挥中心，利用中控系统的软逻辑功能判别后，将控制信号再通过GPRS网络传送到水源井泵房专用数据测控箱中的RTU，输出信号到电控柜控制潜水泵开停机。2.4.2.3、三级命令（无线网络断网保护）某一时刻GPRS网络出现故障断网后，延时一段时间后（比如5分钟），自行断电停机，以避免因无线路由障碍导致开机后无法及时停机，杜绝浪费电能和水资源的现象发生。2.5、系统功能水厂远程测控子系统是基于无线或有线通信网络的专业监控
15、系统，可以实现大规模（几百至几千个监控子站）的远程监控，通过多线程的完全并发通信，采用高性能的服务器以及高性能的远程测控终端，能实现远距离监控，可以在几秒钟时间内获取成百上千各子站的数据，并完成控制功能，具有许多系统无法比拟的实时响应速度以及接近于零故障和零维护的高可靠性。系统具体实现的功能如下：2.5.1、数据采集功能u 数据实时采集：远程监测中心可通过数传通道定时向所有现场PLC单元发出监测命令，实现对水源井的定时数据监测。水源井监测量包括水泵电流、水源井运行状态、出口压力、瞬时流量以及累计流量等。u 按需数据采集：远程生产调度指挥中心可在任何时刻请求召唤一口或多口水源井的数据；u 通讯控制功能：启动/停止对水源井终端的数据采集、切换终端使用的通道等；u 通道质量监视及故障诊断，通讯流量计算；u 可支持多种通讯规约、多种通讯通道；u 添加/删除水源井终端，修改终端通讯参数，如地址、通讯规约、数据召唤周期等；u 修改水源井终端参数，如各种报警限值等，并将必要的参数下发到水源井终端；2.5.2、数据处理功能u 事项报警处理功能：系统对模拟量液位、压力等可分别设
