农村集中饮水工程测量及自动化控制系统设计书.docx
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农村集中饮水工程测量及自动化控制系统设计书
农村集中饮水工程
测量及自动化控制系统
设计书
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、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
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）、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4-20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：
2.4.2、逻辑控制说明
2.4.2.1、一级命令（<100米现场）
在此不适用
2.4.2.2、二级命令（>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
◆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。
◆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；
◆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；
◆通道质量监视及故障诊断，通讯流量计算；
◆可支持多种通讯规约、多种通讯通道；
◆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；
◆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
◆事项报警处理功能：
系统对模拟量液位、压力等可分别设置报警上、下限，有效上、下限，当数据越限值时可生成报警记录，并且能保存报警记录；
◆数据保存周期可按不同数据类型设置为逢变即存、10分钟、30分钟、60分钟（保存周期应大于等于采集周期）；
◆权限管理：
所有系统操作均有授权控制，软件系统设定管理者权限
2.5.3、人机界面
◆细腻的图像和逼真的动画显示；
◆功能齐全的数据采集界面；
◆报警发生时，可自动推出报警画面；
◆生成各采集参数的时间*线；
◆历史数据综合查询及实时数据显示；
◆报表的生成及打印；
◆WEB发布功能；
◆启/停泵功能；
2.6、系统特点
2.6.1、系统的实用性
水厂远程测控子系统应用计算机处理所有数据，不仅可以得到瞬时*线，还可以对数据进行处理得到所需各种图表，而不必工作人员亲临监测现场，大大降低了工作人员的劳动强度，而且便于管理部门及时了解情况，进一步的分析并及时采取响应措施。
2.6.2、系统的实时性
水厂远程测控子系统采用最新的通信和软硬件技术，建立了清晰和合理的系统架构，可以实现多线程的远程并发通信，在几秒时间内，可以让成百上千台的深井数据实时传送到监控中心进行集中监视和远程调度，实现故障信息的及时报警，运用通信手段实现停机故障的及时处理。
数据量巨大，提供了强大的实时数据库作为系统的支撑，比起传统的电台轮询等方式，具有无可比拟的优势。
2.6.3、系统的开放性
水厂远程测控子系统是一套成熟的开放式的系统。
所谓的开放，就是指协议等方面采用标准的协议，可以进行系统或模块的扩展，便于长期的升级和维护，延长系统的寿命，通过更新部件，能让系统一直存在下去，而不至于整个系统瘫痪，造成大量的投资损失。
2.6.4、系统的易维护性
水厂远程测控子系统具有极低的故障率，所以相应的维护量非常之小。
系统的构架非常清晰，具有多个调试工具，以辨别故障所在。
此外多年的经验和较强的专业性，保证了整个系统的高可靠性和低故障率。
2.6.5、系统的强大功能
水厂远程测控子系统可以根据用户单位的需要，进行高级开发，增加或减少功能模块、监控点数量，可以自动发出报警，可以自动弹出故障画面，并自动打印。
现场测控单元可以存储数据，在掉电时自动保存。
2.7、系统技术性能
水厂远程测控子系统分为现场控制单元和监控中心，二者性能如下：
2.7.1、现场电气控制单元
◆工作电压：
交流380V；
◆采用软启动器或变频器完成水泵的平稳启动；
◆准确测量电流根据需要可选配测量有功、无功、频率、功率因数、零序电流等电参量，还具有累积电量功能；
◆可选配三相异步电动机的过电流保护、不平衡（负序过流）保护、接地（零序过流）保护、启动时间过长保护、堵转保护、反时限过负荷（热过载）保护、欠电压保护、过电压保护；
◆三相电动机转子断条、轴承损坏、绝缘监测等故障诊断功能；
◆电压电流采集精度：
0.5%；
◆通信规约：
MODBUS规约或者其他规约
◆1个隔离本地串行通讯调试接口；
◆工作温度：
-30℃～+70℃；
◆工作环境：
无爆炸,无腐蚀性气体及导电尘埃,无严重霉菌存在,无剧烈振动,无冲击源；
◆现场防水测控箱EMC达到IEC标准的三级；
2.7.2、现场数据采集单元
◆工作电压：
直流24V；
◆具有8路独立的开关量信号输入，可以兼作8路脉冲输入；
◆具有8路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警；
◆具有8路独立的模拟量（0-20mA）输入,可以接各种变送器；
◆通信规约：
MODBUS规约或者其他规约
◆1个隔离本地串行通讯调试接口；
◆工作温度：
-20℃～+70℃；
◆工作环境：
无爆炸,无腐蚀性气体及导电尘埃,无严重霉菌存在,无剧烈振动,无冲击源；
◆现场防水达到IEC标准的三级；
2.8、现场集中供水控制中心
2.8.1、系统设计目的
2.8.1.1、控制系统设计
远程自动化集中供水系统的控制系统分为两层，分别为设备控制器和水厂中心控制系统，设备控制器根据中心控制器的指令对现场设备进行实时测控，中心控制器通过GPRS、CDMA或光缆网络与设备控制器进行双向通讯，对各个控制器进行管理、协调、控制、设定、数据存储和发布。
2.8.1.2、设备控制器
本系统现场控制器采用用德国SIEMENS公司的S7系列PLC系统，实现水厂水处理设备的自动控制和自动运行。
S7系统是目前国际上被广泛使用的一种通用型PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合。
模块化、无排风扇结构、易于实现分布式的配置、以及用户易于掌握等特点，使得S7系统成为一种既经济又切合实际的解决方案。
设备控制器组成如下。
1）．硬件
（1）系统硬件:
可编程控制器。
（2）各种检测控制仪表。
（3）通讯设备：
以太网通讯模块。
2）．软件
（1）PLC应用软件：
选用西门子STEP7软件平台开发。
（2）工控机组态软件：
选用美国NI公司的LabView测控软件平台开发，。
3）．主要功能和特点
（1）PLC结合现场触摸屏直接控制现场设备并采集现场全部的模拟信号和开关信号，上位机通过以太网并按照相应的标准协议与PLC建立通信。
（2）系统实现水流量瞬时值及累计值的数据采集及记录；
（3）系统实现供水压力的数据采集及记录；
（4）系统实现各设备液位的在线检测及控制；
（5）系统实现各水泵的自动/手动控制及运行状态监控；
（6）有很强的可扩展性，以后增加控制任务时，无需再增加整个PLC系统，只需通过扩展电缆连接相应的扩展模块就可以了，大大增强了系统的性能价格比。
2.8.2．水厂中心控制系统
中心控制系统选用高性能的工控机，软件基于美国NI公司的LabView测控软件平台开发，数据库采用Microsoft公司SQLServer数据库管理系统开发，实现对整个供水系统的管理、控制和数据维护。
1）．硬件
系统硬件包括工控机、主控台和相关设备
2）．软件
（1）中心控制软件：
基于LabView平台和SQLServer数据库管理系统定制开发测控软件。
（2）网络远程监控软件：
基于LabView平台开发网络版远程访问软件，县、市、省等各级管理部门可以安全访问、管理监控中心的运行情况和数据。
3）．主要功能和特点
（1）良好的人机界面
以形象、生动、逼真的人机界面再现供水现场的运行状态，让操作人员有身临其境之感；配置操作帮助信息，以免除操作命令记忆，让操作人员快速掌握系统的使用；针对对象的操作方式简化繁杂的操作步骤，激发操作人员工作的积极性和主动性。
（2）实时报警功能
状态变位和模拟量越限时，系统产生报警信息，报警的形式可分为信息列表、报警窗口、语音报警，其中语音报警具有迅速警示操作员注意的作用，较其它形式报警更直接、效果更好；在报警的同时推出报警子站画面，便于相关人员及时了解该子站发生的事件。
（3）齐全的报表功能
城乡供水信息化管理系统提供完善的报表系统，例如常用的年、月、日数据报表及其数据分析（统计）报表，变时段数据报表及其数据分析（统计）报表；向用户提供二次数据分析和处理功能，系统管理人员或系统维护人员可使用报表定义器，自定义所需格式和数据的报表。
（4）基于Web的数据发布功能。
水厂一级信息化管理系统实时采集水源、水厂、管网等运行数据，并通过网络以网页的形式实施发布，各级授权用户可实时登录访问，同时运行数据也可以向上级管理系统实时上报，也可以实时接收省、县和水厂各级信息化管理系统监控下达的指令，实现有效的供水控制与管理。
（5）完善的权限管理功能
城乡供水信息化管理系统技术起点高，网络覆盖面宽，安全运行成为不可忽视的重要因素。
软件系统设置严密的用户权限管理功能，分级别开放使用权限，按级别完成操作和管理任务。
2.8.3．系统特点和优点
（1）技术先进
综合采用Internet、移动通信、计算机通信、自动化测控和WSN无线传感网络技术，技术先进
（2）成本低
系统基于现有的成熟公共网络平台设计开发，并采用双重无线通信技术，减轻了工程施工的工作量，大大降低了系统的成本，也提高了可靠性。
（2）可扩充性强
为方便以后系统的扩展，各级设备均留有扩展余地。
（3）易管理性和易操作性
各级管理软件界面友好、操作权限分级管理、操作简单、帮助文档全面。
（4）调试和维护简便
远程现场仪表等采用高可靠的器件，可调试、修改方便。
（5）模块化结构设计。
模块化结构的硬件产品使系统配置灵活、紧凑简便，易于升级、维护。
2.8.4.组态画面部分
组态画面1：
水源井
组态画面2：
监控参数
组态画面3：
加压泵
组态画面4：
总貌
第三章*农村集中饮水工程县级监控系统
县级监控系统配置两台冗余的操作站、一台工程师站，完成从取水泵站、水厂供水、供水管网等生产过程运行情况的监视和控制，并配置打印报警记录、生产报表和*线等的打印机一台；还配置了一套显示系统，可以直观、动态显示取水泵站、水厂供水、供水管网运行情况（包括所有设备的运行状态及主要运行参数等）。
3.1、县级监控系统组成：
两台冗余的工控机作为SCADA系统的主站安装于公司调度办公楼，用于监测供水管网测压点参数及取水泵站、水厂、供水泵站设备运行状态和生产运行数据，以实现在公司内部网上对水厂、泵站生产运行参数、设备运行状况和管线的运行情况的实时监控。
系统组成见集中供水控制网络拓扑图。
在有关职能部门配置监视终端，作为系统的客户机与公司网络上的其他任何终端一样，在授权的情况下均可以监视水厂、泵站和输水管线的运行情况。
系统具有Internet接口，可方便实现在任何地点、任何时候通过上网的方式监视生产运行情况，即远程监视。
3.2、县级监控系统功能：
县级监控系统承担数据收集任务及各项数据的处理工作，各分站通过通信网络与外界进行数据通信。
分站包括中心计算机、电源和网络设备三个部分。
中心控制站设有工程师站和操作员站。
工程师站即可以组态系统，汇总分析数据作为服务器使用，又可以作为操作员站，对远程终端实施监控。
在需要时，中央控制系统有有线通信查询或远程无线数据传输两种工作方式。
中央控制室微机对接收的数据进行合理性判别、处理、分类、存储,可以显示城市用水*线、流量*线，打印用水日、月报表等。
3.2.1、系统具体功能:
3.2.1.1．数据接收、处理：
实时接收远程站的流量、设备工作状态等信息；自动检查数据帧格式，并进行合理性判断；加注时标，自动存贮。
3.2.1.2．应答、查询：
定时或人工查询下属站点的流量及设备工作状态。
3.2.1.3．数据库管理：
包含原始、历史、预报或成果数据库的形成、检索、查询等。
3.2.1.4．数据输出：
可通过显示器（包括大屏幕显示）、打印机、绘图仪等输出用户用量*线、流量*线、报警记录表等。
3.2.1.5．县级控制系统：
包括供水预报参数初始化、参数设置/修改、定时预报脱机估报、供水优化调度，成果存贮、输出。
3.2.2、系统计算机功能:
3.2.2.1.数据接收、处理、管理和连接网络的功能。
3.2.2.2.自动定时或随机对SCADA系统设备进行查询。
3.2.2.3.管理系统定时或随机对下属各个站点设备的工作方式进行检查。
定期对系统下属设备进行校对、检修。
3.2.2.4.读出现场各个存储器的数据，便于管理系统整编资料和决策。
3.2.2.5.配有串行接口用于和调制解调器等相连。
完成遥测数据的接收和控制命令的发送。
3.2.3、系统计算机软件选用:
操作系统可选用WindowsNT/2000/XP操作系统；系统组态可以选用国产或进口的可靠性好，协议和数据接口开放，符合国际标准的软件，以适合中国人使用、亲和的操作界面、可扩展易升级和强大的数据处理能力作为主要选择的标准。
3.2.4、系统网络组成：
系统网络中，每台计算机网络配备以太网卡，通过交换机在本地组成局域网，网络接口标准符合ITU和IEEE标准；通过路由器与其它网络连接，以便向上级主管部门数据库发送资料，形成统一的数据库系统；局域网络近距离的使用超5类双绞线，远距离的使用光纤网、
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