何 佳 良

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200120)

0 引 言

隨著城市化建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,暴雨內(nèi)澇、徑流污染等問題日趨嚴(yán)重。在城市排水系統(tǒng)末端設(shè)置雨水調(diào)蓄池,不僅可以削減向下游排放的雨水峰值流量,提高城市排水防澇能力,還可以控制面源污染,控制初期雨水和合流污水對(duì)河道的污染。因此,安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的自動(dòng)化控制及儀表系統(tǒng)將是保障雨水調(diào)蓄工程發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵因素。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)與內(nèi)容

1.1 依據(jù)的主要規(guī)范

雨水調(diào)蓄工程的自控及儀表設(shè)計(jì)除了要遵循現(xiàn)行國家相關(guān)儀表自動(dòng)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外,還要執(zhí)行GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]、CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]、CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]及GB 55027—2022《城鄉(xiāng)排水工程項(xiàng)目規(guī)范》[4]等行業(yè)規(guī)范。

1.2 設(shè)計(jì)分界及內(nèi)容

通常,雨水調(diào)蓄是城市排水系統(tǒng)的一部分,運(yùn)行管理部門一般考慮將調(diào)蓄池納入相應(yīng)的排水調(diào)度系統(tǒng),對(duì)調(diào)蓄池進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度。工程以與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的通信接口為分界,分界面以下屬于項(xiàng)目設(shè)計(jì)范圍,界面以上屬于城市排水調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)范圍。

雨水調(diào)蓄工程的自控及儀表設(shè)計(jì)主要包括根據(jù)工藝流程要求配置必要的液位、流量、雨量、水質(zhì)分析、氣體監(jiān)測等檢測儀表;所有檢測儀表信號(hào)的傳送和顯示;根據(jù)工藝流程對(duì)設(shè)備運(yùn)行的要求,設(shè)置自動(dòng)控制裝置;根據(jù)安防要求,設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄系統(tǒng)及門禁系統(tǒng)等。

2 自控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)在滿足功能性要求的前提下,選擇合理的參數(shù)和設(shè)備,節(jié)約工程投資,降低工程運(yùn)行費(fèi)用,并能適應(yīng)水質(zhì)水量變化的影響,為潛在的突發(fā)性事件適當(dāng)留有余地和工程應(yīng)對(duì)措施。

本文以城市排水系統(tǒng)末端與雨水泵站合建的大型調(diào)蓄池為例,構(gòu)建由檢測執(zhí)行級(jí)、現(xiàn)場控制級(jí)、中央監(jiān)控級(jí)組成的集中管理、分散控制的集散型控制系統(tǒng)。其中,值班室為信息層,現(xiàn)場控制站為控制層,位于現(xiàn)場的在線檢測儀表和現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備組成設(shè)備層。

(1) 信息層。信息層設(shè)備設(shè)在站內(nèi)值班室,主要由1臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)(工控機(jī))及1臺(tái)打印機(jī)組成。工控機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC柜通信,采集雨水調(diào)蓄工程內(nèi)儀表和設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),作為人機(jī)交互界面在顯示器上顯示主要儀表和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、雨水調(diào)蓄流程圖以及各種測量值、報(bào)警信息及趨勢(shì)圖等。操作人員可以通過鍵盤鼠標(biāo)在線修改主要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化控制程序運(yùn)行條件的設(shè)定。除上述人機(jī)交互功能外,工業(yè)級(jí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)還負(fù)責(zé)記錄存儲(chǔ)雨水調(diào)蓄工程的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù),根據(jù)運(yùn)維人員的需求對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)分析等。另外,信息層預(yù)留開放的數(shù)據(jù)通信接口與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(2) 控制層?？刂茖佑?臺(tái)PLC現(xiàn)場控制站組成,通過以太網(wǎng)與信息層連接,接受信息層指令,根據(jù)預(yù)先編制好的程序,控制雨水調(diào)蓄工程內(nèi)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行、儀表和設(shè)備數(shù)據(jù)的采集處理,上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)。鑒于雨水調(diào)蓄工程發(fā)生故障可能會(huì)導(dǎo)致城鎮(zhèn)內(nèi)澇等情況,PLC現(xiàn)場控制站建議采用冗余結(jié)構(gòu),包括冗余電源、CPU、通信模塊、架構(gòu)等。

(3) 設(shè)備層。設(shè)備層包括在線檢測儀表、潛水軸流泵、閘門、排砂泵、排空泵、螺旋輸送機(jī)、砂水分離器、機(jī)械格柵、旱季截流泵、水力沖洗系統(tǒng)、除臭設(shè)備等。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)主要功能

自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能。

(1) 數(shù)據(jù)采集。采集雨水調(diào)蓄工程各個(gè)生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和電氣參數(shù)等信息。

(2) 生產(chǎn)過程監(jiān)視功能。通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)顯示工程平面圖、總工藝流程圖、局部工藝流程圖、供電系統(tǒng)圖,以及工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、事故報(bào)警顯示的各種數(shù)據(jù)圖表。

(3) 控制功能。運(yùn)維人員通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)可用鍵盤或鼠標(biāo)對(duì)有關(guān)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作?？刂葡到y(tǒng)對(duì)工藝過程和控制設(shè)備按運(yùn)行程序要求自動(dòng)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),各個(gè)自動(dòng)運(yùn)行程序的工藝參數(shù)、控制參數(shù)可以設(shè)定。

(4) 報(bào)警功能。系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析,對(duì)設(shè)備及工藝過程中發(fā)生故障時(shí)發(fā)出警報(bào),顯示故障點(diǎn)和故障狀態(tài),按照?qǐng)?bào)警等級(jí)做出相應(yīng)反應(yīng),記錄故障信息。提供的報(bào)警日志可以記錄事件、信息和報(bào)警,并且可以根據(jù)要求對(duì)相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行歸檔,觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作等。

(5) 安全操作功能。提供的用戶管理器允許設(shè)置用戶權(quán)限,針對(duì)不同的操作者設(shè)置相應(yīng)的加密等級(jí),記錄操作員及操作信息。

(6) 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理功能。根據(jù)采集到的信息,建立各種信息數(shù)據(jù)庫,保存工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)。自動(dòng)生成歷史數(shù)據(jù)庫,并對(duì)各類工藝參數(shù)做出趨勢(shì)曲線,完成數(shù)據(jù)傳送和報(bào)表打印。

2.3 設(shè)備三級(jí)控制方式

依據(jù)GB 51174—2017《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[1]的規(guī)定,雨水調(diào)蓄工程中主要設(shè)備的控制分為3個(gè)層級(jí)。

(1) 機(jī)側(cè)控制。機(jī)側(cè)控制為在各設(shè)備機(jī)側(cè)控制箱(柜)上進(jìn)行手動(dòng)操作。當(dāng)機(jī)側(cè)控制方式手柄處于“手動(dòng)操作”時(shí),PLC的控制和上級(jí)監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程控制命令均被拒絕。

(2) 就地控制。就地控制是通過自控系統(tǒng)PLC實(shí)施設(shè)備控制,該控制方式下可通過人機(jī)界面選擇就地程序軟手動(dòng)控制和就地程序自動(dòng)控制兩種方式。其中就地程序軟手動(dòng)控制通過工控機(jī)操作界面實(shí)施手動(dòng)控制;就地程序自動(dòng)控制由自控系統(tǒng)PLC根據(jù)儀表檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)按照預(yù)先編制好的程序,自動(dòng)起、停,無須人工干預(yù)。

(3) 遠(yuǎn)程控制(預(yù)留)。上級(jí)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制為由上級(jí)排水調(diào)度中心運(yùn)行管理人員通過中央SCADA綜合監(jiān)控信息平臺(tái)用戶端獲取下屬各雨水調(diào)蓄工程運(yùn)行工況,并根據(jù)運(yùn)行調(diào)度管理策略下達(dá)各類控制指令,保證各雨水泵站及調(diào)蓄池高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

雨水調(diào)蓄工程內(nèi)設(shè)備的控制優(yōu)先級(jí)由高至低宜為:機(jī)側(cè)控制、就地控制、遠(yuǎn)程控制,較高優(yōu)先級(jí)的控制可屏蔽較低優(yōu)先級(jí)的控制。每一級(jí)控制均應(yīng)設(shè)置選擇開關(guān),以確定是否允許較低級(jí)別的控制。

2.4 主要設(shè)備自動(dòng)控制方式

(1) 水泵。在自動(dòng)狀態(tài)下由PLC根據(jù)泵房集水井的水位和設(shè)定的運(yùn)行參數(shù),按照預(yù)先編制好的程序?qū)λ眠M(jìn)行自動(dòng)開停。水泵組的使用應(yīng)遵循等利用率原則,即累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的水泵優(yōu)先考慮停止,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵優(yōu)先考慮開泵。當(dāng)某臺(tái)水泵故障時(shí)自動(dòng)切換其他正常水泵投入運(yùn)行。

(2) 格柵除污機(jī)。格柵除污機(jī)自動(dòng)狀態(tài)下由PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間間隔自動(dòng)開停,同時(shí)PLC根據(jù)格柵前后實(shí)際液位的差值及設(shè)定好的液位的差值自動(dòng)開停格柵除污機(jī)。

(3) 螺旋輸送機(jī)。螺旋輸送機(jī)的運(yùn)行控制應(yīng)與格柵除污機(jī)聯(lián)動(dòng)。起動(dòng)時(shí),應(yīng)按輸送機(jī)、格柵除污機(jī)的順序依次起動(dòng)設(shè)備,停止時(shí),應(yīng)按相反的順序操作。

(4) 電動(dòng)閘門。電動(dòng)閘門由人工就地程序軟手動(dòng)控制、機(jī)側(cè)控制或由PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)行順序控制。

(5) 高低液位報(bào)警。當(dāng)浮球開關(guān)檢測到高低液位報(bào)警時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。

3 在線檢測儀表

雨水調(diào)蓄工程的檢測儀表應(yīng)以適用性、可靠性、先進(jìn)性為原則設(shè)計(jì),充分考慮處理規(guī)模、工藝特點(diǎn)及控制要求等綜合因素,對(duì)運(yùn)行參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通常出水總管宜設(shè)置流量計(jì)量設(shè)施、集水池宜設(shè)置液位計(jì)、用于控制徑流污染的調(diào)蓄池可設(shè)置自動(dòng)采樣器、雨水綜合利用系統(tǒng)的調(diào)蓄池宜設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測儀表等。

特別注意的是,調(diào)蓄池內(nèi)易形成和聚集有毒有害氣體的區(qū)域,應(yīng)設(shè)置硫化氫、甲烷、氨氣等有毒有害氣體檢測報(bào)警設(shè)備,且預(yù)留有毒有害氣體監(jiān)測孔。當(dāng)任何一個(gè)在線氣體測定探頭所測定的硫化氫、甲烷或氨氣濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。同時(shí),氣體測定儀現(xiàn)場實(shí)時(shí)聲光報(bào)警。

由于正常運(yùn)行時(shí)運(yùn)維人員無須進(jìn)入調(diào)蓄池內(nèi)部,因此,雨水調(diào)蓄工程可不在調(diào)蓄池內(nèi)部設(shè)置在線式有毒氣體檢測儀表監(jiān)測有毒氣體濃度。但是,如運(yùn)維人員需進(jìn)入調(diào)蓄池內(nèi)部,必須事先進(jìn)行有效通風(fēng)并通過便攜式有毒有害氣體檢測儀表監(jiān)測池內(nèi)有毒有害氣體濃度是否安全,并在采取有效的防護(hù)措施(如佩戴防毒面具)的前提下,方可進(jìn)入調(diào)蓄池內(nèi)。

4 安全技術(shù)防范系統(tǒng)

根據(jù)CECS 416:2015《城鎮(zhèn)徑流污染控制調(diào)蓄池技術(shù)規(guī)程》[2]的要求,雨水調(diào)蓄工程設(shè)置一套安全技術(shù)防范系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄系統(tǒng)及門禁系統(tǒng)組成,不同子系統(tǒng)管理軟件之間可通過通信方式,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

4.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足雨水調(diào)蓄工程運(yùn)營管理和安全防范的需要,需建立一套數(shù)字式視頻監(jiān)視系統(tǒng)。視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)以先進(jìn)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及可擴(kuò)展性為原則設(shè)計(jì),對(duì)泵站及調(diào)蓄池進(jìn)行宏觀動(dòng)態(tài)監(jiān)視。系統(tǒng)主要由前端視頻采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、監(jiān)控中心終端顯示管理設(shè)備組成。

(1) 前端視頻采集設(shè)備。由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以及相關(guān)輔助配套設(shè)備組成,主要完成圖像的采集及編碼工作。結(jié)合雨水調(diào)蓄工程的特點(diǎn),根據(jù)運(yùn)行管理需要在重要設(shè)備(軸流泵、進(jìn)出水閘門等)、重要房間(變配電間、控制室等)、重要通道(進(jìn)場道路、大門等)設(shè)置監(jiān)控?cái)z像機(jī)。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。采用數(shù)字式傳輸方式,各攝像機(jī)視頻圖像信號(hào)經(jīng)以太網(wǎng)電纜接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)專用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

(3) 終端顯示管理設(shè)備。設(shè)置于值班室,主要完成對(duì)視頻圖像的接收、顯示、切換、存儲(chǔ)、檢索、回放以及對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的控制等功能,由NVR網(wǎng)絡(luò)數(shù)字硬盤錄像機(jī)、主控鍵盤及監(jiān)視器組成。來自前端設(shè)備的視頻信號(hào)均接入NVR網(wǎng)絡(luò)數(shù)字硬盤錄像機(jī),由NVR負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的監(jiān)視、存儲(chǔ)、檢索、回放等,需配置可至少保存一個(gè)月錄像信息的硬盤空間。操作人員可以通過主控鍵盤控制前端攝像機(jī)動(dòng)作,控制NVR顯示、錄像以及回放等。

4.2 電子圍欄系統(tǒng)

為確保雨水調(diào)蓄工程的安全,站內(nèi)需配置一套電子圍欄系統(tǒng),在值班室設(shè)置一套報(bào)警控制主機(jī),項(xiàng)目圍墻設(shè)置電子圍欄,大門上方設(shè)置紅外對(duì)射系統(tǒng)。對(duì)安裝在圍墻上的電子圍欄及紅外對(duì)射探測器24 h監(jiān)控,對(duì)非正常進(jìn)入人員立即給予報(bào)警。同時(shí),安防系統(tǒng)還可按需與地方110聯(lián)網(wǎng),保證廠區(qū)安全。

4.3 門禁系統(tǒng)

為有效保障重點(diǎn)房間區(qū)域的安全性,可根據(jù)運(yùn)行需求在變配電間、控制室、值班室等設(shè)置門禁點(diǎn),相關(guān)授權(quán)用戶方可刷卡進(jìn)入。門禁系統(tǒng)主要由門禁控制器、讀卡器、電磁鎖等組成。相關(guān)人員刷卡信息保存于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi),運(yùn)行單位可對(duì)相關(guān)人員進(jìn)出信息及權(quán)限進(jìn)行有效管理。

5 防雷接地與設(shè)備選型

5.1 防過電壓及接地

工程內(nèi)的自控儀表系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及電子圍欄系統(tǒng)分別設(shè)置防雷保護(hù)。由室外引入各現(xiàn)場控制站的電源線路、金屬介質(zhì)通信總線均在進(jìn)戶處裝設(shè)過電壓保護(hù)裝置,抑制暫態(tài)浪涌電壓,泄放暫態(tài)浪涌電壓能量,保障設(shè)備免受過電壓的干擾和侵害。

除特殊注明或有特殊接地要求的儀表外,根據(jù)CJJ/T 120—2018《城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,儀表及控制系統(tǒng)宜與低壓供電系統(tǒng)采用聯(lián)合接地方式,接地電阻不大于1 Ω,達(dá)不到要求時(shí)應(yīng)增加接地極數(shù)量或采用降阻措施?，F(xiàn)場儀表的工作接地一般應(yīng)在現(xiàn)場控制站控制室側(cè)實(shí)施,并單點(diǎn)接入接地系統(tǒng)。對(duì)于被要求或必須在現(xiàn)場接地的現(xiàn)場儀表應(yīng)在現(xiàn)場側(cè)接地。

5.2 主要設(shè)備選型

考慮到雨水調(diào)蓄工程潮濕、腐蝕、爆炸等特殊環(huán)境,PLC建議采用模塊化結(jié)構(gòu)的具有防腐蝕性涂層的PLC系統(tǒng)。檢測儀表選用帶現(xiàn)場顯示變送器的智能化儀表。爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中的設(shè)備選用須滿足不同防爆分區(qū)的防護(hù)級(jí)別要求[5]。

6 結(jié) 語

實(shí)踐證明,雨水調(diào)蓄工程能有效提高城市排水防澇并控制面源污染。科學(xué)、合理的自控及儀表設(shè)計(jì)不僅能夠保障調(diào)蓄工程的處理效果、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善操作環(huán)境、降低運(yùn)維成本,還能為生產(chǎn)管理、事故分析、工藝控制尋優(yōu)、改進(jìn)管理方法等提供可靠的依據(jù)。