管控一体化在供排水系统中的应用

第七届工业仪表与自动化学术会议1管控一体化在供排水系统中的应用钱刚1段超2(上海工业自动化仪表研究所1，上海200233；上海临港供排水发展有限公司2，上海201305)摘要：供排水一体化是新型水务企业理想的运作方式，基于GIS的信息化平台建设有助于高效地实现管控一体化。在介绍了管控一体化及水务企业发展趋势的基础上，从运营模型、信息模型、体系结构和系统组成等方面阐述了基于GIS的管控一体化在供排水一体化中的应用。通过对水的生产、输配和消费整个运营过程的动态监控和优化管理，实现了企业的高效运营。关键词：运作方式动态监控优化管理0引言由于信息技术的飞速发展以及网络化、信息化概念向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革，这种变革也必将对水工业自动化产生重大影响。这种变革将不单单局限于生产过程的自动化控制与监视，更将发展为建立全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，把企业的横向通信(同一层不同节点的通信)和纵向通信(上、下层之间的通信)紧密联系在一起，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。1管控一体化及系统管控一体化系统是运用系统集成的思想和方法，采用当今先进的计算机技术、网络技术、数据库技术、自动控制技术和现场总线等诸多技术以及现代化企业生产管理模式，建成覆盖企业生产管理与基础自动化建设的综合系统。企业的管控一体化建设将企业生产管理全过程中有关信息流、价值流与物流有机地集成并优化，实现了企业生产经营过程的整体优化，是对过程控制系统、制造执行系统（MES）、经营管理系统等的有效集成。随着管理技术、计算机及网络技术的发展，管控一体化强调企业充分利用互联网技术和信息集成技术把业务办公自动化、生产管理、过程自动化等功能全面集成，实现信息资源共享，使得各个经营过程之间的信息畅通无阻，工作流程顺畅，以适应当代经济发展充分柔性的需要。1.1现场总线技术为管控一体化铺平了道路企业信息网络是管控信息集成的基本条件，没有信息网络就不可能实现企业横向和纵向信息的沟通和汇集，建网的目标在于实现全企业范围内的信息资源共享，以及与外部世界的信息沟通。水工业和一般企业网络可分为企业管理层、过程监控层和现场控制层3层。管控一体化解决方案中的现场控制层由现场总线设备和控制网段构成，把传统的集散系统控制站(如水处理企业的PLC分站)的功能分散到了现场总线设备，此时的控制站实际是一个虚拟的控制站。现场总线技术与产品所形成的底层网络，充分发挥其使测控设备具有通信能力的特点，为控制网络与通用数据网络的连接提供了方便。企业信息网络是管控一体化的基础，现场总线则为构建管控一体化网络铺平了道路。过程监控层由局域网段以及连接在局域网段的担任监控任务的工作站或控制器组成。现场总线网络通过现场总线接口与过程监控层相连，或者监控层直接由现场总线来担当。监控站完成对控制系统的组态，执行对控制系统的监控、报警、维护及人机交互等功能。企业管理层由各种服务器和客户机等组成，用于集成企业的各种信息，实现与Internet的连接，完成管理、决策和商务应用的各种功能。1.2管控一体化的支持环境与系统集成基于系统之间横向数据交换及控制系统与管理层和现场仪表间纵向数据交换日益增加，现场总线的应用越来越广泛，制造厂商的产品也日益开放。由于多种总线并存已成定局，管控系统建立统一的数据管理、统一的通信、统一的组态和编程软件的一体化解决方案受到了各厂家的重视。同时，采用分布式网络系统，采用C/S或B/S结构，可以在实现企业各层次功能模型的同时实现网络连接在结构上的简化，从而形成以实时和关系数据库为中心的数据集成环境，为实现数据资源共享的目标奠定了基础。在多总线并存的局面下，系统集成成为实现管控一体化信息系统的中心任务。系统集成是要按照一定的方法和策略将相同或不相同厂商的现场总线产品相互连接，并使上层应用与下层现场设备之间完成双向数据沟通，使之成为一个可以满足用户需求的整体。因此，系统集成既包括硬件产品的集成，也包括软件产品的集成。对硬件集成来说，需要借助网桥、网关沟通总线接口。一般同种总线的网段采用中继器实现网段的延伸，采用网桥实现不同速率网段之间的连接；不同类型的总线网段之间以及现场总线与以太网等异构网络之间采用网关实第七届工业仪表与自动化学术会议2现互连，如公司与生产厂或其他部门距离较远时，采用公共数据网或电话网来实现局域网的连接，这在水工业的城市污水处理和截流系统、自来水厂站之间及供水管网调度系统等方面也是经常会遇到的问题。因此可以预计，今后这类通信接口产品的应用将会越来越广泛。从软件集成来说，通过OPC、ODBC等技术使得不同系统之间的准确、高速、大量的数据交换得以实现，能将实时控制、可视化操作、信息分析、系统诊断等功能集成到一个紧凑的软件包中，具有很大的硬件灵活性，并且可以提供与多种管理软件的连通性，从而可较为经济地解决管控系统之间的连接。2水务企业的发展趋势水务企业供排水系统如图1所示。为了解决日益严重的水资源危机，满足广大市民对生存环境越来越高的要求，按照国务院关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知要求，“十五”期间，所有的城市都必须建设污水处理厂。到2005年，50万人口以上的城市，污水处理率应达到60%以上，到2010年，所有城市的污水处理率不得低于60%，直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市不得低于70%。但是，根据已建、在建污水厂的实际情况，我国城市污水处理厂的吨水造价一般在1500~2000元之间，运行费在0.4~0.6元/t之间。为达到通知的要求，在“十五期间”我国城市污水处理设施投资5000亿元人民币以上，这些设施的年运行费用也有数百亿元之巨！这已经成为我国市政设施建设的根本障碍之一。以江苏太湖地区为例，尽管是我国经济最发达地区之一，在“十五”期间江苏太湖流域规划实施城镇污水处理工程86项，目前仅有18个项目建成投运，还有31个项目在建，剩下的37个项目只是在开展前期工作，项目数量和投资规模均占总量的40%左右。城市污水处理设施产业化经营是发展的必然趋势。供排水一体化经营实质是借助供水企业积累的产业优势扶持刚刚起步的污水处理事业。供排水一体化可谓一举四得：其一是实现供排水一体化后，可能将“供水”作为水产业发展的经济增长点，以“供水”带动“排水”，解决筹资问题；其二是企业规模迅速扩大；其三是减轻了政府负担；其四是优化了资源配置，提高了运行效率。3基于GIS的管控一体化在供排水一体化企业中的应用对于供排水一体化的企业来说，不仅在自来水厂、污水厂需要采用新的技术、新的工艺实现全厂自动化监控，还需对自身所管辖的供排水管网及管网上相关的其他设施如泵站、检测井等进行监管，用计算机实现收费营业电算化。对于管网相关设备的监控采用地理信息系统是十分好的选择。地理信息系统GIS(geographicinformationsystem)是一种以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信息系统。在现代信息社会里，GIS作为一种集地理空间特征和各种统计信息为一体的特殊信息系统，是信息高速公路上的节点和基础设施，受到全社会的广泛关注,成为目前国内外地学领域热门的研究课题。作为城市基础设施的自来水、污水排放管道和沿线泵站和检测井，由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性，建立基于GIS的信息系统能够提高对这些设施的管理水平，同时能够极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路改造等方面的效率，从而产生巨大的经济效益和社会效益。要达到供排水企业的最优化运营，就需要系统分析企业的运营模型，找到每个环节的相关性，获取综合的有效信息，以整个生产过程为主线，以企业的管理现代化为辅线，把信息技术在企业集成应用，实现最大效益。下面从供水企业的运营模型着手，分析企业的信息模型，并制定基于GIS平台的供排水企业管控一体化信息应用方案。3.1运营模型供排水企业的运营主要围绕水从水源、水厂经过输配网最终到用户的生产/消费链而进行。生产调度通过实时采集水源和水厂的变电设备、电器开关、加压泵等设备运行参数和流量、出水口压力、余氯等控制参数，以及输配网上压力监测点和水库水位监测点的控制参数，动态自动控制水源、水厂设备的启停和运行，使整个输配网上的水压保持最佳的分布和平稳状态，从而为用户提供高质量的供水服务，减少输配过程中水的损失，最大限度延长管网的使用寿命，最终提高水厂的运营效益。管网管理主要实现输配水和污水管网信息管理，管网的新建、维护和改造以及用户的管理。它必须能够保证管网信息的准确、全面，满足管网规划、设计、施工和维护的要求。营业收费完成用户用水量的验抄、统计，根据水用户性质和收费项目的规定进行计费收费。公司将综合生产调度、管网管理、营业收费的各种信息，结合公司的营业策略，对整个企业的运营进行科学合理的决策，从整体上实现对公司营业的宏观管理。3.2信息模型第七届工业仪表与自动化学术会议3系统运营的信息包括变化的动态信息和相对稳定的静态信息。动态信息是通过动态监测系统获取的实时变化的信息，主要包括：水厂（水源地）配电设备、工艺设备的运行状态信息，比如变压器的电压电流、配电开关的闭合状态、加压泵的电压电流功率等；水厂出水口压力、流量和余氯等工艺参数信息；管网压力监测点的压力信息和水库的水位信息。这些信息一方面通过自动控制系统反馈，控制水厂设备的正常运行；另一方面送到公司进行综合分析。还有一类动态信息就是水厂累计流量信息、水厂设备和管网维护信息、漏水调查信息以及用户用水量信息，这些信息经过综合分析，为供排水管网的平稳运行、故障排除、查漏维护提供决策支持。静态信息包括企业变化缓慢的一些业务信息、地理信息和企业运营的历史信息。这些信息和动态信息相互结合，提供更好的决策支持信息并返回来对水的生产消费环节产生作用，使其成为良性的循环链，达到最大运营效益。3.3体系结构无论是动态信息还是静态信息，它们都和其实体所在的地理位置密切相关。因此构建以GIS为平台的信息综合、分析和决策的供排水企业管控一体化信息系统是一种最佳选择。GIS所特有的空间分析功能和可视化表达方式正符合供排水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。同时GIS也是把供排水企业的各种信息有效聚合的粘合剂，所有的信息通过和地理位置相关，就可以达到有机结合的目标。通过将各种信息在GIS平台上的集成，将为企业提供更深层次的信息化应用。信息平台的数据输入/转换中间件可以把企业各种底层设备获取的信息采集到系统的数据库中。对于不同的底层设备，只要开发相对应的数据输入中间件，就可以很容易接入到系统中去。而基于该信息平台，用户可以进行各种需要的企业信息化应用。而这些信息的获取、存贮、组织都完全由该信息平台来实现，从而使系统具有很好的可扩展性和开放性。同时，系统把企业的各种信息集成在一起，实现信息的集成应用。3.4系统组成整个系统有软件系统和硬件系统组成。硬件系统主要基于企业信息部网络和现场总线网络，如图2所示。软件系统可概括为生产管理系统、项目管理系统、用户管理系统、地理信息系统、报装收费系统和办公自动化企业网站等6个软件子系统。主干以太网络主服务器生产和GIS数据库热备服务器生产和GIS数据库办公网络办公终端办公终端生产网络报装服务器SCADA数据采集服务器生产设备生产设备生产监控机生产监控机远程抄表数据集中服务器用户水表用户水表抄表网络手工抄表机手工抄表机打印机公共网络防火墙Web服务器收费服务器OA和项目管理服务器防火墙图2系统硬件组成图3.4.1生产管理系统生产管理系统是实现管控一体化的关键。一方面对底层的生产自动控制过程的信息进行采集和监视，另一方面和其他业务子系统形成信息的对接，起到承上启下的作用。生产管理系统实现对各个业务运行单位的生产过程监视、状态显示、异常情况报警等业务专门功能，同时还具备设备档案、维护与维修、资产管理、耗材和备件管理、基础数据、综合管理报表等通用的管理功能。生产管理系统在业务