现代自来水厂自动化控制系统的研究与实现

第一篇：现代自来水厂自动化控制系统的研究与实现

现代自来水厂自动化控制系统的研究与实现

第1 章 绪 论

1.1 水厂自控系统简介

1.1.1 水厂制水工艺流程

各个水厂根据实际情况，其工艺流程千差万别，设备有增有减，但基本的流程相似，如图1.1 所示。

图中主要分为以下几个工艺过程：

（1）取水：通过多台大型离心泵将江、河、地表等处的水抽入净水厂。

（2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的。

（3）混凝：包括混合与絮凝，即源水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥。

（4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。

（5）过滤沉淀：水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。

（6）送水：多台大型离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网。

1.1.2 水厂自控系统组成

自来水厂的工艺特点是各工艺单元既相对独立，同时各单元之间又存在一定的联系。正因为各工艺单元相对独立，因此通常将整个工艺按控制单元划分，主要包括：取水泵房自动控制系统、送水泵房自动控制系统、加矾自动控制系统、加氯自动控制系统、格栅配水池控制系统、反应沉淀池控制系统、滤池气水反冲洗控制系统、配电控制系统、水厂中央控制室自动化调度系统，这些工艺单元内设备相对集中。根据这些特点，自控系统较多采用PLC＋IPC的集散控制系统(DCS)模式。

采用PLC+IPC 系统的水厂自动化控制设计一般采用多主站加多从站结构，能够较好的满足国内水厂自动化的监控、保护要求。控制点分布在水厂内不同的位置，采用就近控制原则，在设备集中区分别设置不同的PLC 站对该区域设备进行监控，再通过通讯网络，各PLC 站之间进行数据通讯，实现整个水厂的自动化控制。在控制单元内，PLC 站实现对该单元内设备的自动控制。这样的优点是使控制系统更加可靠，当某一控制单元发生故障时不会严重影响其它单元的自动运行，同时由于单元内控制设备、检测仪表就近相连，减少了布线成本。一般根据土建设计，将水厂自动化控制系统按设备位置情况及功能进行组织，分为如下一些控制站点。

（1）中央控制室站点：对整个系统进行监控和调度，同时留有四遥（遥测、遥信、遥调、遥控）系统接口，与上层管理系统进行通讯。（2）配电室控制站点：对高压及低压配电系统进行监控。

（3）取水泵房控制站点：取水泵、真空泵、潜污泵及轴流风机等进行监控。（4）送水泵房控制站点：对送水泵、潜污泵等进行监控。

（5）格栅配水池控制站点：对快开排泥阀、格栅液位、格栅除污机、螺旋输送机等进行监控。

（6）反应沉淀池控制站点：对快开排泥阀、刮泥机进行监控。

（7）滤池公共部分控制站点：对反冲洗公共部分（反冲洗泵、鼓风机、干燥机及相关阀门）进行监控。

（8）滤池控制站点：根据单格滤池数量进行配置，每格滤池一个，对单个滤池设备进行监控。

（9）加矾控制站点：对加矾、自动配矾系统进行监控。（10）加氯控制站点：对加氯系统进行监控。

在实际工程当中，当控制站点较近时，可以将某些站点合在一起，根据功能及控制规模大小，有些站点可以设为从站或远程站点。例如长沙榔梨水厂自控系统中，根据实际情况，按照功能分为5 大块：即取水泵房控制系统，加矾、加氯和格栅配水控制系统，滤池及反冲洗设备控制系统，送水泵及设备控制系统，中央控制室等。

1.2 我国自来水厂自动控制的现状

我国自来水厂的自动化工作起步较晚，但发展很快。从六十年代简单的水位自动控制发展到七十年代采用热工仪表和集中巡检装置，八十年代以后随着国家工业水平的整体提高，使水厂进入了大规模的发展年代，特别是随着外资的引入，大量国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，建成了一批全引进的水厂，使我国水厂自动化进程大大加快，自动化水平也快速提高。由于历史和现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市水厂，特别是发达地区大型水厂的自动化程度很高，而小城市和城镇水厂，特别是落后地区小型水厂的自动化程度较低，甚至还是空白。在一些已实现自动化的水厂中，虽然自动化系统和设备与其他行业，如化工、电力等相比并不差，甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。

国内实现水厂自动化控制的方法主要是新建和扩建工程。大型水厂建设项目依靠引进外资和全套技术设备，水厂工艺自动化水平高，但设备和控制系统投资很大。中小水厂自动化的设计、工程服务以国内为主，但系统中关键技术和设备仍以引进国外产品为主，在设备选型及工程服务上采取“土洋结合”的办法。这种“土洋结合”的办法不但大大降低了水厂在自控系统中的投资，而且实现了工程售后服务的本地化，有利于该行业的长远发展。

1.3 现代自来水厂自控系统的主要内容

我国水厂自动化控制系统的发展过程可分为三个阶段：第一阶段是分散控制阶段，该时期水厂各部分分别进行自动控制，各独立系统互不相关；第二阶段是水厂综合自动化阶段，在该时期整个水厂作为一个综合自动化控制系统进行生产，同时各个独立子系统又可以独立工作，该系统共享整个水厂的信息，同时又有分散控制的可靠性。现阶段大部分水厂处于此阶段；第三阶段是供水系统的综合自动化阶段，该阶段要求在一个区域的供水企业共享信息，实现整个城市或地区供水系统的自动控制。目前我国的中小型水厂大部分处于第一或第二阶段，只有很少大型水厂达到了第三阶段。在国外，如加拿大、美国等发达国家基本实现了供水系统的全自动化，而且开始进行分质供水，同时对水厂内部的自控系统也在不断地进行改进和提高。

当前水厂采用的自动控制系统的结构形式，从自控的角度可以划分为数据采集与监视控制系统系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、集散型控制系统(Distributed Control System，DCS)、IPC+PLC（Industrial PersonalComputer & Programmable Logic Controller）系统，即工业个人计算机与可编程逻

辑控制器构成的系统等。

SCADA 系统组网范围大，通讯方式灵活，但实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较为困难。DCS 系统则采用分级分布式控制，在物理上实现了真正的分散控制，且实时性较好，但应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期较长。IPC+PLC 系统既可实现分级分布控制，又可实现集中管理分散控制。而且PLC 本身可靠性高，组网、编程和维护很方便，开发周期很短，系统内的配置和调整又非常灵活，可与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。因此，IPC+PLC 系统成为了当今水厂自动控制系统的主要结构形式。综合分析国际和国内水厂发展的各个阶段的特点以及现有的水厂自动控制系统可知，自来水厂主要的控制技术与核心组成基本相同，主要有水质检测技术、水处理控制技术、变频节能技术与综合自动化系统四个方面，可用图1.2 描述。

1.3.1 水质检测技术

水处理中的自动检测技术，即水质检测技术是保证供水和排水水质的重要手段，也是指导水处理工艺运行过程的重要依据，随着自动化技术、机械制造技术等方面的发展，出现了越来越多的新型自动化检测仪表。

目前使用的水处理自动化仪表包括流量、水位、温度、压力仪表以及水质测量分析仪表，如pH测量仪、流动电流检测仪、漏氯报警仪、余氯分析仪、高低浊度在线检测仪等。在流量测量方面，除了传统的电磁流量计外，还出现了大量非接触式仪表。

水位测量仪表是水处理中另一类使用广泛的检测仪表，滤池、清水池、格栅配水井、配矾等处都要用到，主要有差压式、静压式、吹气式、浮子式、静电电容式、以及超声波等类型。

检测仪表是实现水厂自动化的基础，在日本等发达国家不仅大面积使用现有成熟仪表外，还不断开发出新的检测仪表并发展相关的检测技术，不断扩大检测范围，提高检测精度。

1.3.2 水处理控制技术

随着电子技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的发展，近十年来工业自动化在各个方面都发生了深刻的变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大小型装置控制系统乃至综合优化调度系统等。有关控制系统的研究和应用也一直是现代工业生产的重点工作之一，并且已经在控制理论和自动控制系统水平方面都发生了极大的变化。表1.1 给出了近三十年来水厂自控技术的发展变化。

随着水处理技术的不断发展，对于水质指标的控制与水处理效率的要求也在不断提高。新工艺、新设备的广泛应用一方面提高了水处理能力，另一方面也对整个系统的控制、协调提出了更加严格复杂的要求。常规控制手段已经成为水处理行业中的薄弱环节之一，需要在现有工业自动化已经取得的成果基础上研究、设计、投用适合于水处理行业的先进控制系统。

由于水处理系统（特别是混凝投药和加氯控制过程）是一个大迟滞、非线性、时变的复杂系统，系统建模困难，很难控制好。因此各种先进的控制算法不断提了出来。文献就设计了一种基于图像处理的自动加矾系统，文献则采用智能控制，如神经网络、模糊控制、遗传算法等来进行加矾或加氯控制，亦取得了较好的控制效果。

虽然各种先进的控制理论和算法不断被提了出来，但是在实际的应用过程中，尤其是中小型水厂自动化控制系统中，经典的控制理论仍有着广泛的应用空间。因此本文在研究水厂自动控制理论方面，侧重于经典控制理论及其应用。

1.3.3 变频节能技术

在水处理行业中，普遍存在着用水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，虽可通过调节阀门来满足用水需求，但供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。因此，根据用水需求自动控制水泵机组运行，且实现节能，是水厂自动化技术的一项重要内容。变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用水量变化而浪费的电能全部节省下来。变频调速控制技术，是指以变频调整原理为基础，在保证供水可靠性的前提下，根据供水系统用水量的变化情况，自动调整水泵工况，使之始终尽可能地在高效区间内运行，以达到降低能耗、提高效率的目的。这一技术是比较科学，可靠性较高的一种调节水泵工况的方式。它具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。

变频器是一种以变频调速技术为基础通过改变频率来调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，而且节电效果明显。在水处理行业变频器具有广阔的发展前景，有关其应用研究也一直得到相关工程领域的重视。

应用变频器来实现变频节能供水，可以采用恒压变量或变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速（即供水流量）来保证供水压力不变，该系统技术比较成熟，应用广泛。变压变量供水系统则根据用户用水量的变化同时调整变频器转速（即供水流量）和供水压力，很明显该方案节能效果更好。但是由于水头损失等受各种因素影响，难以准确确定，实际应用的很少[。

1.3.4 供水综合自动化系统

在市场经济与信息时代的飞速发展中,企业内部之间以及与外部交换信息的需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来。迫切需要建立一个全集成的、开放的、全厂乃至整个供水系统的综合自动化信息系统，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。随着计算机网络技术的不断进步，建立一个供水系统的综合自动化系统成为可能。在现代化的大型水厂中，除了采用先进的设备和控制技术对厂区内部进行有效控制和管理外，还要求实现对一个城市或地区整个供水系统的综合自动化管理。对自来水公司而言，为了安全、稳定、可靠地管理好遍布全城的供水系统，要有一个满足企业特点的、现代化的、先进的的企业综合自动化系统(SAS)。在该系统中，要实现对整个供水系统的现代化企业管理。主要包括社会服务系统，自来水管网地理信息系统（GIS），自动抄表收费系统（AMR）、生产过程数据采集与监控系统（SCADA），办公自动化系统（OAS），自来水管网优化系统，数据仓库中心数据管理系统，信息管理中心系统（IMCS）等。在美国和加拿大等发达国家，已经建立了不少现代化的水厂，实现了整个供水系统的自动化。

1.4 水厂自动化发展趋势

利用改革开放的机遇，通过引进国外的先进技术，经过近10 年的努力，以PLC 为基础的集散型控制系统已成为当今水工业自动化系统的主流，并具备了一定的技术和物质基础。

由于信息技术的飞速发展，网络化、智能化、信息化、管控一体化等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。

1.4.1 控制系统的智能化、分散化、网络化

水厂的智能化包括智能设备、智能控制技术和现场总线技术等几个主要方面。随着智能传感器、变送器、测量仪表、调节器、执行器等智能设备，以及如专家系统、模糊控制、自适应控制及神经网络等智能控制技术和现场总线技术在水厂中的应用，水厂自动化将会向智能化方向发展[22]。智能设备、智能控制技术很明显是具有“智能”的。现场总线技术则由于将专用的CPU 置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，亦即“智能化”。控制系统的分散化和网络化则主要表现在现场总线的应用上。

现场总线是应用在生产现场的全数字化、实时、双向、多节点的数字通信系统。采用可进行简单连接的双绞线、同轴电缆等作为联系的纽带，把挂接在总线上作为网络节点的多个现场级测控仪表连接成网络，并按公开、规范的通信协议，使现场测控仪表之间及其与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，形成多种适应实际需要的控制系统，即所谓“网络化”；由于这些网上的节点都是具备 智能的可通信产品，因而它所需要的控制信息(如实时测量数据)不采取向PLC 或计算机存取的方式，而可直接从处于同等层上的另一个节点上获取，在现场总线控制系统(FCS)的环境下，借助其计算和通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场的完整的控制系统,提高了系统的自治性和可靠性。在水厂自动化系统中，通过采用开放式网络，如现场总线、工业以太网(Ethernet)等，把TCP/IP引入水厂现场，使Internet延伸到现场设备，利用Web技术实现水厂远程监控、调试、维护和故障诊断等功能，从而建成基于Internet的水厂自动化系统。应用Web技术实现综合自动化功能，是信息时代的要求，也是当前水厂自动化网络发展的主要方向。

1.4.2 控制系统管控一体化

水厂控制系统管控一体化就是要建立一个对生产现场状态的监视和控制，同时还把现场信息和水厂管理信息结合起来的具有水厂控制和企业管理功能的综合自动化系统。一般水厂控制系统网络结构如图1.3 所示：

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。

管控一体化解决方案中的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。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；监控站可以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。

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。现场总线为开放式网络，可实现同类或不同类网络的互连以及网络数据库的共享，打破了传统控制系统的封闭性，使系统的开放性大大增强，既可实现水厂控制网络与其它网的无缝连接，也可把Internet引入水厂自动化，从而建成测控管一体化的综合自动化系统[。

1.5 项目背景

本课题来源于榔梨镇10 万吨水厂自动化系统新建工程。

该水厂分二期建设。首期工程设计供水能力为5 万吨，具体包括：配水池、絮凝池、平流沉淀池、叠合清水池、气水反冲洗滤池、送水泵房、吸水井、投药间等自动化系统工程以及一套视频监控系统。

本人主要负责上述工程软件部分的设计和实施。根据榔梨水厂制水工艺的特点和土建实际，可以将该工程分为自动送水控制系统，滤池控制系统，加药控制系统，取水控制系统等四个主要部分。针对榔梨水厂取水泵房远离送水厂，而送水厂内部各工艺的设备和检测仪表相对集中，控制相对独立的特点，实际采用目前广泛使用的PLC+IPC 集散控制模式。该模式具有分散控制可靠性高的特点，又具有集中控制便于管理的优点。每一个功能控制系统均由一个PLC 进行单独控制，同时又连接到中央控制室的上位机上进行集中控制和管理。

取水泵房设备信号和图像信息通过数传电台送到中央控制室进行控制和显示。厂区内的加矾、加氯、滤池、变频供水系统分别通过光纤连接到上位机，组成水厂内部工业以太网。中控室计算机通过水厂内部局域网连接到水厂上级管理部门，构成水厂主干网。

在各分系统内部采用现场总线进行控制。

滤池控制系统由7 台CJ1M PLC，用欧姆龙公司的controller link 网络结构组成，控制6 个滤池的过滤和反冲洗。6 个滤池的操作相同，一个滤池由一台PLC控制，6 个滤池反冲洗的公共部分：反冲洗水泵、鼓风机和相应的阀门的控制单独采用一台PLC（主PLC，安装有以太网模块）。通过controller link 网络，6台滤池PLC 实现与主PLC 的信息共享，并通过主PLC 将信息传送到水厂中央控制室主机。中央控制室命令也通过主PLC 传送给滤池PLC。

对沉淀池和格栅配水井的控制则是通过Device Net 网络进行的。在控制现场安装有数个DRT2-ID16，DRT2-AD04 模块，负责现场数据的采集。在加药加氯间也装有一个PLC，它除了对加药加氯系统进行控制外，还负责传递沉淀池和格栅配水井的数据到中央控制室。在它上面安装有Device Net 的主站单元，负责从从站读取和传送数据。

在送水泵房有4 台大功率送水泵电机，通过送水PLC 控制ABB 公司的变频器来实现循环变频软启动。该方案不用再配制软启动器，节省了成本。同时采用循环变频的方式，有效的保护了水泵电机。送水泵房的设备，如潜水泵和排风机通过Device Net 网络进行控制，与沉淀池控制类似。上位机监控软件采用美国Wonderware 公司的InTouch 组态软件。数据库采用SQL Server2000，报表系统则用Excel，通过VB 来编写。

1.6 本论文的主要内容及创新点 本论文研究了水厂内部实现自动化的几个主要方面，并针对当前我国大部分水厂只考虑厂内而较少涉及管网的实际情况，提出了一种综合厂内与厂外、水厂与管网的供水系统网络方案，设计了数据采集终端。结合榔梨水厂的工程实例，详细讲解了供水企业生产过程中几个关键部分的自动控制系统构成和自动控制策略，如送水泵站的自动控制、滤池的自动控制、加氯加矾自动控制等，并针对加氯加矾自动控制系统中的问题，提出了一些改进方案。论文章节内容包括：

第1 章 绪论，对国内外供水自动控制系统的组成、现状、发展趋势以及项目背景进行了简要的分析、综述和讨论。

第2 章 主要研究了水厂自动加药控制系统的自动化实现。对自动配矾子系统进行了详细的计算并绘制了流程图。同时对自来水厂采用的几种常规加矾控制方案进行了研究和分析，并针对实际情况提出了改进型自动加矾方案。

第3 章 主要研究了水厂自动加氯控制系统的自动化实现。研究了比例、反馈、复合三种常规的自动加氯控制系统。针对水厂实际情况，将前馈+串级控制系统运用到滤后加氯控制系统中。在实现过程中，应用采样控制理论进行采样控制，并对采样控制进行了仿真研究。

第4 章 主要研究了水厂变频供水的节能原理。简述了恒压供水的节能原理及实现框图；详细推导了变压变量供水的工程模型，对其节能原理进行了深入分析和研究。同时对循环变频软启动技术进行了分析和探讨。

第5 章 对水厂综合自动化系统进行了研究。深入研究了数据采集终端，设计了该数采终端的软硬件图和网络结构图。

第6 章 结合榔梨水厂的工程实际，运用上述理论详述了水厂各个部分自动化的实现。主要有水厂的工艺流程，网络结构，加药加氯自动化，滤池控制系统自动化，变频供水自动化和上位机监控等。本文主要工作及创新点如下：

1．设计了改进型加药控制方案。该方案在前馈中考虑了取水量和浊度对投加量的影响，比只考虑取水量的方案更容易克服浊度扰动，且容易实现。同时该改进方案在流动电流检测仪测量不很准或是出现故障时仍可以进行有效控制。可以避免仪表故障时，要求人工投加的尴尬。

2．针对滤后加氯要求人工设定投加量的情况，提出了增加一级反馈回路进行自动设定的前馈+串级控制方案。该控制方案可以全自动连续调整投加量，实现自动有效投加。在实施的过程中采用了采样控制原理，并进行了仿真研究。

3．分析了变频供水的节能原理，推导了变压变量供水的工程模型，并在榔梨水厂的实际过程中加以运用。

4．设计了水厂管网参数监控系统的网络结构和数据采集终端，对供水系统综 合自动化进行了阐述。

5．对榔梨水厂进行了软件部分的整体设计和实现。包括取水，变压变量供水，过滤，反冲洗，加矾加氯，数据通信，网络构成，上位机监控，报表打印等在内的水厂自动化控制系统。

第2 章 加药控制系统

加药自动控制必须根据水厂特有的源水情况和工艺设施配置情况来选择合适的控制和实现方式。该系统一般由自动配矾子系统和自动加矾子系统组成。前者主要实现矾液的自动配制，后者实现矾液的自动投加。2.1 自动配矾子系统

2.1.1 自动配矾子系统的组成和功能

水厂常配备两个矾池，一用一备。用于投加矾液的池称为工作池，另一个称为备用池，两个矾池均独立运行。池中矾液的配制一般要求在投加前几分钟内启动并完成，称为配矾。在连续加药过程中，备用池配矾的启动是由工作池的配矾液位控制的。

每个矾池均有一个加浓矾阀，用于加入浓矾。一个进水阀，用于稀释浓矾。一个出矾液阀，用于将矾液投加到水池中（用计量泵投加）。为保证矾液的连续供应，在工作池矾液低于停止投加液位设定值时，停止该池的投加，改用备用池投加，于是存在工作池与矾池的切换。以上工作及矾液的配比计算，相应故障诊断报警都是由自动加矾子系统完成。

2.1.2 自动配矾子系统的计算

配矾子系统需要完成两类计算：一是波美度与配比浓度的的换算；二是配矾比计算。

1．波美度与百分比浓度换算

对于矾液来说，一般用波美度来表示浓度，这就要进行浓度换算。一般有如 下公式：

假设某矾液质量百分比浓度为a,其中水的质量为X，矾的质量为Y，则有

2．配矾比计算

配矾其实就是在矾池原矾液基础上，配加一定浓度的高浓度矾液和水，使矾液浓度达到投加要求，以保证加药质量。

因此，配矾比计算实际上就是计算出加浓矾深度和配矾深度。如图2.1 所示。

第二篇：变电站综合自动化通信系统研究

新一代变电站通信系统研究综述

摘要：介绍了变电站自动化系统中通信网络的作用、通信网络的性能要求、网络的结构模式和网络通信体系及报文分类，主要探讨了分层式变电站自动化系统通信网络方案选择和设计过程中需要遵循的原则，给出了电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络的具体方案。

关键字：变电站自动化

;通信技术

;嵌入式以太网

0 引言

随着计算机技术和通信技术的发展，尤其是网络技术的应用，变电站自动化系统在通信技术的推动下发展成为典型的分层分布式结构。该结构一般分为 3层:变电站层、间隔层和过程层。其中, 过程层包含变电站内的生产过程设施, 如变压器、断路器及其辅助接点、电流和电压互感器等, 主要负责现场数据采集、提供 I /O 接口等;间隔层包含测量和控制单元, 负责该单元线路或变压器的参数测量和监控, 断路器的控制和连锁等。变电站层包含全站性的监控主机,通信及控制主机, 实现管理等功能的工程师站[1]。

变电站自动化系统的通信任务一方面是实现站内通信功能, 完成对全站一、二次设备和装置运行情况的数据信息采集和控制命令的传输;另一方面完成与上级调度或集控中心的通信, 向上传送变电站运行的实时信息, 接收和执行上级下达的控制命令。由于数据通信的重要性, 可靠的通信成为系统的技术核心, 加上变电站的特殊环境和系统要求, 对变电站自动化系统的通信提出了以下要求: 快速的实时响应, 即变电站自动化系统要求及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息, 在电力工业标准中对系统都有严格的实时性指标, 网络必须很好地保证数据通信的实时性;高可靠性和抗干扰性, 即变电站内通信环境恶劣, 干扰严重, 网络的故障和非正常工作会影响整个系统的运行。因此, 变电站自动化系统的通信系统必须保证很高的可靠性。

1.通信在变电站综合自动化系统中的作用

通信技术的发展使变电站自动化系统较以往控制模式产生了巨大的变化，由早期集中式微机控制系统发展为分层分布式的系统结构，从而达到：（1）实现变电站无人值班或少人值班。（2）不仅完成变电站遥控、遥调、遥信、遥测的功能，而且主站可以通过通道传送图像信号，实现遥视功能。（3）数据传输更快，实时性更强。（4）系统工作可靠性高，间隔层与变电站层只通过通信网连接，任一层设备故障，不影响其它设备正常运行。（5）灵活性高，网上增加或减少触点非常方便。

由于数据通信在变电站综合自动化系统内的重要性，经济可靠的数据通信成为系统的技术核心，而由于变电站的特殊环境和综合自动化系统的要求，使变电站综合自动化系统内的数据网络具有以下特点和要求：（1）快速的实时响应能力。变电站综合自动化系统的数据网络要及时地传输现场的实时运行信息和操作控制信息，在电力工业标准中对系统的数据传送都有严格的实时性指标，因此网络必须很好地保证数据通信的实时性。（2）很高的抗干扰性能及可靠性。变电站内通信环境恶劣，干扰严重，而电力系统通信网络的故障和非正常工作会影响整个变电站综合自动化系统的运行，因此，变电站综合自动化系统得通信子系统必须保证很高的可靠性[2]。

2.通信网络的性能要求及结构模式

变电站自动化系统通信网络是影响整个系统性能的重要因素。变电站自动化系统对内部信息数据传输的实时性、可靠性要求很高；另外，由于分期建设、设备改造、功能升级等原因，通信网络还必须具备很好的兼容性、开放性和灵活性。在1997年8月国际大电网会议上，WG34.03工作组提出了变电站站内通信网络传输的时间要求：(1)设备层和间隔层之间、间隔层内各设备之间、间隔层各间隔单元之间为100ms；(2)间隔层和变电站层之间为10000ms；(3)变电站层各设备之间、变电站和控制中心之间为1000ms；(4)各层之间的数据流峰值为：设备层和间隔层之间数据流大概为250 kb/s，取决于模拟量的采样速度，间隔层各单元之间数据流约为60 kb/s或130 kb/s，取决于是否采用分布母线保护；间隔层和变电站层之间及其他链路之间数据流大概在100 kb/s及以下。

长期以来变电站自动化的通信较多地采用串行总线，近年来现场总线在变电站自动化通信中的应用取得了巨大的成功。变电站自动化系统的通信网络结构一般是基于以太网／总线的分层的拓扑结构，通信技术主要有RS-422/485、CAN总线、LonWorks网、以太网等。随着计算机和通信技术的进步，系统网络化和体系开放性成为发展的趋势，以太网技术正被引入变电站自动化系统过程层的采集、测量单元和间隔层的保护、控制单元中，构成基于以太网的分层式变电站自动化通信网络系统，尤其是嵌入式以太网技术在电力系统中的应用越来越广泛[3]。

3．网络通信体系及报文分类

IEC TC57 按照变电站自动化系统所要完成的测量、控制和保护三大功能从逻辑上将系统分为3层，即变电站层、间隔层和过程层，并定义了9 种逻辑接口。如下图1 所示：④⑤用于过程层和间隔层之间通信，①③⑥⑨用于间隔层内部及与变电站层的通信，⑧是间隔层之间通信。对于该网络结构，决不是短期内就可以实现的，它需要电力一次、二次设备生产商共同努力才能实现。针对目前的情况，一次设备的智能化虽然已有学者开展研究，但还没有带网络接口的产品出现，所以建议采用两种渐进的方式，首先过程层仍采用硬线连接，而间隔和厂站采用以太网通信，另外可在一次设备和二次设备之间加入智能I/O 单元，来实现接口④⑤[4]。

变电站层①③⑥⑨⑧间隔层间隔层间隔层④⑤④⑤④⑤过程层过程层过程层

图1 基于以太网的变电站自动化系统结构

定义了7 种类型报文，即：快速报文、中速报文、低速报文、原始数据报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文。通过分析和研究，笔者从时域的角度，把上述变电站自动化系统中7 种类型的报文分为3 种类型通信：周期性通信、随机性通信、突发性通信。（1）周期性通信原始数据报文属于周期性通信，主要是过程层通过接口④，周期性地向间隔层传递过程采样数据。根据设定采样频率的不同，传输一般要求在3ms 或10ms 内完成。（2）随机性通信低速报文、文件传输报文、时间同步报文和具有访问控制的命令报文属于随机性通信，这类通信一般符合负指数分布，传送报文的数据量大，但时间稍宽松。（3）突发性通信快速报文、中速报文属于突发性通信，报文数量少，但时限要求高。

4.通信控制器模式

通信控制器模式又称为4层模式，在这种模式中变电站自动化系统的通信网络共分为4个层次：过程层、间隔层、通信控制层、变电站层，如图2所示。在四层结构中，变电站层和通信控制层一般采用以太网通信，过程层和间隔层采用RS-422/485、CAN总线、LonWorks网。这种结构通过通信控制器可以快速实现站内网络通信，成本较低，早期应用非常广泛，目前仍在许多低压变电站和少量220 kV及以上高压变电站当中应用[5]。但是当间隔层设备较多时通信控制器就会成为影响系统性能的瓶颈，虽然可以通过双通信控制器来改善，仍然难以克服通信故障率增加、效率降低等问题。监控机1站控层监控机2 监控机m...远方调度以太网通信控制层值班通信控制器备用通信控制器RS232、RS485或现场总线间隔层智能电子装（IED）...智能电子装置（IED)过程层一次设备

图2通信控制器结构框图

4.1 嵌入式以太网在变电站自动化系统中的应用模式[6] 嵌入式以太网作为变电站自动化系统的内部通信网络, 有2 种应用模式:①每个智能电子装置(IED)配置1个嵌入式以太网接口,每个IED作为一个以太网节点直接连到以太网上;②几个IED通过RS485,MODBUS 或现场总线等方式连在一起,然后用嵌入式以太网接口作为一个以太网节点连到以太网上。从国外的应用情况来看, 这2种应用模式分别以GE 公司的GESA系统和GE-Harris 公司的PowerComm 系统为代表。在选择嵌入式以太网应用模式时, 本文主要考虑了如下因素:①超高压变电站系统的二次系统一般都是基于间隔(bay)设计的;②超高压变电站自动化系统内部通信网的可靠性要求很高, 要求可方便地构成双网结构;③成本问题;④产品向下兼容性问题。基于以上考虑, 本文提出了以太网与LonWork s现场总线相结合的方案。如图3所示。

变电站层后台机工程师站远方机10Mbit/s以太网监控网1 10Mbit/s以太网监控网210Mbit/s以太网录波网 间隔层测量单元1...测量单元n设备层装置11...1间隔层装置1n...装置n1...间隔层n装置nn 图3 以太网与LonWorks 网相结合的系统方案配置

以间隔为单元, 将站内通信网设计为2 层, 间隔以上用10Mbit/s嵌入式以太网构成站内通信的主干网络, 该网络负责后台机、远动机等PC 机和各间隔进行通信。在间隔内部用LonWorks现场总线把各保护装置连在一起。LonWorks网上的信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。测控单元是整个方案的核心和关键。测控单元完成两大功能: 通信功能和测控功能。这种方案实际上将嵌入式以太网与LonWorks现场总线技术相结合, 发挥了各自的优势。底层的各种保护设备可不做任何改动, 保持了产品的向下兼容性。

新型通信网络与CSC2000系统原有网络相比,具有以下一些优点:①网络带宽资源大大增加;②故障录波数据上传速度大大加快;③易于与PC机接口;④易于与广域网相连。

5.通信网络方案选择[7] 网络通信方案是构成变电站自动化系统至关重要的环节，由于变电站的特殊环境和自动化系统的要求，并且受到性能、价格、硬件、软件、用户策略等诸多因素的影响，其通信网络方案的选择很难一概而论，不同类型的变电站对自动化系统的通信网络有不同的要求，变电站自动化系统的网络通信方案选择和设计应遵循下列基本原则：通信网络具有合理的分层式结构；各层之间和层内选择适当的通信方式；高可靠性和快速实时响应能力；优良的电磁兼容性能。基于以上基本原则，给出电压等级和复杂程度不同的变电站自动化系统通信网络方案。

(1)低压变电站通信网络

对于35 kV变电站和110kV的终端变电站可采用RS-422/485的总线结构网络；若规模较大时则应考虑选择CAN总线、LonWorks网等现场总线网络。RS-422/485串口传输速率在1km内可达100kb/s，RS-422为全双工，RS-485为半双工，访问方式为主从问答式。RS-422/485网络的缺点是接点数目较少，不易实现多主冗余，通信有瓶颈问题，还有信号反射、中间节点问题。

(2)中压变电站通信网络

中型枢纽110kV变电站的多主冗余要求和节点数量增加使RS-422/485难以胜任。CAN总线、LonWorks网一般可以胜任。500 m时LonWorks网传输速率可达1 Mb/s，LonWorks网在监测网络节点异常时可使该节点自动脱网，媒介访问方式LonWorks网为载波监听多路访问/冲撞检测(CSMA/CD)方式，内部通信遵循Lon Talk协议，LonWorks网为无源网络，脉冲变压器隔离，抗电磁干扰能力很强，重要信息有优先级。CAN总线是是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，在小于40 m时通信速率可达l Mb/s。

CAN总线的一大特点是废除了传统的站地址编码，而对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络的节点数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，数据段长度最多为8个字节，可满足工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求，8字节不会占用总线时间过长，保证了数据通信的实时性。

(3)高压及超高压变电站通信网络

220kv及以上变电站节点数目多，站内分布成百上千个CPU，数据信息流大，对速率指标要求高(要求速率130kb/s)，现场总线网络的实时性、带宽和时间同步指标会力不从心，应当考虑基于以太网的通信网络。以太网为总线式拓扑结构，采用CSMA/CD介质访问方式，物理层和链路层遵循IEEE802.3协议，应用层采用TCP／IP协议,传输速率高达10Mb/s，可容纳1024个节点，距离可达2.5km。

由以上分析可见，具体采用何种方案应当在遵循有关基本原则的基础上根据变电站的电压等级、具体情况、成本等因素综合考虑。

6.结论

在设计变电站自动化系统通信网络方案的过程中，应遵循变电站自动化系统通信网络设计的基本原则，结合实际情况选择适当的网络结构和通信技术，针对不同电压等级和复杂程度的变电站有着不同的解决方案。在本文中提到基于嵌入式以太网的变电站自动化通信网络。这也是未来发展的趋势，为了实现变电站自动化通信系统更好的开放性、鲁棒性和互操作性，对基于嵌入式以太网的变电站自动化通信网络的优先级和实时性等问题需要重点考虑。

7.文献资料

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第三篇：关于商业银行内部控制的系统研究

关于商业银行内部控制的系统研究

关键词商业银行；内部控制；系统研究

本文试图运用系统论的思想和方法来分析和研究商业银行内部控制中的问题

（一）商业银行内部控制是银行为保护资产防范金融风险增进会计数据的真实性和可信性提高经营效益贯彻执行高层管理者所制定的各项管理政策而在银行内部所采取的组织规则和一系列调节方法与措施商业银行内部控制系统好比人体中的神经系统贯穿渗透到银行经营管理的各个部位它是一个

是由相互作用、相互依赖的两个子系统集合而成的具有特定功能的有机整体商业银行内部控制系统（以下有时简称系统）具有以下特征

一、整体性商业银行内部控制系统是一个合乎规律、由管理控制和会计控制两个子系统及其单元组成的有机整体整体性是系统最基本的属性是研究和分析系统的基本出发点在研究系统时各组成部分简单叠加并不能说明系统的整体性质和功能而是必须了解各组成部分之间的全部内在关系后才能推出整体的运动规律对局部的研究必须放在整体中从和整体的各个部分的联系、制约中去加以研究

二、运动性商业银行内部控制系统时刻处在不断运动之中一方面和外部时刻进行着信息的交换同时系统内部的信息又在不断地变化、不断地流动之中这种不断的运动既是对原平衡态的背离也是其存在的方式系统的运动和控制是分不开的控制和信息又是分不开的商业银行内控系统采取闭环控制方式通过和给定信息（标准和控制目标也是一种信息）的比较当出现偏离信号时系统就会确定它与控制目标的差距及时反馈给有关管理者并按照差距采取措施以消除或减少差距这就是控制可见控制是一种在实际结果偏离标准时所采取的修正行为

三、开放性商业银行内部控制系统是在一定的经济社会环境下产生又在特定的外界环境中存在和发展外界环境发生变化会使以前设置的系统不再适用系统必须和环境相适应也只有适应环境才能生存和发展存在就是合理的思想同样适合商业银行的经营管理它和环境不断进行着信息的交换系统则对信息进行加工转换所以它是一个开放系统从系统的运动性质和对环境的适应性看商业银行内部控制系统是一个耗散结构系统因为它是靠不断“耗散”环境中的信息来达到自我否定自我更新自我发展的

四、层次性商业银行内部控制系统可分四个层次第一层次就是商业银行内部控制母系统第二层次由二个分系统组成它们是管理控制分系统和会计控制分系统第三层次是分

系统下众多的子系统a.管理控制分系统中有各种业务经营组织方案；各种资产收付保管制度和维护制度及同保护资产有关的人员职责规定如现金、重要空白凭、有价单证；与最高层次管理部门在决定交易授权方针时有关的程序和记录等管理控制分系统包括信贷、结算、存款、信用卡、保函和外汇买卖等业务的内控子系统b.会计管理控制分系统有健全的会计组织；为确保会计记录的正确性和可靠性而制定的各种制度、手续和办法；为确保资金正确运用、利润合理分配而制定的计划与程序会计管理分系统包括联行、清算、出纳等业务的内控子系统第四层次是子系统下众多的纵横交错的单元和元素组成子系统的各单元和元素往往也是一个相对独立的控制支系统如存款内控中有存取款帐务控制、挂失控制、事后监督控制等它们之间是按一定方式相互联系、相互作用、相互制约的关系组成系统单元和元素的是业务流水线上的各个业务点稽核人员关心的是控制过程中那些控制点尤其是关键控制点的情况

五、目的性商业银行内部控制系统功能是防范金融风险提高银行的有效经营它的目的就是保证有效地贯彻管理层制定的经营目标和方针；保护银行资产的安全和有效运用

防风险于未然；确保会计记录和财务资料的正确性和可靠性；保持管理和经营工作的高效率

（二）在研究商业银行内部控制系统要素的结构问题时应明确二种系统思想第一、结构决定系统功能的思想系统是一系列相互有关的单元、元素为达到特定的目的而构成的完整综合体结构是构成系统的具体形式；是系统内部各单元的排列组合的方式；是系统性质和数量的集中表现只有依靠结构才能将孤立的众多单元组成一个整体；只有以结构为中介单元的属性与功能才能变为系统的整体功能两个子系统及每个单元的性能虽好但组成子系统的单元、元素结构不合理同样会导致系统整体效能降低；反之既是单元性能不尽完善但结构合理系统也同样可取得良好的性能所以系统的总体效应取决于结构第二、整体大于各部分的简单总和的思想这是两千多年前亚里士多德的著名论点它在现代商业银行内部控制系统中仍有重要的指导意义组成内部控制系统的单元、元素不

是单独地发挥作用孤立地机械地加起来并不能说明系统整体功能而是整体地由许多分支控制系统及其控制点有机地结合起来通过实现控制点的控制目标来实现系统的整体目标

构成商业银行内部控制系统的要素有

一、逻辑上合理的组织结构银行的组织结构是对银行经营进行计划、指挥和控制的组织基础它的基本思路是对不相容职务进行分离其核心是进行合理的职责分工包括经济业务处理的分工即一项业务的全过程不应由一人或一个部门单独处理如信贷业务实行审贷分离来实现权力的制衡；资产记录与保管的分工及各职能部门具有相对独立性

二、有效健全的会计结构包括第一是可靠的内部凭证制度内部凭证的基本要求是种类齐全、内容完整、连续编号种类齐全要求银行一切经济活动都要通过凭证来反映内容

完整要求设计各类凭证式样时不仅能全面反映特定经济业务还要能反映出几个部门共同处理一项业务的情况；连续编号可对已发出号码加以控制银行的重要凭证、有价单证必须采用此种方法来控制第二是完整的簿记制度这是在可靠的内部凭证制度基础上建立账簿和报表制度第三是严格的核对制度包括凭证之间、凭证和账簿、账簿之间、账簿和报表之间的核对做到证、账、表三相符此外还有合理的会计程序科学的预测算制度和盘点制度

三、独立的内部稽核机构内部稽核机构在银行内须保持较大程度的独立性应隶属总行其职能是稽查、复核和评价各分支机构执行指定职责的效率并向总行报告对情况的判定银行稽核部门不应负责执行日常的控制程序也不从事对有关会计事项的日常复核工作而应是提供较高层次的内部控制它的目的不是验证财务报表而是协助行长达成最有效的经营管理

四、用人政策无论内部控制设计得如何完善若没有

称职的人去执行也不能发挥作用有制度而不执行比没有制度更可怕的说法不能说没有一定的道理即使很有效的内部控制也可能因执行人员的错误理解、粗心大意而失灵一旦负有不同职责的职员共谋串通作案也会使内部控制失去效果银行部门的负责人滥用职权对设置的内部控制不置理也会使内部控制形同虚设特别是对高级管理人员的舞弊行为更显得无能为力所以人是商业银行内部控制系统的决定要素银行的用人政策直接影响到内部控制的有效性有效的用人政策通常能弥补内部控制的不足笔者一贯主张作为银行的一分子无论在什么岗位忠诚和少欲是一条基本的要求少欲者适合在银行工作少欲又有才干者方可委以重任厚道又会办事的人可以重用

五、（三）

商业银行内部控制系统通常要贯彻以下基本原则

一、牵制原则表现在各子系统及其单元之间具有相互关联、相互制约的关系基本思路是一项业务的全过程要避免由一个人或一个部门单独处理商业银行的所有业务均可划分为授权、主办、批准、执行、记录和核对六个步骤每一步骤应由一个相对独立的人员或部门来完成任何人和部门都不得在未经其他职员或部门复核和记录的情况下单独进行一项业务这就是所谓的“四眼”原则在这些步骤中各有关人员或部门要各司其职不得混淆如授权与批准必须分开；审批与执行必须分开审批人不得兼执行；执行与记录必须分开执行经济业务和保管实物的人员或部门不得兼管会计记录两者之间要有专人定期核对

二、责任原则商业银行所有业务必须按规定程序和标准进行有关人员要明确各自的权限和应承担的责任没有责任的权力和没有制约的权力一样必然会导致职员滥用职权内控系统就会形同虚设从而达不到预期的效果责任原则的基本要求是奖罚分明对违反规定程序的人必须得到惩罚偏离标准的事必须得到纠正造成损失的要赔偿如信贷内控中一笔款贷出去要明确第一责任人和第二责任人到期收不回来相关责任人要承担相应的经济和法律上的责任

三、协调原则这是由系统的基本特征——整体性决定的由于商业银行内部控制系统不是各部分的简单叠加而是一个有机的整体所以各内控子系统之间要相互照应步调一致围绕一个共同目标去运作商业银行内部控制系统应是相互牵制和相互协调的统一体

四、效益原则即实施某项内控程序的支出应小于因舞弊和错误所造成的可能损失如果建立或实施某项内控系统的成本过大而相对获得的效益较小时此项内控就显得没有意义一般应放弃或重新去设置和实施这项内控商业银行的性质决定了商业银行内控系统必须是低耗高效的系统

第四篇：变电站综合自动化系统研究

变电站综合自动化系统优化设计

刘欣宇

（开滦荆各庄矿业公司

河北唐山

063026）

摘要

随着计算机技术和网络技术的发展，变电站综合自动化技术也得到高速发展。变电站综合自动化技术实际上是利用计算机技术、现代通信技术，对变电站内的二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障滤波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。它的出现为变电站的小型化、智能化、扩大设备的监控范围、提高变电站安全可靠、优质和经济运行提供了现代化的手段和基础保证。它的运用取代了运行工作中的各种人工作业，从而提高了变电站的运行管理水平。

【关键词】

自动化

优化设计

智能化

第一章、绪

论

变电站综合自动化技术实际上是利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术，对变电站内的二次设备（包括继电保护、控制、测量、信号、故障滤波、自动装置及远动装置等）的功能进行重新组合、优化设计，对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，简化了变电站二次接线。1.1发展变电站综合自动化的必要性及意义

变电站作为整个电网中的一个节点，担负着电能传输、分配的监测、控制和管理的任务。变电站的继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础，变电站自动化是电网自动系统的一个重要组成部分。另外，随着电网规模不断扩大，新增大量的发电厂和变电站，使得电网结构日趋复杂，这样就要求各级电网调度值班人员掌握、管理、控制的信息量也大量增长，电网故障处理和恢复却要求更为迅速和准确，发展变电站综合自动化已经是大事所趋，作为变电站自动化系统，它应确保实现以下要求；

（1）实时检测电网故障，尽快隔离故障部分。

（2）采集变电站运行实时信息，对变电站运行进行监视、计量和控制。

（3）采集一次设备运行状态数据，供维护一次设备参考。（4）实现当地后备控制和紧急控制。（5）确保通信要求。1.2变电站综合自动化系统状况

现有的变电站有三种形式：第一种是传统的变电站；第二种是部分实现微机管理、具有一定自动化水平的变电站；第三种是全面微机化的综合自动化变电站。我国是从20世纪60年代开始研制变电站自动化技术，到70年代初，先后研制出了电气集中控制装置和集保护、控制、信号为一体的装置。具有代表性的有：北京四方公司的CSC2000系列综合自动化系统、南京南瑞集团公司的BSJ—2200计算机监控系统、上海惠安PC2000变电站自动化监控系统、南京南瑞继电保护电气有限公司的RCS—9000系列综合自动化系统等。

目前变电站综合自动化技术在我国的应用范围，由电力系统的主干网、城市供电网、农村供电网扩展到企业供电网；其电压等级，由当初的35—110KV变电站，向上扩展到200—500KV变电站，向下延伸到10KV乃至0.4KV配电网络，几乎覆盖到全部供电网络。其技术涉及到自动控制、远动、通信、继电保护、测量、计量、在线监测、信号及控制等二次系统。

第二章、变电站自动化系统设计概述

自1987年我国自行设计、制造的第一个变电站综合自动化系统投入运行以来，变电站综合自动化技术已得到了突飞猛进的发展，结构体系也不断完善，技术日趋成熟。2.1变电站综合自动化的体系结构

变电站综合自动化采用自动控制和计算机技术实现变电站二次 系统的部分或全部功能。为达到这一目的，满足电网运行对变电站的要求，变电站综合自动化系统体系结构如图1所示。

调度控制中心变电站主计算机系统通信控制管理直流电源数据采集系统与控制电气计算自动装置继电保护辅助设施系统电量和非电量检测开关量信号采集操作控制线路保护主变和电容器保护母线保护图1 变电站综合自动化体系结构图

“数据采集和控制”、“继电保护”、“直流电源系统”三大块构成变电站自动化基础。“通信控制管理”是桥梁，联系变电站内部各部分之间、变电站与调度控制中心之间使其相互交换数据。“变电站主计算机系统”对整个综合自动化系统进行协调、管理和控制，并向运行人员提供变电站运行的各种数据、接线图、表格等画面，使运行人员可远方控制断路器分、合闸操作。“通信控制管理”连接系统各部分，负责数据和命令传递，并对这一过程进行协调、管理和控制。2.2变电站综合自动化的结构模式

变电站综合自动化系统的结构模式主要有集中式、集中分布式和分散分布式三种。本次优化设计采用的是分布分散式结构。分布分散式结构系统从逻辑上将变电站自动化系统划分为两层，即变电站层和间隔层。

该系统的主要特点是按照变电站的元件，断路器间隔进行设计。将变电站一个断路器间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化的测控单元完成。测控单元可直接放在断路器柜上或安装在断路器间隔附近，相互之间用光缆或特殊通信电缆连接。这种系统代表了现代变电站自动化技术发展的趋势，大幅度地减少了连接电缆，减少了电缆传送信息的电磁干扰，且具有很高的可靠性，比较好的实现了部分故障不相互影响，方便维护和扩展。分布分散式结构框图如图2所示。

打印机运行工作站以太网电网调度中心操作控制中心通信控制器现场总线保护测控单元1#保护测控单元公用信号单元保护测控单元1#保护测控单元图2 分布分散式系统框图分布分散式结构的主要优点有；

（1）间隔级控制单元的自动化、标准化使系统适用率较高。（2）包含间隔级功能的单元直接定位在变电站的间隔上。（3）逻辑连接到组态指示均可由软件控制。

（4）简化了变电站二次部分的配置，大大缩小了控制室的面积。（5）简化了变电站二次设备之间的连线，节省了大量连接电缆。（6）分布分散式结构可靠性高、组态灵活、检修方便。2.3变电站自动化系统设计所具有的功能

根据实际应用需要，本次所设计的变电站自动化系统具有以下主要功能：

一、监控子系统的功能

监控子系统取代了常规的测量系统，取代针式仪表；改变常规的操作机构和模拟盘，取代常规的告警、报警、中央信号、光字牌等；取代常规的运动装置等等。监控子系统功能有： 1.数据采集

数据采集有两种。一种是变电站原始数据采集。原始数据直接来自一次设备，如：电压互感器、电流互感器的电压和电流信号、变压器温度以及断路器的辅助接点、一次设备状态信号。变电站原始数据包括模拟量和开关量。另一种是变电站自动化系统内部数据交换或采集，典型的如：电能量数据、直流母线电压信号、保护信号等。

2.数据库的建立与维护

监控子系统建立实时数据库，存储并不断更新来自I/O单元及通信接口的全部实时数据；建立历史数据库，存储并定期更新需要保存的历史数据和运行报表数据。3.顺序事件记录及事故追忆

顺序事件记录包括；断路器跳合闸记录，保护及自动装置的动作顺序记录，断路器、隔离开关、接地开关、变压器分接头等操 作顺序记录，模拟输入信号超出正常范围等。事故追忆功能，追忆范围为事故前1分钟到事故后2分钟的所有相关模拟量值，采样周期与实时系统采样周期一致。4.故障记录 5.操作控制功能

变电站运行人员可通过CRT屏幕对断路器、允许远方电动操作操作的隔离开关和接地开关进行分、合操作；对变压器及站用变压器分接头位置进行调节控制；对补偿装置进行投、切控制，为了防止计算机系统故障时无法操作被控设备，在设计时，保留人工直接跳、合闸方式，即操作控制有手动和自动两种控制方式。6.安全监视功能

监控系统在运行过程中，对采集的电流、电压、主变压器温度、频率等量要不断进行超限监视，如发现超限，立刻发出告警，同时记录和显示越限时间和越限值，另外，还监视保护装置是否失电，自控装置是否正常。7.人机联系功能

（1）CRT显示器、鼠标和键盘是人机联系的桥梁。（2）CRT显示画面，实时显示各种技术数据。

（3）输入数据，指输入电流互感器和电压互感器变比、保护定值和越限报警定值、自动控制装置的设定值、运行人员密码等。

8.打印功能 9.在线计算及制表功能 10.运行管理功能

运行管理功能包括：运行操作指导、事故记录检索、在线设备管理、操作票开列、模拟操作、运行记录及交接班记录等。

二、微机保护系统功能

微机保护系统功能是变电站综合自动化系统的最基本、最重要的功能，它包括变电站的主要设备和输电线路的全套保护：高压输电线路保护和后备保护；变压器的主保护、后备保护；母线保护；低压配电线路保护；无功补偿装置保护；所用变压器保护等。

各保护单元，除具备独立、完整的保护功能外，还具有以下附加功能：

1.具有事件记录功能。2.具有与系统对时功能。3.具有存储多种保护定值功能。4.具备就地人机接口功能。5.具备通信功能。6.具备故障自诊断功能。

7.具有满足保护装置的快速性、选择性和灵活性要求。

第三章、变电站自动化系统设计方案

本设计采用RCS—9600系列分布变电站综合自动化系统，此系统是南瑞继保电气有限公司为适应变电站综合自动化的需要，在总结多年从事变电站综合自动化系统开发、研究经验的基础上，运用新 技术、新规约推出的新一代集保护、测控功能于一体的新型变电站自动化系统。实用于高压和超高压等级变电站，满足35—500KV各种电压等级变电站综合自动化需要。3.1 RCS—9600系统构成

RCS—9600综合自动化系统整体分三层，即变电站层、通信层、间隔层，硬件主要由保护测控单元、通信控制单元和后台监控系统组成。其系统结构图如图

3、图4所示

工作站1#打印机1#工作站2#打印机2#以太网通信控制器调度通信现场总线硬件对时通信控制器保护测控单元电流、电压开关信保护测控单元电流、电压开关信保护测控单元电流、电压开关信保护测控单元电流、电压开关信图3 RCS—9600系统结构图1

计算机监控系统打印机五防工作站以太网电网调度中心操作控制中心通信控制器保护测控单元1#保护测控单元公用单元保护测控单元1#保护测控单元图4 9600系统结构图23.2 RCS—9600后台监控系统一、硬件部分

系统结构采用双机配置，其中两个工作站用于变电站实时监控，相互备用。主计算机系统通过两台通信控制器与变电站内的保护、测量相连接，实现变电站数据采集和控制，两台通信控制器互为备用，任一台出现故障，可自动切换，接替故障设备工作。图

3、图4两种配置软硬件平台完全一样。用户可随着变电站规模的扩大，逐步发展扩充原有系统。保护测控单元是硬件的主要部分，保护单元主要有交流插件、CPU插件、继电器出口回路、显示面板和电源及开入插件等模块构成。RCS—9600系列保护测控单元硬件典型结构如图5所示。

通信接口液晶显示面板交流插件板板出口继电器板交流电压 输入交流电流 输入控制电源手动操作去跳合闸线圈电源与开入板直流电源空接点信号输入

图5 保护测控单元硬件结构框图

二、软件部分

软件部分包括WingdowsNT/2000操作系统、数据库、画面编辑和应用软件等几个部分，如图6所示。

数据库生成器前置实时数据库计算数据库 保 护 操作票历史数据库事件库事故追忆库滤波数据库 画 面 画面库报表曲线报警事件事故追忆滤波画面编辑器

图6 监空控系统软件结构图

软件平台为WingdowsNT/2000操作系统，提供数据库ANSI标准SQL接口，适用工业标准的TCP/IP网络构成分布网络结构，采用面向对 象的VC++语言编程，系统具有广泛的实用性和可移植性。三.保护测控单元装置

RCS—9600系列保护测控单元主要有：电源自投保护测控单元、变压器保护测控单元、线路保护测控单元、公用信号测控单元、通信控制单元等组成，完全可以满足整个电网系统的各类保护需要。电源自投保护装置适用于图

7、图8两种连接方式，假定两台主变压器分列运行或一台运行一台备用。

（1）若正常运行时，一台主变压器带两段母线并列运行，另一台备用，采用进线（变压器）备自投；若正常运行时，两段母线分列运行，每台主变压器各带一段母线，两段母线互为备用，采用分段备自投。

（2）若正常运行时，一条进线带两段母线并列运行，采用进线备自投；若正常运行时，两段母线分列运行，每条进线带一段母线，两段母线互为备用，采用分段备自投。

号主变号主变

图7 备自投接线方式1

号进线号进线

图8备自投接线方式2 以上是电源自投保护测控单元控制原理，其他保护单元在此不做详细叙述。

第四章、结 束 语

随着计算机技术、电子技术和网络技术的发展，变电站综合自动化技术将得到更快的发展。未来的变电站自动化系统也将更完善成熟，逐步实现变电站的小型化、智能化、无人职守化、提高变电站安全可靠、优质和经济运行；提高变电站的运行管理水平，更好的服务于社会经济建设。

参考文献

【1】王远章、徐继民等，《变电站综合自动化现场技术与运行维护》.第一版.北京.中国电力出版社、2004.9 【2】郑文波、阳宪惠等，《现场总线技术综述》第一版.北京.机械与电子出版社.1997 【3】胡穗延.《全矿井综合自动化控制系统》，第一版、北京、清华大学出版社、1998 【4】祝龙记、王汝琳等，《变电站分布式智能控制系统》.第一版.北京.工矿自动化.2003 【5】张全元.《工厂供电》.第一版.北京.机械与电子出版社.2003

作者简介：姓名：刘欣宇，性别：男，29岁，荆各庄矿业公司机运队机电副队长，电气助理工程师。

第五篇：隧道施工人员自动化信息管理系统研究

隧道施工人员自动化信息管理系统研究

摘 要 国内外隧道及地下工程技术的发展由于受到对围岩认识的限制，各种安全技术远远落后于隧道施工技术的要求，而隧道的“长、大、深、难”的发展趋向和特点使得隧道施工人员的管理问题越来越突出，实现隧道施工人员自动化信息管理显得尤为重要。TMIGS系统，是一种较全面的隧道施工人员定位与安全管理系统，隧道施工人员远程实时定位系统是通过在隧道内架设传感器，并让施工人员佩戴感应器，进而非常方便地实时确定施工人员在隧道内的具体位置，从而更好地对正在施工的隧道进行管理。本文就隧道施工人员自动化信息管理系统的研究做主要分析。

关键词 隧道 自动化 TMIGS系统 定位 管理。

中图分类号：TU74 文献标识码：A

1隧道施工人员自动化信息管理系统的现状

隧道施工人员自动化信息管理系统主要以程序或者软件开发为核心，目前国内有众多研究人员开展了大量的研发工作，并取得了很多成果，同时也还存在很多有待完善的地方。

信息管理系统研发主要设计系统运行的环境、系统功能的设计、系统的可视化功能和预测分析方法等几个方面，施工检测信息管理的发展可以分为早期替代手工计算的计算机数据计算与分析、采用数据库进行简单管理、以GIS（含WebGIS）技术应用为代表的集成多元信息的可视化管理等几个阶段；程序或者软件应用从早期的DOS环境到当前的Windows等，从单机到网络，从二维可视化到三维空间，可以说，检测信息管理技术的进步与计算机信息技术的发展和应用密不可分。本次着重分析TMIGS系统。TMIGS系统概述

TMIGS系统是集人员定位系统、传感器网络系统以及语音通讯系统一体，由此实现隧道的完全管理。这个系统通过对隧道内移动目标进行非接触式信息采集处理，实现对隧道施工人员等在不同状态下的自动识别从而实现目标的自动化管理的目的，而且系统奋战设备和识别卡采用全新的嵌入式微处理器和嵌入式软件进行设计，并且采用ZigBee技术，可实现可靠的全双工通信，奋战间自动组网，可以采用悠闲无限结合的方式传输数据，系统稳定。这个系统主要有监控室系统和隧道内系统构成。

2.1系统构成

2.1.1隧道内系统

（1）人员识别系统

人员身份自动识别系统，主要应用RFID无线射频技术进行信息的自动识别。RFID是射频识别技术英文（Radio Frequency Identification）的缩写，它是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。而射频识别技术的核心在射频标签，阅读器是根据射频标签的设计而设计的。射频标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多标签识读特征等电学参数之外，还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将射频标签分为无源标签（passive）、半无源标签（semi-passive）和有源标签（active）三种类型，可以根据需求选择射频标签的类型，当下我国隧道形式来看，主要选择半无源标签，而系统识别方式远距离主动识别方式，这样既方便又快捷。在掌子面距离50米左右（保护仪器考虑）的地方设置一个以及隧道入口处设置两个（相距50米），由此保证实时掌控隧道施工人员位置信息。

（2）视频监控系统

视频监控系统，主要用于查看实地情况，也需要在掌子面50米处左右以及隧道入口设置探头，作为辅助系统监控隧道施工人员定位信息。

（3）语音通讯系统

语音通讯系统，佩戴在隧道施工人员身上以便和监控室取得紧急联系和监控室指挥隧道施工人员撤离等。

2.1.2 监控室系统

（1）软件系统

人员定位管理软件的功能：实现对隧道内施工人员的实时跟踪、人员定位信息的采集、分析处理、人员管理、实时显示、数据库存储、报表打印等功能。可进行隧道内施工人员分布查询、单个员工定位查选、考勤记录、员工信息管理等等方便又快捷的系统工作，极大地提高了隧道管理的效率。

（2）网络共享系统

通过射频技术以及视频监控的资料，用电缆传送到局域网内，是远程客户端也可以通过网络实时监控隧道内施工人员信息，进而实现远程监控。

2.2系统特点

信号覆盖强：可根据隧道内实际情况，针对性布置阅读器以及视频探头。

双向短消息：监控室可向隧道内所有人员发出示警消息，施工人员也可紧急呼叫监控室。

安全方便：基站具有备用电池，即使停电也能工作24小时，识别卡内高能电池可工作1年以上，且信号发射功率低，对人和仪器无影响，且还防尘防水防撞击。

稳定性强：系统采用ZigBee技术通信，保证通信正常无干扰。

数据显示：各种考勤统计、施工人员资料等，十分方便。

信息共享：通过网络，实现远程监控。

2.3 系统提高

应该充分运用这个系统，适当增加传感器接口，以完善丰富这个系统的功能。比如：接入温度、湿度、粉尘、CO浓度、压力、应力应变等预警系统，更加完善地使隧道内施工人员的安全得到保证。

参考文献

[1] 李元梅，靖洪文，王文龙.隧道工程施工监测信息管理系统研究现状与发展趋势，中国科技论文在线，2011（11）.