第一篇：現代自來水廠自動化控制系統的研究與實現

現代自來水廠自動化控制系統的研究與實現

第1 章 緒 論

1.1 水廠自控系統簡介

1.1.1 水廠制水工藝流程

各個水廠根據實際情況，其工藝流程千差萬別，設備有增有減，但基本的流程相似，如圖1.1 所示。

圖中主要分為以下幾個工藝過程：

（1）取水：通過多臺大型離心泵將江、河、地表等處的水抽入凈水廠。

（2）藥劑的制備與投加：按工藝要求制備合適的混凝劑，并投入混凝劑及氯氣，達到混凝和消毒的目的。

（3）混凝：包括混合與絮凝，即源水投入混凝劑后進行反應，并排出反應后沉淀的污泥。

（4）平流沉淀：與混凝劑反應后的水低速流過平流沉淀池，以便懸浮顆粒沉淀，并排出沉淀的污泥。

（5）過濾沉淀：水通過顆粒介質（石英砂）以去除其中懸浮雜質使水澄清，并定時反沖洗石英砂。

（6）送水：多臺大型離心泵將自來水以一定的壓力和流量送入供水管網。

1.1.2 水廠自控系統組成

自來水廠的工藝特點是各工藝單元既相對獨立，同時各單元之間又存在一定的聯系。正因為各工藝單元相對獨立，因此通常將整個工藝按控制單元劃分，主要包括：取水泵房自動控制系統、送水泵房自動控制系統、加礬自動控制系統、加氯自動控制系統、格柵配水池控制系統、反應沉淀池控制系統、濾池氣水反沖洗控制系統、配電控制系統、水廠中央控制室自動化調度系統，這些工藝單元內設備相對集中。根據這些特點，自控系統較多采用PLC＋IPC的集散控制系統(DCS)模式。

采用PLC+IPC 系統的水廠自動化控制設計一般采用多主站加多從站結構，能夠較好的滿足國內水廠自動化的監控、保護要求。控制點分布在水廠內不同的位置，采用就近控制原則，在設備集中區分別設置不同的PLC 站對該區域設備進行監控，再通過通訊網絡，各PLC 站之間進行數據通訊，實現整個水廠的自動化控制。在控制單元內，PLC 站實現對該單元內設備的自動控制。這樣的優點是使控制系統更加可靠，當某一控制單元發生故障時不會嚴重影響其它單元的自動運行，同時由于單元內控制設備、檢測儀表就近相連，減少了布線成本。一般根據土建設計，將水廠自動化控制系統按設備位置情況及功能進行組織，分為如下一些控制站點。

（1）中央控制室站點：對整個系統進行監控和調度，同時留有四遙（遙測、遙信、遙調、遙控）系統接口，與上層管理系統進行通訊。（2）配電室控制站點：對高壓及低壓配電系統進行監控。

（3）取水泵房控制站點：取水泵、真空泵、潛污泵及軸流風機等進行監控。（4）送水泵房控制站點：對送水泵、潛污泵等進行監控。

（5）格柵配水池控制站點：對快開排泥閥、格柵液位、格柵除污機、螺旋輸送機等進行監控。

（6）反應沉淀池控制站點：對快開排泥閥、刮泥機進行監控。

（7）濾池公共部分控制站點：對反沖洗公共部分（反沖洗泵、鼓風機、干燥機及相關閥門）進行監控。

（8）濾池控制站點：根據單格濾池數量進行配置，每格濾池一個，對單個濾池設備進行監控。

（9）加礬控制站點：對加礬、自動配礬系統進行監控。（10）加氯控制站點：對加氯系統進行監控。

在實際工程當中，當控制站點較近時，可以將某些站點合在一起，根據功能及控制規模大小，有些站點可以設為從站或遠程站點。例如長沙榔梨水廠自控系統中，根據實際情況，按照功能分為5 大塊：即取水泵房控制系統，加礬、加氯和格柵配水控制系統，濾池及反沖洗設備控制系統，送水泵及設備控制系統，中央控制室等。

1.2 我國自來水廠自動控制的現狀

我國自來水廠的自動化工作起步較晚，但發展很快。從六十年代簡單的水位自動控制發展到七十年代采用熱工儀表和集中巡檢裝置，八十年代以后隨著國家工業水平的整體提高，使水廠進入了大規模的發展年代，特別是隨著外資的引入，大量國外先進的自動化控制技術與設備進入我國，建成了一批全引進的水廠，使我國水廠自動化進程大大加快，自動化水平也快速提高。由于歷史和現實的原因，我國水廠自動化的總體發展水平還不高，發展也不平衡。大中城市水廠，特別是發達地區大型水廠的自動化程度很高，而小城市和城鎮水廠，特別是落后地區小型水廠的自動化程度較低，甚至還是空白。在一些已實現自動化的水廠中，雖然自動化系統和設備與其他行業，如化工、電力等相比并不差，甚至更先進，但是，其功能并未充分發揮出來。有的自控系統從未運行過，一直處于閑置狀態；有的運行一段時間后變為了手動，甚至處于癱瘓狀態，造成了自動化系統和設備的極大浪費。

國內實現水廠自動化控制的方法主要是新建和擴建工程。大型水廠建設項目依靠引進外資和全套技術設備，水廠工藝自動化水平高，但設備和控制系統投資很大。中小水廠自動化的設計、工程服務以國內為主，但系統中關鍵技術和設備仍以引進國外產品為主，在設備選型及工程服務上采取“土洋結合”的辦法。這種“土洋結合”的辦法不但大大降低了水廠在自控系統中的投資，而且實現了工程售后服務的本地化，有利于該行業的長遠發展。

1.3 現代自來水廠自控系統的主要內容

我國水廠自動化控制系統的發展過程可分為三個階段：第一階段是分散控制階段，該時期水廠各部分分別進行自動控制，各獨立系統互不相關；第二階段是水廠綜合自動化階段，在該時期整個水廠作為一個綜合自動化控制系統進行生產，同時各個獨立子系統又可以獨立工作，該系統共享整個水廠的信息，同時又有分散控制的可靠性。現階段大部分水廠處于此階段；第三階段是供水系統的綜合自動化階段，該階段要求在一個區域的供水企業共享信息，實現整個城市或地區供水系統的自動控制。目前我國的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達到了第三階段。在國外，如加拿大、美國等發達國家基本實現了供水系統的全自動化，而且開始進行分質供水，同時對水廠內部的自控系統也在不斷地進行改進和提高。

當前水廠采用的自動控制系統的結構形式，從自控的角度可以劃分為數據采集與監視控制系統系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、集散型控制系統(Distributed Control System，DCS)、IPC+PLC（Industrial PersonalComputer & Programmable Logic Controller）系統，即工業個人計算機與可編程邏

輯控制器構成的系統等。

SCADA 系統組網范圍大，通訊方式靈活，但實時性較低，對大規模和復雜的控制實現較為困難。DCS 系統則采用分級分布式控制，在物理上實現了真正的分散控制，且實時性較好，但應用軟件的編程工作量較大，對開發和維護人員要求較高，開發周期較長。IPC+PLC 系統既可實現分級分布控制，又可實現集中管理分散控制。而且PLC 本身可靠性高，組網、編程和維護很方便，開發周期很短，系統內的配置和調整又非常靈活，可與工業現場信號直接相連，易于實現機電一體化。因此，IPC+PLC 系統成為了當今水廠自動控制系統的主要結構形式。綜合分析國際和國內水廠發展的各個階段的特點以及現有的水廠自動控制系統可知，自來水廠主要的控制技術與核心組成基本相同，主要有水質檢測技術、水處理控制技術、變頻節能技術與綜合自動化系統四個方面，可用圖1.2 描述。

1.3.1 水質檢測技術

水處理中的自動檢測技術，即水質檢測技術是保證供水和排水水質的重要手段，也是指導水處理工藝運行過程的重要依據，隨著自動化技術、機械制造技術等方面的發展，出現了越來越多的新型自動化檢測儀表。

目前使用的水處理自動化儀表包括流量、水位、溫度、壓力儀表以及水質測量分析儀表，如pH測量儀、流動電流檢測儀、漏氯報警儀、余氯分析儀、高低濁度在線檢測儀等。在流量測量方面，除了傳統的電磁流量計外，還出現了大量非接觸式儀表。

水位測量儀表是水處理中另一類使用廣泛的檢測儀表，濾池、清水池、格柵配水井、配礬等處都要用到，主要有差壓式、靜壓式、吹氣式、浮子式、靜電電容式、以及超聲波等類型。

檢測儀表是實現水廠自動化的基礎，在日本等發達國家不僅大面積使用現有成熟儀表外，還不斷開發出新的檢測儀表并發展相關的檢測技術，不斷擴大檢測范圍，提高檢測精度。

1.3.2 水處理控制技術

隨著電子技術、計算機技術以及光電技術等相關學科的發展，近十年來工業自動化在各個方面都發生了深刻的變化，包括自動化感應部件、各種檢測傳感器、變送器、各種間接測量設備、各種執行機構等底層設備，以及自動回路調節器、自動控制單元、各種大小型裝置控制系統乃至綜合優化調度系統等。有關控制系統的研究和應用也一直是現代工業生產的重點工作之一，并且已經在控制理論和自動控制系統水平方面都發生了極大的變化。表1.1 給出了近三十年來水廠自控技術的發展變化。

隨著水處理技術的不斷發展，對于水質指標的控制與水處理效率的要求也在不斷提高。新工藝、新設備的廣泛應用一方面提高了水處理能力，另一方面也對整個系統的控制、協調提出了更加嚴格復雜的要求。常規控制手段已經成為水處理行業中的薄弱環節之一，需要在現有工業自動化已經取得的成果基礎上研究、設計、投用適合于水處理行業的先進控制系統。

由于水處理系統（特別是混凝投藥和加氯控制過程）是一個大遲滯、非線性、時變的復雜系統，系統建模困難，很難控制好。因此各種先進的控制算法不斷提了出來。文獻就設計了一種基于圖像處理的自動加礬系統，文獻則采用智能控制，如神經網絡、模糊控制、遺傳算法等來進行加礬或加氯控制，亦取得了較好的控制效果。

雖然各種先進的控制理論和算法不斷被提了出來，但是在實際的應用過程中，尤其是中小型水廠自動化控制系統中，經典的控制理論仍有著廣泛的應用空間。因此本文在研究水廠自動控制理論方面，側重于經典控制理論及其應用。

1.3.3 變頻節能技術

在水處理行業中，普遍存在著用水量變化較大的問題，在不同的季節、不同的時段，用戶用水的需求量有很大的差別，存在著明顯的用水高峰特征，因此水處理廠供水系統的給水壓力需要隨用戶的用水需求量變化而變化。在低峰時，如果水泵機組按高峰期的用水量運行，雖可通過調節閥門來滿足用水需求，但供水能量損耗大，而且還會影響機組的正常運行。因此，根據用水需求自動控制水泵機組運行，且實現節能，是水廠自動化技術的一項重要內容。變頻調速是一項有效的節能降耗技術，其節電效率很高，幾乎能將因設計冗余和用水量變化而浪費的電能全部節省下來。變頻調速控制技術，是指以變頻調整原理為基礎，在保證供水可靠性的前提下，根據供水系統用水量的變化情況，自動調整水泵工況，使之始終盡可能地在高效區間內運行，以達到降低能耗、提高效率的目的。這一技術是比較科學，可靠性較高的一種調節水泵工況的方式。它具有調速精度高、功率因數高等特點，使用它可以提高產品質量、產量，并降低物料和設備的損耗，同時也能減少機械磨損和噪音，改善車間勞動條件，滿足生產工藝要求。

變頻器是一種以變頻調速技術為基礎通過改變頻率來調整電機轉速的工業裝置。作為一種先進的調速裝置，變頻器不但調速范圍廣、可靠性高、操作與維護方便，而且節電效果明顯。在水處理行業變頻器具有廣闊的發展前景，有關其應用研究也一直得到相關工程領域的重視。

應用變頻器來實現變頻節能供水，可以采用恒壓變量或變壓變量兩種方式來實現。恒壓變量供水系統通過調整變頻器轉速（即供水流量）來保證供水壓力不變，該系統技術比較成熟，應用廣泛。變壓變量供水系統則根據用戶用水量的變化同時調整變頻器轉速（即供水流量）和供水壓力，很明顯該方案節能效果更好。但是由于水頭損失等受各種因素影響，難以準確確定，實際應用的很少[。

1.3.4 供水綜合自動化系統

在市場經濟與信息時代的飛速發展中,企業內部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴大，現代工業企業對生產的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產現場狀態的監視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來。迫切需要建立一個全集成的、開放的、全廠乃至整個供水系統的綜合自動化信息系統，把企業的橫向通信(同一層不同節點的通信)和縱向通信(上、下層之間的通信)緊密聯系在一起，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統。隨著計算機網絡技術的不斷進步，建立一個供水系統的綜合自動化系統成為可能。在現代化的大型水廠中，除了采用先進的設備和控制技術對廠區內部進行有效控制和管理外，還要求實現對一個城市或地區整個供水系統的綜合自動化管理。對自來水公司而言，為了安全、穩定、可靠地管理好遍布全城的供水系統，要有一個滿足企業特點的、現代化的、先進的的企業綜合自動化系統(SAS)。在該系統中，要實現對整個供水系統的現代化企業管理。主要包括社會服務系統，自來水管網地理信息系統（GIS），自動抄表收費系統（AMR）、生產過程數據采集與監控系統（SCADA），辦公自動化系統（OAS），自來水管網優化系統，數據倉庫中心數據管理系統，信息管理中心系統（IMCS）等。在美國和加拿大等發達國家，已經建立了不少現代化的水廠，實現了整個供水系統的自動化。

1.4 水廠自動化發展趨勢

利用改革開放的機遇，通過引進國外的先進技術，經過近10 年的努力，以PLC 為基礎的集散型控制系統已成為當今水工業自動化系統的主流，并具備了一定的技術和物質基礎。

由于信息技術的飛速發展，網絡化、智能化、信息化、管控一體化等概念向自動化領域的滲透，使得自動化系統的體系結構面臨一場深刻的變革，這種變革也必將對水工業自動化產生重大影響。

1.4.1 控制系統的智能化、分散化、網絡化

水廠的智能化包括智能設備、智能控制技術和現場總線技術等幾個主要方面。隨著智能傳感器、變送器、測量儀表、調節器、執行器等智能設備，以及如專家系統、模糊控制、自適應控制及神經網絡等智能控制技術和現場總線技術在水廠中的應用，水廠自動化將會向智能化方向發展[22]。智能設備、智能控制技術很明顯是具有“智能”的。現場總線技術則由于將專用的CPU 置入傳統的測控儀表，使它們各自都具有了數字計算和通信能力，亦即“智能化”。控制系統的分散化和網絡化則主要表現在現場總線的應用上。

現場總線是應用在生產現場的全數字化、實時、雙向、多節點的數字通信系統。采用可進行簡單連接的雙絞線、同軸電纜等作為聯系的紐帶，把掛接在總線上作為網絡節點的多個現場級測控儀表連接成網絡，并按公開、規范的通信協議，使現場測控儀表之間及其與遠程監控計算機之間實現數據傳輸與信息交換，形成多種適應實際需要的控制系統，即所謂“網絡化”；由于這些網上的節點都是具備 智能的可通信產品，因而它所需要的控制信息(如實時測量數據)不采取向PLC 或計算機存取的方式，而可直接從處于同等層上的另一個節點上獲取，在現場總線控制系統(FCS)的環境下，借助其計算和通信能力，在現場就可進行許多復雜計算，形成真正分散在現場的完整的控制系統,提高了系統的自治性和可靠性。在水廠自動化系統中，通過采用開放式網絡，如現場總線、工業以太網(Ethernet)等，把TCP/IP引入水廠現場，使Internet延伸到現場設備，利用Web技術實現水廠遠程監控、調試、維護和故障診斷等功能，從而建成基于Internet的水廠自動化系統。應用Web技術實現綜合自動化功能，是信息時代的要求，也是當前水廠自動化網絡發展的主要方向。

1.4.2 控制系統管控一體化

水廠控制系統管控一體化就是要建立一個對生產現場狀態的監視和控制，同時還把現場信息和水廠管理信息結合起來的具有水廠控制和企業管理功能的綜合自動化系統。一般水廠控制系統網絡結構如圖1.3 所示：

企業信息網絡是管控信息集成的基本條件，沒有信息網絡就不可能實現企業橫向和縱向信息的溝通和匯集，建網的目標在于實現全企業范圍內的信息資源共享，以及與外部世界的信息溝通。

管控一體化解決方案中的企業管理層由各種服務器和客戶機等組成，用于集成企業的各種信息，實現與Internet 的連接，完成管理、決策和商務應用的各種功能。過程監控層由局域網段以及連接在局域網段的擔任監控任務的工作站或控制器組成，現場總線網絡通過現場總線接口與過程監控層相連，或者監控層直接由現場總線來擔當；監控站可以完成對控制系統的組態，執行對控制系統的監控、報警、維護及人機交互等功能。

現場控制層由現場總線設備和控制網段構成，把傳統的集散系統控制站(如水處理企業的PLC分站)的功能分散到了現場總線設備，此時的控制站實際是一個虛擬的控制站。現場總線技術與產品所形成的底層網絡，充分發揮其使測控設備具有通信能力的特點，為控制網絡與通用數據網絡的連接提供了方便。企業信息網絡是管控一體化的基礎，現場總線則為構建管控一體化網絡鋪平了道路。現場總線為開放式網絡，可實現同類或不同類網絡的互連以及網絡數據庫的共享，打破了傳統控制系統的封閉性，使系統的開放性大大增強，既可實現水廠控制網絡與其它網的無縫連接，也可把Internet引入水廠自動化，從而建成測控管一體化的綜合自動化系統[。

1.5 項目背景

本課題來源于榔梨鎮10 萬噸水廠自動化系統新建工程。

該水廠分二期建設。首期工程設計供水能力為5 萬噸，具體包括：配水池、絮凝池、平流沉淀池、疊合清水池、氣水反沖洗濾池、送水泵房、吸水井、投藥間等自動化系統工程以及一套視頻監控系統。

本人主要負責上述工程軟件部分的設計和實施。根據榔梨水廠制水工藝的特點和土建實際，可以將該工程分為自動送水控制系統，濾池控制系統，加藥控制系統，取水控制系統等四個主要部分。針對榔梨水廠取水泵房遠離送水廠，而送水廠內部各工藝的設備和檢測儀表相對集中，控制相對獨立的特點，實際采用目前廣泛使用的PLC+IPC 集散控制模式。該模式具有分散控制可靠性高的特點，又具有集中控制便于管理的優點。每一個功能控制系統均由一個PLC 進行單獨控制，同時又連接到中央控制室的上位機上進行集中控制和管理。

取水泵房設備信號和圖像信息通過數傳電臺送到中央控制室進行控制和顯示。廠區內的加礬、加氯、濾池、變頻供水系統分別通過光纖連接到上位機，組成水廠內部工業以太網。中控室計算機通過水廠內部局域網連接到水廠上級管理部門，構成水廠主干網。

在各分系統內部采用現場總線進行控制。

濾池控制系統由7 臺CJ1M PLC，用歐姆龍公司的controller link 網絡結構組成，控制6 個濾池的過濾和反沖洗。6 個濾池的操作相同，一個濾池由一臺PLC控制，6 個濾池反沖洗的公共部分：反沖洗水泵、鼓風機和相應的閥門的控制單獨采用一臺PLC（主PLC，安裝有以太網模塊）。通過controller link 網絡，6臺濾池PLC 實現與主PLC 的信息共享，并通過主PLC 將信息傳送到水廠中央控制室主機。中央控制室命令也通過主PLC 傳送給濾池PLC。

對沉淀池和格柵配水井的控制則是通過Device Net 網絡進行的。在控制現場安裝有數個DRT2-ID16，DRT2-AD04 模塊，負責現場數據的采集。在加藥加氯間也裝有一個PLC，它除了對加藥加氯系統進行控制外，還負責傳遞沉淀池和格柵配水井的數據到中央控制室。在它上面安裝有Device Net 的主站單元，負責從從站讀取和傳送數據。

在送水泵房有4 臺大功率送水泵電機，通過送水PLC 控制ABB 公司的變頻器來實現循環變頻軟啟動。該方案不用再配制軟啟動器，節省了成本。同時采用循環變頻的方式，有效的保護了水泵電機。送水泵房的設備，如潛水泵和排風機通過Device Net 網絡進行控制，與沉淀池控制類似。上位機監控軟件采用美國Wonderware 公司的InTouch 組態軟件。數據庫采用SQL Server2000，報表系統則用Excel，通過VB 來編寫。

1.6 本論文的主要內容及創新點 本論文研究了水廠內部實現自動化的幾個主要方面，并針對當前我國大部分水廠只考慮廠內而較少涉及管網的實際情況，提出了一種綜合廠內與廠外、水廠與管網的供水系統網絡方案，設計了數據采集終端。結合榔梨水廠的工程實例，詳細講解了供水企業生產過程中幾個關鍵部分的自動控制系統構成和自動控制策略，如送水泵站的自動控制、濾池的自動控制、加氯加礬自動控制等，并針對加氯加礬自動控制系統中的問題，提出了一些改進方案。論文章節內容包括：

第1 章 緒論，對國內外供水自動控制系統的組成、現狀、發展趨勢以及項目背景進行了簡要的分析、綜述和討論。

第2 章 主要研究了水廠自動加藥控制系統的自動化實現。對自動配礬子系統進行了詳細的計算并繪制了流程圖。同時對自來水廠采用的幾種常規加礬控制方案進行了研究和分析，并針對實際情況提出了改進型自動加礬方案。

第3 章 主要研究了水廠自動加氯控制系統的自動化實現。研究了比例、反饋、復合三種常規的自動加氯控制系統。針對水廠實際情況，將前饋+串級控制系統運用到濾后加氯控制系統中。在實現過程中，應用采樣控制理論進行采樣控制，并對采樣控制進行了仿真研究。

第4 章 主要研究了水廠變頻供水的節能原理。簡述了恒壓供水的節能原理及實現框圖；詳細推導了變壓變量供水的工程模型，對其節能原理進行了深入分析和研究。同時對循環變頻軟啟動技術進行了分析和探討。

第5 章 對水廠綜合自動化系統進行了研究。深入研究了數據采集終端，設計了該數采終端的軟硬件圖和網絡結構圖。

第6 章 結合榔梨水廠的工程實際，運用上述理論詳述了水廠各個部分自動化的實現。主要有水廠的工藝流程，網絡結構，加藥加氯自動化，濾池控制系統自動化，變頻供水自動化和上位機監控等。本文主要工作及創新點如下：

1．設計了改進型加藥控制方案。該方案在前饋中考慮了取水量和濁度對投加量的影響，比只考慮取水量的方案更容易克服濁度擾動，且容易實現。同時該改進方案在流動電流檢測儀測量不很準或是出現故障時仍可以進行有效控制。可以避免儀表故障時，要求人工投加的尷尬。

2．針對濾后加氯要求人工設定投加量的情況，提出了增加一級反饋回路進行自動設定的前饋+串級控制方案。該控制方案可以全自動連續調整投加量，實現自動有效投加。在實施的過程中采用了采樣控制原理，并進行了仿真研究。

3．分析了變頻供水的節能原理，推導了變壓變量供水的工程模型，并在榔梨水廠的實際過程中加以運用。

4．設計了水廠管網參數監控系統的網絡結構和數據采集終端，對供水系統綜 合自動化進行了闡述。

5．對榔梨水廠進行了軟件部分的整體設計和實現。包括取水，變壓變量供水，過濾，反沖洗，加礬加氯，數據通信，網絡構成，上位機監控，報表打印等在內的水廠自動化控制系統。

第2 章 加藥控制系統

加藥自動控制必須根據水廠特有的源水情況和工藝設施配置情況來選擇合適的控制和實現方式。該系統一般由自動配礬子系統和自動加礬子系統組成。前者主要實現礬液的自動配制，后者實現礬液的自動投加。2.1 自動配礬子系統

2.1.1 自動配礬子系統的組成和功能

水廠常配備兩個礬池，一用一備。用于投加礬液的池稱為工作池，另一個稱為備用池，兩個礬池均獨立運行。池中礬液的配制一般要求在投加前幾分鐘內啟動并完成，稱為配礬。在連續加藥過程中，備用池配礬的啟動是由工作池的配礬液位控制的。

每個礬池均有一個加濃礬閥，用于加入濃礬。一個進水閥，用于稀釋濃礬。一個出礬液閥，用于將礬液投加到水池中（用計量泵投加）。為保證礬液的連續供應，在工作池礬液低于停止投加液位設定值時，停止該池的投加，改用備用池投加，于是存在工作池與礬池的切換。以上工作及礬液的配比計算，相應故障診斷報警都是由自動加礬子系統完成。

2.1.2 自動配礬子系統的計算

配礬子系統需要完成兩類計算：一是波美度與配比濃度的的換算；二是配礬比計算。

1．波美度與百分比濃度換算

對于礬液來說，一般用波美度來表示濃度，這就要進行濃度換算。一般有如 下公式：

假設某礬液質量百分比濃度為a,其中水的質量為X，礬的質量為Y，則有

2．配礬比計算

配礬其實就是在礬池原礬液基礎上，配加一定濃度的高濃度礬液和水，使礬液濃度達到投加要求，以保證加藥質量。

因此，配礬比計算實際上就是計算出加濃礬深度和配礬深度。如圖2.1 所示。

第二篇：變電站綜合自動化通信系統研究

新一代變電站通信系統研究綜述

摘要：介紹了變電站自動化系統中通信網絡的作用、通信網絡的性能要求、網絡的結構模式和網絡通信體系及報文分類，主要探討了分層式變電站自動化系統通信網絡方案選擇和設計過程中需要遵循的原則，給出了電壓等級和復雜程度不同的變電站自動化系統通信網絡的具體方案。

關鍵字：變電站自動化

;通信技術

;嵌入式以太網

0 引言

隨著計算機技術和通信技術的發展，尤其是網絡技術的應用，變電站自動化系統在通信技術的推動下發展成為典型的分層分布式結構。該結構一般分為 3層:變電站層、間隔層和過程層。其中, 過程層包含變電站內的生產過程設施, 如變壓器、斷路器及其輔助接點、電流和電壓互感器等, 主要負責現場數據采集、提供 I /O 接口等;間隔層包含測量和控制單元, 負責該單元線路或變壓器的參數測量和監控, 斷路器的控制和連鎖等。變電站層包含全站性的監控主機,通信及控制主機, 實現管理等功能的工程師站[1]。

變電站自動化系統的通信任務一方面是實現站內通信功能, 完成對全站一、二次設備和裝置運行情況的數據信息采集和控制命令的傳輸;另一方面完成與上級調度或集控中心的通信, 向上傳送變電站運行的實時信息, 接收和執行上級下達的控制命令。由于數據通信的重要性, 可靠的通信成為系統的技術核心, 加上變電站的特殊環境和系統要求, 對變電站自動化系統的通信提出了以下要求: 快速的實時響應, 即變電站自動化系統要求及時地傳輸現場的實時運行信息和操作控制信息, 在電力工業標準中對系統都有嚴格的實時性指標, 網絡必須很好地保證數據通信的實時性;高可靠性和抗干擾性, 即變電站內通信環境惡劣, 干擾嚴重, 網絡的故障和非正常工作會影響整個系統的運行。因此, 變電站自動化系統的通信系統必須保證很高的可靠性。

1.通信在變電站綜合自動化系統中的作用

通信技術的發展使變電站自動化系統較以往控制模式產生了巨大的變化，由早期集中式微機控制系統發展為分層分布式的系統結構，從而達到：（1）實現變電站無人值班或少人值班。（2）不僅完成變電站遙控、遙調、遙信、遙測的功能，而且主站可以通過通道傳送圖像信號，實現遙視功能。（3）數據傳輸更快，實時性更強。（4）系統工作可靠性高，間隔層與變電站層只通過通信網連接，任一層設備故障，不影響其它設備正常運行。（5）靈活性高，網上增加或減少觸點非常方便。

由于數據通信在變電站綜合自動化系統內的重要性，經濟可靠的數據通信成為系統的技術核心，而由于變電站的特殊環境和綜合自動化系統的要求，使變電站綜合自動化系統內的數據網絡具有以下特點和要求：（1）快速的實時響應能力。變電站綜合自動化系統的數據網絡要及時地傳輸現場的實時運行信息和操作控制信息，在電力工業標準中對系統的數據傳送都有嚴格的實時性指標，因此網絡必須很好地保證數據通信的實時性。（2）很高的抗干擾性能及可靠性。變電站內通信環境惡劣，干擾嚴重，而電力系統通信網絡的故障和非正常工作會影響整個變電站綜合自動化系統的運行，因此，變電站綜合自動化系統得通信子系統必須保證很高的可靠性[2]。

2.通信網絡的性能要求及結構模式

變電站自動化系統通信網絡是影響整個系統性能的重要因素。變電站自動化系統對內部信息數據傳輸的實時性、可靠性要求很高；另外，由于分期建設、設備改造、功能升級等原因，通信網絡還必須具備很好的兼容性、開放性和靈活性。在1997年8月國際大電網會議上，WG34.03工作組提出了變電站站內通信網絡傳輸的時間要求：(1)設備層和間隔層之間、間隔層內各設備之間、間隔層各間隔單元之間為100ms；(2)間隔層和變電站層之間為10000ms；(3)變電站層各設備之間、變電站和控制中心之間為1000ms；(4)各層之間的數據流峰值為：設備層和間隔層之間數據流大概為250 kb/s，取決于模擬量的采樣速度，間隔層各單元之間數據流約為60 kb/s或130 kb/s，取決于是否采用分布母線保護；間隔層和變電站層之間及其他鏈路之間數據流大概在100 kb/s及以下。

長期以來變電站自動化的通信較多地采用串行總線，近年來現場總線在變電站自動化通信中的應用取得了巨大的成功。變電站自動化系統的通信網絡結構一般是基于以太網／總線的分層的拓撲結構，通信技術主要有RS-422/485、CAN總線、LonWorks網、以太網等。隨著計算機和通信技術的進步，系統網絡化和體系開放性成為發展的趨勢，以太網技術正被引入變電站自動化系統過程層的采集、測量單元和間隔層的保護、控制單元中，構成基于以太網的分層式變電站自動化通信網絡系統，尤其是嵌入式以太網技術在電力系統中的應用越來越廣泛[3]。

3．網絡通信體系及報文分類

IEC TC57 按照變電站自動化系統所要完成的測量、控制和保護三大功能從邏輯上將系統分為3層，即變電站層、間隔層和過程層，并定義了9 種邏輯接口。如下圖1 所示：④⑤用于過程層和間隔層之間通信，①③⑥⑨用于間隔層內部及與變電站層的通信，⑧是間隔層之間通信。對于該網絡結構，決不是短期內就可以實現的，它需要電力一次、二次設備生產商共同努力才能實現。針對目前的情況，一次設備的智能化雖然已有學者開展研究，但還沒有帶網絡接口的產品出現，所以建議采用兩種漸進的方式，首先過程層仍采用硬線連接，而間隔和廠站采用以太網通信，另外可在一次設備和二次設備之間加入智能I/O 單元，來實現接口④⑤[4]。

變電站層①③⑥⑨⑧間隔層間隔層間隔層④⑤④⑤④⑤過程層過程層過程層

圖1 基于以太網的變電站自動化系統結構

定義了7 種類型報文，即：快速報文、中速報文、低速報文、原始數據報文、文件傳輸報文、時間同步報文和具有訪問控制的命令報文。通過分析和研究，筆者從時域的角度，把上述變電站自動化系統中7 種類型的報文分為3 種類型通信：周期性通信、隨機性通信、突發性通信。（1）周期性通信原始數據報文屬于周期性通信，主要是過程層通過接口④，周期性地向間隔層傳遞過程采樣數據。根據設定采樣頻率的不同，傳輸一般要求在3ms 或10ms 內完成。（2）隨機性通信低速報文、文件傳輸報文、時間同步報文和具有訪問控制的命令報文屬于隨機性通信，這類通信一般符合負指數分布，傳送報文的數據量大，但時間稍寬松。（3）突發性通信快速報文、中速報文屬于突發性通信，報文數量少，但時限要求高。

4.通信控制器模式

通信控制器模式又稱為4層模式，在這種模式中變電站自動化系統的通信網絡共分為4個層次：過程層、間隔層、通信控制層、變電站層，如圖2所示。在四層結構中，變電站層和通信控制層一般采用以太網通信，過程層和間隔層采用RS-422/485、CAN總線、LonWorks網。這種結構通過通信控制器可以快速實現站內網絡通信，成本較低，早期應用非常廣泛，目前仍在許多低壓變電站和少量220 kV及以上高壓變電站當中應用[5]。但是當間隔層設備較多時通信控制器就會成為影響系統性能的瓶頸，雖然可以通過雙通信控制器來改善，仍然難以克服通信故障率增加、效率降低等問題。監控機1站控層監控機2 監控機m...遠方調度以太網通信控制層值班通信控制器備用通信控制器RS232、RS485或現場總線間隔層智能電子裝（IED）...智能電子裝置（IED)過程層一次設備

圖2通信控制器結構框圖

4.1 嵌入式以太網在變電站自動化系統中的應用模式[6] 嵌入式以太網作為變電站自動化系統的內部通信網絡, 有2 種應用模式:①每個智能電子裝置(IED)配置1個嵌入式以太網接口,每個IED作為一個以太網節點直接連到以太網上;②幾個IED通過RS485,MODBUS 或現場總線等方式連在一起,然后用嵌入式以太網接口作為一個以太網節點連到以太網上。從國外的應用情況來看, 這2種應用模式分別以GE 公司的GESA系統和GE-Harris 公司的PowerComm 系統為代表。在選擇嵌入式以太網應用模式時, 本文主要考慮了如下因素:①超高壓變電站系統的二次系統一般都是基于間隔(bay)設計的;②超高壓變電站自動化系統內部通信網的可靠性要求很高, 要求可方便地構成雙網結構;③成本問題;④產品向下兼容性問題。基于以上考慮, 本文提出了以太網與LonWork s現場總線相結合的方案。如圖3所示。

變電站層后臺機工程師站遠方機10Mbit/s以太網監控網1 10Mbit/s以太網監控網210Mbit/s以太網錄波網 間隔層測量單元1...測量單元n設備層裝置11...1間隔層裝置1n...裝置n1...間隔層n裝置nn 圖3 以太網與LonWorks 網相結合的系統方案配置

以間隔為單元, 將站內通信網設計為2 層, 間隔以上用10Mbit/s嵌入式以太網構成站內通信的主干網絡, 該網絡負責后臺機、遠動機等PC 機和各間隔進行通信。在間隔內部用LonWorks現場總線把各保護裝置連在一起。LonWorks網上的信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網上。測控單元是整個方案的核心和關鍵。測控單元完成兩大功能: 通信功能和測控功能。這種方案實際上將嵌入式以太網與LonWorks現場總線技術相結合, 發揮了各自的優勢。底層的各種保護設備可不做任何改動, 保持了產品的向下兼容性。

新型通信網絡與CSC2000系統原有網絡相比,具有以下一些優點:①網絡帶寬資源大大增加;②故障錄波數據上傳速度大大加快;③易于與PC機接口;④易于與廣域網相連。

5.通信網絡方案選擇[7] 網絡通信方案是構成變電站自動化系統至關重要的環節，由于變電站的特殊環境和自動化系統的要求，并且受到性能、價格、硬件、軟件、用戶策略等諸多因素的影響，其通信網絡方案的選擇很難一概而論，不同類型的變電站對自動化系統的通信網絡有不同的要求，變電站自動化系統的網絡通信方案選擇和設計應遵循下列基本原則：通信網絡具有合理的分層式結構；各層之間和層內選擇適當的通信方式；高可靠性和快速實時響應能力；優良的電磁兼容性能。基于以上基本原則，給出電壓等級和復雜程度不同的變電站自動化系統通信網絡方案。

(1)低壓變電站通信網絡

對于35 kV變電站和110kV的終端變電站可采用RS-422/485的總線結構網絡；若規模較大時則應考慮選擇CAN總線、LonWorks網等現場總線網絡。RS-422/485串口傳輸速率在1km內可達100kb/s，RS-422為全雙工，RS-485為半雙工，訪問方式為主從問答式。RS-422/485網絡的缺點是接點數目較少，不易實現多主冗余，通信有瓶頸問題，還有信號反射、中間節點問題。

(2)中壓變電站通信網絡

中型樞紐110kV變電站的多主冗余要求和節點數量增加使RS-422/485難以勝任。CAN總線、LonWorks網一般可以勝任。500 m時LonWorks網傳輸速率可達1 Mb/s，LonWorks網在監測網絡節點異常時可使該節點自動脫網，媒介訪問方式LonWorks網為載波監聽多路訪問/沖撞檢測(CSMA/CD)方式，內部通信遵循Lon Talk協議，LonWorks網為無源網絡，脈沖變壓器隔離，抗電磁干擾能力很強，重要信息有優先級。CAN總線是是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，在小于40 m時通信速率可達l Mb/s。

CAN總線的一大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡的節點數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，數據段長度最多為8個字節，可滿足工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求，8字節不會占用總線時間過長，保證了數據通信的實時性。

(3)高壓及超高壓變電站通信網絡

220kv及以上變電站節點數目多，站內分布成百上千個CPU，數據信息流大，對速率指標要求高(要求速率130kb/s)，現場總線網絡的實時性、帶寬和時間同步指標會力不從心，應當考慮基于以太網的通信網絡。以太網為總線式拓撲結構，采用CSMA/CD介質訪問方式，物理層和鏈路層遵循IEEE802.3協議，應用層采用TCP／IP協議,傳輸速率高達10Mb/s，可容納1024個節點，距離可達2.5km。

由以上分析可見，具體采用何種方案應當在遵循有關基本原則的基礎上根據變電站的電壓等級、具體情況、成本等因素綜合考慮。

6.結論

在設計變電站自動化系統通信網絡方案的過程中，應遵循變電站自動化系統通信網絡設計的基本原則，結合實際情況選擇適當的網絡結構和通信技術，針對不同電壓等級和復雜程度的變電站有著不同的解決方案。在本文中提到基于嵌入式以太網的變電站自動化通信網絡。這也是未來發展的趨勢，為了實現變電站自動化通信系統更好的開放性、魯棒性和互操作性，對基于嵌入式以太網的變電站自動化通信網絡的優先級和實時性等問題需要重點考慮。

7.文獻資料

[1]王晨皓.現場總線技術及其在變電站自動化中的應用[J].河科學,2004,22(6):859-862.[2]李靜,于文斌.以太網在變電站自動化系統通信中的應用[J].電力自動化設備，2006,7.[3]任雁銘,操豐梅,秦立軍等.基于嵌入式以太網的變電站自動化系統通信網絡[J].電力系統自動化,200l,25(17):36-38．

[4]孫軍平,盛萬興等.新一代變電站自動化網絡通信系統研究[J].中國電機工程學報，2003,3(23):16-19.[5]王海峰,丁杰．對變電站內若干網絡通信問題的探討[J].電網技術,2004,28(24)：65-68,73．

[6]任雁銘,秦立軍,楊奇遜.變電站自動化系統中內部通信網的研究[J].電網技術,2000, 24(5).[7]王飛,劉洪才,潘立冬.分層式結構變電站自動化通信系統研究綜述[J].華北電力大學學報,2007,34(1):22-25.

第三篇：關于商業銀行內部控制的系統研究

關于商業銀行內部控制的系統研究

關鍵詞商業銀行；內部控制；系統研究

本文試圖運用系統論的思想和方法來分析和研究商業銀行內部控制中的問題

（一）商業銀行內部控制是銀行為保護資產防范金融風險增進會計數據的真實性和可信性提高經營效益貫徹執行高層管理者所制定的各項管理政策而在銀行內部所采取的組織規則和一系列調節方法與措施商業銀行內部控制系統好比人體中的神經系統貫穿滲透到銀行經營管理的各個部位它是一個

是由相互作用、相互依賴的兩個子系統集合而成的具有特定功能的有機整體商業銀行內部控制系統（以下有時簡稱系統）具有以下特征

一、整體性商業銀行內部控制系統是一個合乎規律、由管理控制和會計控制兩個子系統及其單元組成的有機整體整體性是系統最基本的屬性是研究和分析系統的基本出發點在研究系統時各組成部分簡單疊加并不能說明系統的整體性質和功能而是必須了解各組成部分之間的全部內在關系后才能推出整體的運動規律對局部的研究必須放在整體中從和整體的各個部分的聯系、制約中去加以研究

二、運動性商業銀行內部控制系統時刻處在不斷運動之中一方面和外部時刻進行著信息的交換同時系統內部的信息又在不斷地變化、不斷地流動之中這種不斷的運動既是對原平衡態的背離也是其存在的方式系統的運動和控制是分不開的控制和信息又是分不開的商業銀行內控系統采取閉環控制方式通過和給定信息（標準和控制目標也是一種信息）的比較當出現偏離信號時系統就會確定它與控制目標的差距及時反饋給有關管理者并按照差距采取措施以消除或減少差距這就是控制可見控制是一種在實際結果偏離標準時所采取的修正行為

三、開放性商業銀行內部控制系統是在一定的經濟社會環境下產生又在特定的外界環境中存在和發展外界環境發生變化會使以前設置的系統不再適用系統必須和環境相適應也只有適應環境才能生存和發展存在就是合理的思想同樣適合商業銀行的經營管理它和環境不斷進行著信息的交換系統則對信息進行加工轉換所以它是一個開放系統從系統的運動性質和對環境的適應性看商業銀行內部控制系統是一個耗散結構系統因為它是靠不斷“耗散”環境中的信息來達到自我否定自我更新自我發展的

四、層次性商業銀行內部控制系統可分四個層次第一層次就是商業銀行內部控制母系統第二層次由二個分系統組成它們是管理控制分系統和會計控制分系統第三層次是分

系統下眾多的子系統a.管理控制分系統中有各種業務經營組織方案；各種資產收付保管制度和維護制度及同保護資產有關的人員職責規定如現金、重要空白憑、有價單證；與最高層次管理部門在決定交易授權方針時有關的程序和記錄等管理控制分系統包括信貸、結算、存款、信用卡、保函和外匯買賣等業務的內控子系統b.會計管理控制分系統有健全的會計組織；為確保會計記錄的正確性和可靠性而制定的各種制度、手續和辦法；為確保資金正確運用、利潤合理分配而制定的計劃與程序會計管理分系統包括聯行、清算、出納等業務的內控子系統第四層次是子系統下眾多的縱橫交錯的單元和元素組成子系統的各單元和元素往往也是一個相對獨立的控制支系統如存款內控中有存取款帳務控制、掛失控制、事后監督控制等它們之間是按一定方式相互聯系、相互作用、相互制約的關系組成系統單元和元素的是業務流水線上的各個業務點稽核人員關心的是控制過程中那些控制點尤其是關鍵控制點的情況

五、目的性商業銀行內部控制系統功能是防范金融風險提高銀行的有效經營它的目的就是保證有效地貫徹管理層制定的經營目標和方針；保護銀行資產的安全和有效運用

防風險于未然；確保會計記錄和財務資料的正確性和可靠性；保持管理和經營工作的高效率

（二）在研究商業銀行內部控制系統要素的結構問題時應明確二種系統思想第一、結構決定系統功能的思想系統是一系列相互有關的單元、元素為達到特定的目的而構成的完整綜合體結構是構成系統的具體形式；是系統內部各單元的排列組合的方式；是系統性質和數量的集中表現只有依靠結構才能將孤立的眾多單元組成一個整體；只有以結構為中介單元的屬性與功能才能變為系統的整體功能兩個子系統及每個單元的性能雖好但組成子系統的單元、元素結構不合理同樣會導致系統整體效能降低；反之既是單元性能不盡完善但結構合理系統也同樣可取得良好的性能所以系統的總體效應取決于結構第二、整體大于各部分的簡單總和的思想這是兩千多年前亞里士多德的著名論點它在現代商業銀行內部控制系統中仍有重要的指導意義組成內部控制系統的單元、元素不

是單獨地發揮作用孤立地機械地加起來并不能說明系統整體功能而是整體地由許多分支控制系統及其控制點有機地結合起來通過實現控制點的控制目標來實現系統的整體目標

構成商業銀行內部控制系統的要素有

一、邏輯上合理的組織結構銀行的組織結構是對銀行經營進行計劃、指揮和控制的組織基礎它的基本思路是對不相容職務進行分離其核心是進行合理的職責分工包括經濟業務處理的分工即一項業務的全過程不應由一人或一個部門單獨處理如信貸業務實行審貸分離來實現權力的制衡；資產記錄與保管的分工及各職能部門具有相對獨立性

二、有效健全的會計結構包括第一是可靠的內部憑證制度內部憑證的基本要求是種類齊全、內容完整、連續編號種類齊全要求銀行一切經濟活動都要通過憑證來反映內容

完整要求設計各類憑證式樣時不僅能全面反映特定經濟業務還要能反映出幾個部門共同處理一項業務的情況；連續編號可對已發出號碼加以控制銀行的重要憑證、有價單證必須采用此種方法來控制第二是完整的簿記制度這是在可靠的內部憑證制度基礎上建立賬簿和報表制度第三是嚴格的核對制度包括憑證之間、憑證和賬簿、賬簿之間、賬簿和報表之間的核對做到證、賬、表三相符此外還有合理的會計程序科學的預測算制度和盤點制度

三、獨立的內部稽核機構內部稽核機構在銀行內須保持較大程度的獨立性應隸屬總行其職能是稽查、復核和評價各分支機構執行指定職責的效率并向總行報告對情況的判定銀行稽核部門不應負責執行日常的控制程序也不從事對有關會計事項的日常復核工作而應是提供較高層次的內部控制它的目的不是驗證財務報表而是協助行長達成最有效的經營管理

四、用人政策無論內部控制設計得如何完善若沒有

稱職的人去執行也不能發揮作用有制度而不執行比沒有制度更可怕的說法不能說沒有一定的道理即使很有效的內部控制也可能因執行人員的錯誤理解、粗心大意而失靈一旦負有不同職責的職員共謀串通作案也會使內部控制失去效果銀行部門的負責人濫用職權對設置的內部控制不置理也會使內部控制形同虛設特別是對高級管理人員的舞弊行為更顯得無能為力所以人是商業銀行內部控制系統的決定要素銀行的用人政策直接影響到內部控制的有效性有效的用人政策通常能彌補內部控制的不足筆者一貫主張作為銀行的一分子無論在什么崗位忠誠和少欲是一條基本的要求少欲者適合在銀行工作少欲又有才干者方可委以重任厚道又會辦事的人可以重用

五、（三）

商業銀行內部控制系統通常要貫徹以下基本原則

一、牽制原則表現在各子系統及其單元之間具有相互關聯、相互制約的關系基本思路是一項業務的全過程要避免由一個人或一個部門單獨處理商業銀行的所有業務均可劃分為授權、主辦、批準、執行、記錄和核對六個步驟每一步驟應由一個相對獨立的人員或部門來完成任何人和部門都不得在未經其他職員或部門復核和記錄的情況下單獨進行一項業務這就是所謂的“四眼”原則在這些步驟中各有關人員或部門要各司其職不得混淆如授權與批準必須分開；審批與執行必須分開審批人不得兼執行；執行與記錄必須分開執行經濟業務和保管實物的人員或部門不得兼管會計記錄兩者之間要有專人定期核對

二、責任原則商業銀行所有業務必須按規定程序和標準進行有關人員要明確各自的權限和應承擔的責任沒有責任的權力和沒有制約的權力一樣必然會導致職員濫用職權內控系統就會形同虛設從而達不到預期的效果責任原則的基本要求是獎罰分明對違反規定程序的人必須得到懲罰偏離標準的事必須得到糾正造成損失的要賠償如信貸內控中一筆款貸出去要明確第一責任人和第二責任人到期收不回來相關責任人要承擔相應的經濟和法律上的責任

三、協調原則這是由系統的基本特征——整體性決定的由于商業銀行內部控制系統不是各部分的簡單疊加而是一個有機的整體所以各內控子系統之間要相互照應步調一致圍繞一個共同目標去運作商業銀行內部控制系統應是相互牽制和相互協調的統一體

四、效益原則即實施某項內控程序的支出應小于因舞弊和錯誤所造成的可能損失如果建立或實施某項內控系統的成本過大而相對獲得的效益較小時此項內控就顯得沒有意義一般應放棄或重新去設置和實施這項內控商業銀行的性質決定了商業銀行內控系統必須是低耗高效的系統

第四篇：變電站綜合自動化系統研究

變電站綜合自動化系統優化設計

劉欣宇

（開灤荊各莊礦業公司

河北唐山

063026）

摘要

隨著計算機技術和網絡技術的發展，變電站綜合自動化技術也得到高速發展。變電站綜合自動化技術實際上是利用計算機技術、現代通信技術，對變電站內的二次設備（包括繼電保護、控制、測量、信號、故障濾波、自動裝置及遠動裝置等）的功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。它的出現為變電站的小型化、智能化、擴大設備的監控范圍、提高變電站安全可靠、優質和經濟運行提供了現代化的手段和基礎保證。它的運用取代了運行工作中的各種人工作業，從而提高了變電站的運行管理水平。

【關鍵詞】

自動化

優化設計

智能化

第一章、緒

論

變電站綜合自動化技術實際上是利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術，對變電站內的二次設備（包括繼電保護、控制、測量、信號、故障濾波、自動裝置及遠動裝置等）的功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。通過變電站綜合自動化系統內各設備間相互交換信息，數據共享，完成變電站運行監視和控制任務。變電站綜合自動化替代了變電站常規二次設備，簡化了變電站二次接線。1.1發展變電站綜合自動化的必要性及意義

變電站作為整個電網中的一個節點，擔負著電能傳輸、分配的監測、控制和管理的任務。變電站的繼電保護、監控自動化系統是保證上述任務完成的基礎，變電站自動化是電網自動系統的一個重要組成部分。另外，隨著電網規模不斷擴大，新增大量的發電廠和變電站，使得電網結構日趨復雜，這樣就要求各級電網調度值班人員掌握、管理、控制的信息量也大量增長，電網故障處理和恢復卻要求更為迅速和準確，發展變電站綜合自動化已經是大事所趨，作為變電站自動化系統，它應確保實現以下要求；

（1）實時檢測電網故障，盡快隔離故障部分。

（2）采集變電站運行實時信息，對變電站運行進行監視、計量和控制。

（3）采集一次設備運行狀態數據，供維護一次設備參考。（4）實現當地后備控制和緊急控制。（5）確保通信要求。1.2變電站綜合自動化系統狀況

現有的變電站有三種形式：第一種是傳統的變電站；第二種是部分實現微機管理、具有一定自動化水平的變電站；第三種是全面微機化的綜合自動化變電站。我國是從20世紀60年代開始研制變電站自動化技術，到70年代初，先后研制出了電氣集中控制裝置和集保護、控制、信號為一體的裝置。具有代表性的有：北京四方公司的CSC2000系列綜合自動化系統、南京南瑞集團公司的BSJ—2200計算機監控系統、上海惠安PC2000變電站自動化監控系統、南京南瑞繼電保護電氣有限公司的RCS—9000系列綜合自動化系統等。

目前變電站綜合自動化技術在我國的應用范圍，由電力系統的主干網、城市供電網、農村供電網擴展到企業供電網；其電壓等級，由當初的35—110KV變電站，向上擴展到200—500KV變電站，向下延伸到10KV乃至0.4KV配電網絡，幾乎覆蓋到全部供電網絡。其技術涉及到自動控制、遠動、通信、繼電保護、測量、計量、在線監測、信號及控制等二次系統。

第二章、變電站自動化系統設計概述

自1987年我國自行設計、制造的第一個變電站綜合自動化系統投入運行以來，變電站綜合自動化技術已得到了突飛猛進的發展，結構體系也不斷完善，技術日趨成熟。2.1變電站綜合自動化的體系結構

變電站綜合自動化采用自動控制和計算機技術實現變電站二次 系統的部分或全部功能。為達到這一目的，滿足電網運行對變電站的要求，變電站綜合自動化系統體系結構如圖1所示。

調度控制中心變電站主計算機系統通信控制管理直流電源數據采集系統與控制電氣計算自動裝置繼電保護輔助設施系統電量和非電量檢測開關量信號采集操作控制線路保護主變和電容器保護母線保護圖1 變電站綜合自動化體系結構圖

“數據采集和控制”、“繼電保護”、“直流電源系統”三大塊構成變電站自動化基礎。“通信控制管理”是橋梁，聯系變電站內部各部分之間、變電站與調度控制中心之間使其相互交換數據。“變電站主計算機系統”對整個綜合自動化系統進行協調、管理和控制，并向運行人員提供變電站運行的各種數據、接線圖、表格等畫面，使運行人員可遠方控制斷路器分、合閘操作。“通信控制管理”連接系統各部分，負責數據和命令傳遞，并對這一過程進行協調、管理和控制。2.2變電站綜合自動化的結構模式

變電站綜合自動化系統的結構模式主要有集中式、集中分布式和分散分布式三種。本次優化設計采用的是分布分散式結構。分布分散式結構系統從邏輯上將變電站自動化系統劃分為兩層，即變電站層和間隔層。

該系統的主要特點是按照變電站的元件，斷路器間隔進行設計。將變電站一個斷路器間隔所需要的全部數據采集、保護和控制等功能集中由一個或幾個智能化的測控單元完成。測控單元可直接放在斷路器柜上或安裝在斷路器間隔附近，相互之間用光纜或特殊通信電纜連接。這種系統代表了現代變電站自動化技術發展的趨勢，大幅度地減少了連接電纜，減少了電纜傳送信息的電磁干擾，且具有很高的可靠性，比較好的實現了部分故障不相互影響，方便維護和擴展。分布分散式結構框圖如圖2所示。

打印機運行工作站以太網電網調度中心操作控制中心通信控制器現場總線保護測控單元1#保護測控單元公用信號單元保護測控單元1#保護測控單元圖2 分布分散式系統框圖分布分散式結構的主要優點有；

（1）間隔級控制單元的自動化、標準化使系統適用率較高。（2）包含間隔級功能的單元直接定位在變電站的間隔上。（3）邏輯連接到組態指示均可由軟件控制。

（4）簡化了變電站二次部分的配置，大大縮小了控制室的面積。（5）簡化了變電站二次設備之間的連線，節省了大量連接電纜。（6）分布分散式結構可靠性高、組態靈活、檢修方便。2.3變電站自動化系統設計所具有的功能

根據實際應用需要，本次所設計的變電站自動化系統具有以下主要功能：

一、監控子系統的功能

監控子系統取代了常規的測量系統，取代針式儀表；改變常規的操作機構和模擬盤，取代常規的告警、報警、中央信號、光字牌等；取代常規的運動裝置等等。監控子系統功能有： 1.數據采集

數據采集有兩種。一種是變電站原始數據采集。原始數據直接來自一次設備，如：電壓互感器、電流互感器的電壓和電流信號、變壓器溫度以及斷路器的輔助接點、一次設備狀態信號。變電站原始數據包括模擬量和開關量。另一種是變電站自動化系統內部數據交換或采集，典型的如：電能量數據、直流母線電壓信號、保護信號等。

2.數據庫的建立與維護

監控子系統建立實時數據庫，存儲并不斷更新來自I/O單元及通信接口的全部實時數據；建立歷史數據庫，存儲并定期更新需要保存的歷史數據和運行報表數據。3.順序事件記錄及事故追憶

順序事件記錄包括；斷路器跳合閘記錄，保護及自動裝置的動作順序記錄，斷路器、隔離開關、接地開關、變壓器分接頭等操 作順序記錄，模擬輸入信號超出正常范圍等。事故追憶功能，追憶范圍為事故前1分鐘到事故后2分鐘的所有相關模擬量值，采樣周期與實時系統采樣周期一致。4.故障記錄 5.操作控制功能

變電站運行人員可通過CRT屏幕對斷路器、允許遠方電動操作操作的隔離開關和接地開關進行分、合操作；對變壓器及站用變壓器分接頭位置進行調節控制；對補償裝置進行投、切控制，為了防止計算機系統故障時無法操作被控設備，在設計時，保留人工直接跳、合閘方式，即操作控制有手動和自動兩種控制方式。6.安全監視功能

監控系統在運行過程中，對采集的電流、電壓、主變壓器溫度、頻率等量要不斷進行超限監視，如發現超限，立刻發出告警，同時記錄和顯示越限時間和越限值，另外，還監視保護裝置是否失電，自控裝置是否正常。7.人機聯系功能

（1）CRT顯示器、鼠標和鍵盤是人機聯系的橋梁。（2）CRT顯示畫面，實時顯示各種技術數據。

（3）輸入數據，指輸入電流互感器和電壓互感器變比、保護定值和越限報警定值、自動控制裝置的設定值、運行人員密碼等。

8.打印功能 9.在線計算及制表功能 10.運行管理功能

運行管理功能包括：運行操作指導、事故記錄檢索、在線設備管理、操作票開列、模擬操作、運行記錄及交接班記錄等。

二、微機保護系統功能

微機保護系統功能是變電站綜合自動化系統的最基本、最重要的功能，它包括變電站的主要設備和輸電線路的全套保護：高壓輸電線路保護和后備保護；變壓器的主保護、后備保護；母線保護；低壓配電線路保護；無功補償裝置保護；所用變壓器保護等。

各保護單元，除具備獨立、完整的保護功能外，還具有以下附加功能：

1.具有事件記錄功能。2.具有與系統對時功能。3.具有存儲多種保護定值功能。4.具備就地人機接口功能。5.具備通信功能。6.具備故障自診斷功能。

7.具有滿足保護裝置的快速性、選擇性和靈活性要求。

第三章、變電站自動化系統設計方案

本設計采用RCS—9600系列分布變電站綜合自動化系統，此系統是南瑞繼保電氣有限公司為適應變電站綜合自動化的需要，在總結多年從事變電站綜合自動化系統開發、研究經驗的基礎上，運用新 技術、新規約推出的新一代集保護、測控功能于一體的新型變電站自動化系統。實用于高壓和超高壓等級變電站，滿足35—500KV各種電壓等級變電站綜合自動化需要。3.1 RCS—9600系統構成

RCS—9600綜合自動化系統整體分三層，即變電站層、通信層、間隔層，硬件主要由保護測控單元、通信控制單元和后臺監控系統組成。其系統結構圖如圖

3、圖4所示

工作站1#打印機1#工作站2#打印機2#以太網通信控制器調度通信現場總線硬件對時通信控制器保護測控單元電流、電壓開關信保護測控單元電流、電壓開關信保護測控單元電流、電壓開關信保護測控單元電流、電壓開關信圖3 RCS—9600系統結構圖1

計算機監控系統打印機五防工作站以太網電網調度中心操作控制中心通信控制器保護測控單元1#保護測控單元公用單元保護測控單元1#保護測控單元圖4 9600系統結構圖23.2 RCS—9600后臺監控系統一、硬件部分

系統結構采用雙機配置，其中兩個工作站用于變電站實時監控，相互備用。主計算機系統通過兩臺通信控制器與變電站內的保護、測量相連接，實現變電站數據采集和控制，兩臺通信控制器互為備用，任一臺出現故障，可自動切換，接替故障設備工作。圖

3、圖4兩種配置軟硬件平臺完全一樣。用戶可隨著變電站規模的擴大，逐步發展擴充原有系統。保護測控單元是硬件的主要部分，保護單元主要有交流插件、CPU插件、繼電器出口回路、顯示面板和電源及開入插件等模塊構成。RCS—9600系列保護測控單元硬件典型結構如圖5所示。

通信接口液晶顯示面板交流插件板板出口繼電器板交流電壓 輸入交流電流 輸入控制電源手動操作去跳合閘線圈電源與開入板直流電源空接點信號輸入

圖5 保護測控單元硬件結構框圖

二、軟件部分

軟件部分包括WingdowsNT/2000操作系統、數據庫、畫面編輯和應用軟件等幾個部分，如圖6所示。

數據庫生成器前置實時數據庫計算數據庫 保 護 操作票歷史數據庫事件庫事故追憶庫濾波數據庫 畫 面 畫面庫報表曲線報警事件事故追憶濾波畫面編輯器

圖6 監空控系統軟件結構圖

軟件平臺為WingdowsNT/2000操作系統，提供數據庫ANSI標準SQL接口，適用工業標準的TCP/IP網絡構成分布網絡結構，采用面向對 象的VC++語言編程，系統具有廣泛的實用性和可移植性。三.保護測控單元裝置

RCS—9600系列保護測控單元主要有：電源自投保護測控單元、變壓器保護測控單元、線路保護測控單元、公用信號測控單元、通信控制單元等組成，完全可以滿足整個電網系統的各類保護需要。電源自投保護裝置適用于圖

7、圖8兩種連接方式，假定兩臺主變壓器分列運行或一臺運行一臺備用。

（1）若正常運行時，一臺主變壓器帶兩段母線并列運行，另一臺備用，采用進線（變壓器）備自投；若正常運行時，兩段母線分列運行，每臺主變壓器各帶一段母線，兩段母線互為備用，采用分段備自投。

（2）若正常運行時，一條進線帶兩段母線并列運行，采用進線備自投；若正常運行時，兩段母線分列運行，每條進線帶一段母線，兩段母線互為備用，采用分段備自投。

號主變號主變

圖7 備自投接線方式1

號進線號進線

圖8備自投接線方式2 以上是電源自投保護測控單元控制原理，其他保護單元在此不做詳細敘述。

第四章、結 束 語

隨著計算機技術、電子技術和網絡技術的發展，變電站綜合自動化技術將得到更快的發展。未來的變電站自動化系統也將更完善成熟，逐步實現變電站的小型化、智能化、無人職守化、提高變電站安全可靠、優質和經濟運行；提高變電站的運行管理水平，更好的服務于社會經濟建設。

參考文獻

【1】王遠章、徐繼民等，《變電站綜合自動化現場技術與運行維護》.第一版.北京.中國電力出版社、2004.9 【2】鄭文波、陽憲惠等，《現場總線技術綜述》第一版.北京.機械與電子出版社.1997 【3】胡穗延.《全礦井綜合自動化控制系統》，第一版、北京、清華大學出版社、1998 【4】祝龍記、王汝琳等，《變電站分布式智能控制系統》.第一版.北京.工礦自動化.2003 【5】張全元.《工廠供電》.第一版.北京.機械與電子出版社.2003

作者簡介：姓名：劉欣宇，性別：男，29歲，荊各莊礦業公司機運隊機電副隊長，電氣助理工程師。

第五篇：隧道施工人員自動化信息管理系統研究

隧道施工人員自動化信息管理系統研究

摘 要 國內外隧道及地下工程技術的發展由于受到對圍巖認識的限制，各種安全技術遠遠落后于隧道施工技術的要求，而隧道的“長、大、深、難”的發展趨向和特點使得隧道施工人員的管理問題越來越突出，實現隧道施工人員自動化信息管理顯得尤為重要。TMIGS系統，是一種較全面的隧道施工人員定位與安全管理系統，隧道施工人員遠程實時定位系統是通過在隧道內架設傳感器，并讓施工人員佩戴感應器，進而非常方便地實時確定施工人員在隧道內的具體位置，從而更好地對正在施工的隧道進行管理。本文就隧道施工人員自動化信息管理系統的研究做主要分析。

關鍵詞 隧道 自動化 TMIGS系統 定位 管理。

中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A

1隧道施工人員自動化信息管理系統的現狀

隧道施工人員自動化信息管理系統主要以程序或者軟件開發為核心，目前國內有眾多研究人員開展了大量的研發工作，并取得了很多成果，同時也還存在很多有待完善的地方。

信息管理系統研發主要設計系統運行的環境、系統功能的設計、系統的可視化功能和預測分析方法等幾個方面，施工檢測信息管理的發展可以分為早期替代手工計算的計算機數據計算與分析、采用數據庫進行簡單管理、以GIS（含WebGIS）技術應用為代表的集成多元信息的可視化管理等幾個階段；程序或者軟件應用從早期的DOS環境到當前的Windows等，從單機到網絡，從二維可視化到三維空間，可以說，檢測信息管理技術的進步與計算機信息技術的發展和應用密不可分。本次著重分析TMIGS系統。TMIGS系統概述

TMIGS系統是集人員定位系統、傳感器網絡系統以及語音通訊系統一體，由此實現隧道的完全管理。這個系統通過對隧道內移動目標進行非接觸式信息采集處理，實現對隧道施工人員等在不同狀態下的自動識別從而實現目標的自動化管理的目的，而且系統奮戰設備和識別卡采用全新的嵌入式微處理器和嵌入式軟件進行設計，并且采用ZigBee技術，可實現可靠的全雙工通信，奮戰間自動組網，可以采用悠閑無限結合的方式傳輸數據，系統穩定。這個系統主要有監控室系統和隧道內系統構成。

2.1系統構成

2.1.1隧道內系統

（1）人員識別系統

人員身份自動識別系統，主要應用RFID無線射頻技術進行信息的自動識別。RFID是射頻識別技術英文（Radio Frequency Identification）的縮寫，它是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。而射頻識別技術的核心在射頻標簽，閱讀器是根據射頻標簽的設計而設計的。射頻標簽除了具有數據存貯量、數據傳輸速率、工作頻率、多標簽識讀特征等電學參數之外，還根據其內部是否需要加裝電池及電池供電的作用而將射頻標簽分為無源標簽（passive）、半無源標簽（semi-passive）和有源標簽（active）三種類型，可以根據需求選擇射頻標簽的類型，當下我國隧道形式來看，主要選擇半無源標簽，而系統識別方式遠距離主動識別方式，這樣既方便又快捷。在掌子面距離50米左右（保護儀器考慮）的地方設置一個以及隧道入口處設置兩個（相距50米），由此保證實時掌控隧道施工人員位置信息。

（2）視頻監控系統

視頻監控系統，主要用于查看實地情況，也需要在掌子面50米處左右以及隧道入口設置探頭，作為輔助系統監控隧道施工人員定位信息。

（3）語音通訊系統

語音通訊系統，佩戴在隧道施工人員身上以便和監控室取得緊急聯系和監控室指揮隧道施工人員撤離等。

2.1.2 監控室系統

（1）軟件系統

人員定位管理軟件的功能：實現對隧道內施工人員的實時跟蹤、人員定位信息的采集、分析處理、人員管理、實時顯示、數據庫存儲、報表打印等功能。可進行隧道內施工人員分布查詢、單個員工定位查選、考勤記錄、員工信息管理等等方便又快捷的系統工作，極大地提高了隧道管理的效率。

（2）網絡共享系統

通過射頻技術以及視頻監控的資料，用電纜傳送到局域網內，是遠程客戶端也可以通過網絡實時監控隧道內施工人員信息，進而實現遠程監控。

2.2系統特點

信號覆蓋強：可根據隧道內實際情況，針對性布置閱讀器以及視頻探頭。

雙向短消息：監控室可向隧道內所有人員發出示警消息，施工人員也可緊急呼叫監控室。

安全方便：基站具有備用電池，即使停電也能工作24小時，識別卡內高能電池可工作1年以上，且信號發射功率低，對人和儀器無影響，且還防塵防水防撞擊。

穩定性強：系統采用ZigBee技術通信，保證通信正常無干擾。

數據顯示：各種考勤統計、施工人員資料等，十分方便。

信息共享：通過網絡，實現遠程監控。

2.3 系統提高

應該充分運用這個系統，適當增加傳感器接口，以完善豐富這個系統的功能。比如：接入溫度、濕度、粉塵、CO濃度、壓力、應力應變等預警系統，更加完善地使隧道內施工人員的安全得到保證。

參考文獻

[1] 李元梅，靖洪文，王文龍.隧道工程施工監測信息管理系統研究現狀與發展趨勢，中國科技論文在線，2011（11）.