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★北京市自來水集團有限責任公司亦莊水廠張蒙，趙洋洋

★北京亞控科技發(fā)展有限公司王天爍，荊文科，李澤浩

亦莊水廠是北京市東南部地區(qū)重要的現(xiàn)代化水廠，由北京市自來水集團負責建設(shè)和運營，是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分，一期規(guī)模50萬噸/日，旨在解決亦莊新城及北京東南部地區(qū)快速增長的用水需求，同時減少地下水開采，保障供水安全與水質(zhì)。亦莊水廠能源管理平臺主要負責對廠內(nèi)配電設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行匯總采集、分析，滿足管理者對能耗相關(guān)設(shè)備的遠程管控需求，提高工作效率，實現(xiàn)水廠少人化值守，能耗管理優(yōu)化等目標。

亞控科技成立于1997年，總部位于北京，是國內(nèi)領(lǐng)先的工業(yè)自動化和信息化軟件企業(yè)。公司專注于國產(chǎn)工業(yè)軟件的研發(fā)、營銷和服務，在國內(nèi)外多地設(shè)有分支機構(gòu)和研發(fā)中心。其產(chǎn)品包括數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控軟件、實時數(shù)據(jù)庫、管控一體化平臺等，廣泛應用于汽車、電子、能源、化工等多個行業(yè)。作為國內(nèi)SCADA領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)，亞控科技的國內(nèi)市場占有率位居第一，其核心產(chǎn)品KingSCADA4.0是一款自主研發(fā)的高端跨平臺組態(tài)軟件，支持多種功能和分布式部署，適用于多種工業(yè)場景，已廣泛應用于5000余個現(xiàn)場，助力國家工業(yè)安全和智能化發(fā)展。

1　項目背景

21世紀以來，網(wǎng)絡安全與工業(yè)控制系統(tǒng)安全事件持續(xù)增長，比如2020年以色列水利設(shè)施SCADA系統(tǒng)被網(wǎng)絡攻擊導致癱瘓，同年伊朗天然氣公司因感染勒索病毒被迫關(guān)閉設(shè)施兩天。在這樣的時代背景下，工業(yè)安全與信息安全越來越受國家重視，自主可控工業(yè)軟件的應用與創(chuàng)新也成為國家新的戰(zhàn)略發(fā)展目標。而隨著近些年來國產(chǎn)操作系統(tǒng)與國產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展及成熟，傳統(tǒng)Windows下的工業(yè)監(jiān)控軟件已經(jīng)不能滿足很多公司的發(fā)展需求。亦莊水廠為積極響應國家信創(chuàng)改造政策，同時提升供水廠的能耗管理水平、降低水廠非必要能耗及碳排放量選擇使用KingSCADA4.0建設(shè)廠區(qū)綠色能源管理平臺。

北京市自來水集團聯(lián)合亞控科技根據(jù)亦莊水廠現(xiàn)有系統(tǒng)功能以及廠內(nèi)調(diào)度管理人員針對配電室能耗管理部分的新需求進行了實地考察調(diào)研，基于KingSCADA4.0跨系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺設(shè)計出底層數(shù)據(jù)采集、駕駛艙展示、設(shè)備運行管理、能耗管理、生產(chǎn)報表管理、報警管理、用戶管理等系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)廠區(qū)針對綠色能源管理系統(tǒng)的能源消耗監(jiān)測與分析、能效優(yōu)化、預測與調(diào)度、故障預警、自動化控制、碳排放管理、設(shè)備健康管理、遠程運維、決策支持、合規(guī)與審計等功能，最終不僅幫助亦莊水廠提高能源使用效率，降低成本，還能促進環(huán)境友好型生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。通過實施綠色能源管理平臺解決方案，亦莊水廠可以實現(xiàn)更加精細化、智能化的能源管理。

2　項目建設(shè)應用

2.1　建設(shè)方案

亦莊水廠綠色能源管理平臺平臺利用感知層數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和展示，實現(xiàn)各水廠生產(chǎn)工藝畫面與超限告警；匯總生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，形成日常運行管理圖表，方便調(diào)度人員總結(jié)與分析；通過設(shè)備模型算法分析實現(xiàn)設(shè)備效率、綜合能耗、單耗計算處理以及單耗排名功能，助力管理層高效決策。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知執(zhí)行控制層：感知層設(shè)備主要包括各水廠及其他設(shè)施的在線儀器儀表、生產(chǎn)設(shè)備、控制系統(tǒng)等，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)架的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)傳輸交互層：通過強大的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，在不影響各設(shè)施生產(chǎn)運行的前提下，進行多種通信接口、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)自動采集各種PLC和驅(qū)動器的生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，并建立與各類PLC、驅(qū)動器間的數(shù)據(jù)通訊。同時為打破國外平臺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上位數(shù)量的限制選擇使用ModbusTCPTrans工具進行跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

廠級管理應用層：根據(jù)水廠各部門業(yè)務需求開發(fā)指定功能，涵蓋數(shù)據(jù)可視化展示、設(shè)備能耗單耗統(tǒng)計、基礎(chǔ)信息管理及歷史數(shù)據(jù)庫等功能。為運營管理工作提供了大量的生產(chǎn)決策數(shù)據(jù)依據(jù)，通過深入挖掘各類數(shù)據(jù)間的關(guān)系，利用駕駛艙、一張圖和管理分析工具，幫助集團建立基于物聯(lián)網(wǎng)的水廠能耗運營管理體系。

2.2　功能應用

2.2.1駕駛艙展示模塊

旨在提供清晰、直觀的實時監(jiān)控信息，以便于操作人員及時掌握設(shè)備實時運行狀態(tài)和整體能耗情況。

左側(cè)邊欄展示包括本日水量、電量、單耗、綜合能耗、水泵效率等數(shù)據(jù)。

中部展示各配電室分布位置情況及低壓部分進線柜實時功率、有功電度情況；高壓配電室展示當前設(shè)備運行情況及運行中的設(shè)備實時效率。點擊右下角詳情可跳轉(zhuǎn)至對應配電室詳情畫面。

右側(cè)邊欄展示當前運行設(shè)備名稱、調(diào)度號以及今日單耗；環(huán)形圖展示各配水泵水量統(tǒng)計和電度統(tǒng)計。

圖2 駕駛艙

2.2.2　配電室詳情頁面——高壓

高壓一次圖提供高壓配水泵房、提升泵房總變配電室系統(tǒng)圖總覽界面；用戶可點擊對應配電室名稱及設(shè)備編號進行畫面跳轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)圖通過關(guān)聯(lián)實際變量動態(tài)展示電力系統(tǒng)各單元遠程、就地控制情況及閘門狀態(tài)；下方展示各單元實時電力數(shù)據(jù)，包括電流數(shù)據(jù)（A相電流、B相電流、C相電流），電壓數(shù)據(jù)（AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓），功率數(shù)據(jù)（有功功率、無功功率、功率因數(shù)），頻率，有功電度。

圖3 配電室詳情——高壓

2.2.3　配電室詳情頁面——低壓

提供低壓配水車間、廠前區(qū)配電室、提升低壓室、濾池配電室系統(tǒng)圖總覽界面。

系統(tǒng)圖下方主要展示各低壓配電室進線柜的電力數(shù)據(jù)，包含電流數(shù)據(jù)（A相電流、B相電流、C相電流），電壓數(shù)據(jù)（AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓），功率數(shù)據(jù)（有功功率、無功功率、功率因數(shù)），頻率，有功電度。

點擊每個抽屜即可在對應位置彈出詳情畫面，包括實時電力參數(shù)展示及歷史曲線查詢，點擊參數(shù)實時值即可將該參數(shù)曲線添加至右側(cè)趨勢圖中，再次點擊即可刪除曲線。

圖4 配電室詳情——低壓

2.2.4　能耗排名模塊

提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)顯示界面，直觀展示歷史、實時數(shù)據(jù)和排名。

設(shè)備能耗排名是一種衡量和比較不同設(shè)備在使用過程中能源消耗效率的方法。為了提高水廠的運營效率和降低能耗成本，綠色能源管理管理系統(tǒng)對水廠內(nèi)所有水泵的能耗進行了詳細分析和排名。

單位能耗=總能耗/總流量；

總能耗=水泵功率×運行時間；

總流量=水泵在該周期內(nèi)的總供水量；

上小時耗電量=SCADA系統(tǒng)存儲歷史數(shù)據(jù)中本小時零分時刻值與上一小時零分時刻值的差值。

2.2.5　信息管理模塊——實時

提供實時報警窗展示界面展示系統(tǒng)當前存在的實時報警信息，字段包含報警時間、變量名稱、超限值、限值、報警類型、備注等；不同報警類型及事件類型信息使用不同顏色的背景進行區(qū)分。

右擊報警信息可選擇確認當前報警、確認所有報警。

點擊限值設(shè)定按鈕可跳轉(zhuǎn)至動態(tài)修改限值界面，點擊歷史信息按鈕可切換歷史模式進行查詢。

圖5 實時報警

2.2.6　信息管理模塊——歷史

提供歷史報警窗展示界面展示系統(tǒng)產(chǎn)生過的報警信息，字段包含報警時間、變量名稱、超限值、限值、報警類型、備注等；不同報警類型及事件類型信息使用不同顏色的背景進行區(qū)分。

支持用戶選擇提示組及報警類型進行過濾篩選，修改起始時間及終止時間時會觸發(fā)查詢操作。

圖6 歷史報警

2.2.7　報警限值修改模塊

針對高壓配水泵房提升泵房的重點監(jiān)測數(shù)據(jù)提供手動修改報警限值的界面，包括超高限、高限、低限和超低限，以便及時監(jiān)控和響應潛在的能耗異常，提高設(shè)備管理和能耗監(jiān)控效率。

單擊限值文本即可彈出限值輸入框進行限值修改。

點擊右下方翻頁符號可進行翻頁，由于需要配置報警的變量數(shù)量較多，第三頁為自定義變量報警配置頁面。

圖7 報警限值修改

2.2.8　自定義報警模塊

由于系統(tǒng)報警變量數(shù)量較多，限值多變不適用于在同一頁面上進行限值修改。所以開發(fā)自定義報警啟用頁面。

自定義模擬量報警：手動輸入變量名，枚舉出當前變量的報警限值設(shè)置，如果沒有則輸入框顯示空白。手動修改報警限值后點擊啟用報警，即可啟用該變量的模擬量報警并生效最新設(shè)置的限值；點擊禁用報警，則禁用該變量報警信息。

自定義離散量報警：輸入變量名，后面自動獲取當前變量為true報警還是false報警，如果沒有則不顯示。

圖8 自定義報警

2.2.9　趨勢曲線模塊

提供曲線查詢展示界面，實時模式下雙擊樹狀圖節(jié)點或單擊樹狀圖節(jié)點再點擊添加按鈕可添加對應曲線，最多支持同時展示6條曲線進行對比分析。點擊右上角曲線圖例區(qū)前的復選框可顯示或隱藏對應曲線。

點擊左上角切換至歷史模式，用戶可根據(jù)選定的起止時間來查詢相應的歷史數(shù)據(jù)。

曲線功能旨在通過直觀的曲線圖展示高壓和低壓參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，幫助用戶快速分析和監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖9 趨勢曲線

2.2.10　報表管理模塊

提供實時數(shù)據(jù)報表、日報表、月報表畫面，實時報表展示不同水泵實時電量、水量、單耗數(shù)據(jù)。

日報表查詢界面用戶可通過下拉框選擇指定的日報模板，選擇指定查詢?nèi)掌诤簏c擊查詢按鈕即可查詢對應的日報數(shù)據(jù)。月報表查詢界面選擇指定月份點擊查詢按鈕可以查詢指定月份水量電量、高時水量、高日水量、高日電量產(chǎn)生日期及時間等信息。

提供報表打印及打印預覽功能，點擊打印預覽按鈕即可彈出系統(tǒng)打印設(shè)置界面，支持用戶調(diào)整紙張方向、適應紙張大小、分頁、打印等功能。

點擊打印按鈕即可將報表保存為pdf文件，再使用服務器適配打印機進行報表打印。

圖10 報表管理

2.2.11　設(shè)備管理模塊

提供一個基于各水泵小時單耗趨勢圖表分析界面；

主要是用來展示各設(shè)備水量數(shù)據(jù)對應總能耗、分單耗的數(shù)據(jù)分析。設(shè)備管理模塊旨在采用可視化圖表展示（柱狀圖、餅圖），幫助用戶直觀理解能耗趨勢與變化。

【環(huán)形圖】直觀展示配電系統(tǒng)中配水泵、提升泵各個設(shè)備的本年分單耗占比。鼠標懸停或點擊環(huán)形圖的各個部分，查看每個設(shè)備的具體能耗數(shù)據(jù)。

【柱狀圖】展示配電系統(tǒng)高壓配水泵房和提升泵房總變配電室中各設(shè)備的分單耗，不同顏色不同圖例分別對比今年和去年的數(shù)據(jù)。

圖11 設(shè)備管理

2.2.12　用戶管理模塊

用戶管理模塊支持用戶在線編輯系統(tǒng)用戶信息，包括新增、刪除、修改用戶密碼等功能。

填寫左側(cè)用戶信息點擊創(chuàng)建用戶按鈕即可新增指定用戶。輸入用戶名點擊刪除用戶按鈕即可刪除指定用戶。

點擊用戶管理按鈕即可彈出系統(tǒng)用戶總覽界面，在此管理系統(tǒng)所有角色及用戶信息。

圖12 用戶管理

3　項目創(chuàng)新性

3.1　技術(shù)創(chuàng)新性

本次能源管理平臺建設(shè)方案由自來水集團各位專家及亦莊水廠運維人員全程跟進，初期設(shè)計、硬件選型、網(wǎng)絡架構(gòu)規(guī)劃均根據(jù)水廠工藝流程、生產(chǎn)業(yè)務需要、現(xiàn)有算法模型來進行一體化設(shè)計，把握水廠實際生產(chǎn)業(yè)務的關(guān)鍵指標并融合針對配水、提升泵房的智能調(diào)頻算法，最終形成一套完善的能耗數(shù)據(jù)賦能管理平臺體系。

KingSCADA 4.0平臺采用RPC分布式網(wǎng)絡架構(gòu)，網(wǎng)絡上的每一個節(jié)點都是一個SCADA運行系統(tǒng)，可以跨平臺部署，根據(jù)工程的網(wǎng)絡配置，執(zhí)行不同的功能任務。運行系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是一個分層結(jié)構(gòu)，采用層次化的體系結(jié)構(gòu)能夠降低復雜性，增強系統(tǒng)的擴展性。運行系統(tǒng)的總體層次結(jié)構(gòu)分為三層：

①擴展應用程序?qū)樱簃ess窗口語音報警；

②應用程序接口層：OPCUA SDK Web轉(zhuǎn)發(fā)服務；

③運行系統(tǒng)核心組件層：實時庫，歷史庫，報警庫，采集器，畫面系統(tǒng)，腳本系統(tǒng)。

KingSCADA 4.0支持雙機冗余，雙網(wǎng)絡冗余，采集雙設(shè)備冗余。當發(fā)生故障時應能快速在冗余機之間進行無擾切換，可達到秒級切換時間。冗余機之間具備專用的冗余探測通道（如專用的網(wǎng)卡或者串口）。同時對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)進行冗余處理，并能迅速進行冗余切換。支持并發(fā)處理機制及事務處理技術(shù)，可進行多進程并發(fā)處理，均衡內(nèi)部事務處理，構(gòu)建性能優(yōu)越的系統(tǒng)。

KingSCADA 4.0系統(tǒng)提供了基于角色的訪問控制，符合RBAC模型，通過定義不同的角色，不同角色擁有不同權(quán)限，不同用戶屬于不同的角色，來實現(xiàn)用戶的訪問控制。

3.2　解決的典型問題

（1）高能耗成本問題

傳統(tǒng)水廠能源消耗占運營成本的30%-50%（尤其電費為主），能耗優(yōu)化依賴人工經(jīng)驗決策，缺乏數(shù)據(jù)支撐，設(shè)備運行效率波動大，部分設(shè)備低效高能耗。

（2）環(huán)保與碳排放壓力問題

水務行業(yè)占全球碳排放2%-3%（主要來自電耗），企業(yè)面臨“雙碳”目標考核壓力。政府對水廠單位能耗限額、碳排強度等指標要求趨嚴。

（3）供水穩(wěn)定性與服務質(zhì)量問題

能耗管理失衡可能導致供水壓力波動、水質(zhì)不穩(wěn)定。

（4）國外平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)限制問題

打破廠內(nèi)原有國外平臺對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上位數(shù)量的桎梏，使用跨平臺數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具進行廠內(nèi)數(shù)據(jù)匯聚，保證數(shù)據(jù)的完整性。

4　項目效益分析

亦莊水廠通過搭建綠色能源管理平臺實現(xiàn)了對廠區(qū)關(guān)鍵設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)視，為電能能耗管理決策提供科學依據(jù)，提高生產(chǎn)效率，減少人為操作誤差同時管理人員可以通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對電能消耗的精細化管理。針對廠區(qū)供水、提升設(shè)備等建立能耗排名體系，便于優(yōu)化設(shè)備運行參數(shù)，合理安排生產(chǎn)時間和設(shè)備啟動時機，避開高峰電價時段，延長設(shè)備使用壽命，節(jié)省電費。通過提高耗能設(shè)備運行效率和可靠性，確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，保障居民用水安全。

5　項目意義

當前信創(chuàng)處于蓬勃發(fā)展期，市政供水廠肩負居民飲水安全的重大責任，在進行生產(chǎn)系統(tǒng)更新切換時，會更加謹慎。以整廠替換，變?yōu)橐阅茉垂芾頌榍腥朦c逐步應用替換，小步快走的方式，為水廠信創(chuàng)發(fā)展提供了新思路。

亦莊水廠信創(chuàng)方案是北京自來水集團首個信創(chuàng)方案落地水廠，同時也是全國大規(guī)模市政水廠的先行示范項目，具有極高的落地實踐代表性。項目實施后，實現(xiàn)了信創(chuàng)要求下針對水廠能源管理的全面升級，成為眾多水廠效仿的標桿。同時該信創(chuàng)方案具有高度可復制性，從技術(shù)架構(gòu)到實施流程都有標準化的模式，其他水廠可輕松借鑒，快速落地類似項目。

作者簡介：

張　蒙（1996-），男，北京人，學士，助理工程師，現(xiàn)就職于北京市自來水集團有限責任公司亦莊水廠，研究方向是智慧水廠建設(shè)。

趙洋洋（1985-），男，北京人，學士，工程師，現(xiàn)就職于北京市自來水集團有限責任公司亦莊水廠，研究方向是水廠工藝運行。

王天爍（1998-），男，河北衡水人，學士，現(xiàn)就職于北京亞控科技發(fā)展有限公司，主要從事智慧城市、能源管理、智慧水務解決方案方面的研究。

荊文科（1995-），男，河北邯鄲人，學士，現(xiàn)就職于北京亞控科技發(fā)展有限公司，主要從事工業(yè)自動化軟件、智慧水務解決方案方面的研究。

李澤浩（1999-），男，黑龍江大慶人，學士，現(xiàn)就職于北京亞控科技發(fā)展有限公司，主要從事工業(yè)軟件、智能制造等方面的研究。

摘自《自動化博覽》2025年3月刊