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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重要的現代化水廠，由北京市自來水集團負責建設和運營，是北京市南水北調配套工程的重要組成部分，一期規模50萬噸/日，旨在解決亦莊新城及北京東南部地區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。亦莊水廠能源管理平臺主要負責對廠內配電設備的關鍵數據進行匯總采集、分析，滿足管理者對能耗相關設備的遠程管控需求，提高工作效率，實現水廠少人化值守，能耗管理優化等目標。

亞控科技成立于1997年，總部位于北京，是國內領先的工業自動化和信息化軟件企業。公司專注于國產工業軟件的研發、營銷和服務，在國內外多地設有分支機構和研發中心。其產品包括數據采集、監控軟件、實時數據庫、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。作為國內SCADA領域領軍企業，亞控科技的國內市場占有率位居第一，其核心產品KingSCADA4.0是一款自主研發的高端跨平臺組態軟件，支持多種功能和分布式部署，適用于多種工業場景，已廣泛應用于5000余個現場，助力國家工業安全和智能化發展。

1　項目背景

21世紀以來，網絡安全與工業控制系統安全事件持續增長，比如2020年以色列水利設施SCADA系統被網絡攻擊導致癱瘓，同年伊朗天然氣公司因感染勒索病毒被迫關閉設施兩天。在這樣的時代背景下，工業安全與信息安全越來越受國家重視，自主可控工業軟件的應用與創新也成為國家新的戰略發展目標。而隨著近些年來國產操作系統與國產設備的發展及成熟，傳統Windows下的工業監控軟件已經不能滿足很多公司的發展需求。亦莊水廠為積極響應國家信創改造政策，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建設廠區綠色能源管理平臺。

北京市自來水集團聯合亞控科技根據亦莊水廠現有系統功能以及廠內調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研，基于KingSCADA4.0跨系統組態軟件平臺設計出底層數據采集、駕駛艙展示、設備運行管理、能耗管理、生產報表管理、報警管理、用戶管理等系統模塊，實現廠區針對綠色能源管理系統的能源消耗監測與分析、能效優化、預測與調度、故障預警、自動化控制、碳排放管理、設備健康管理、遠程運維、決策支持、合規與審計等功能，最終不僅幫助亦莊水廠提高能源使用效率，降低成本，還能促進環境友好型生產和可持續發展。通過實施綠色能源管理平臺解決方案，亦莊水廠可以實現更加精細化、智能化的能源管理。

2　項目建設應用

2.1　建設方案

亦莊水廠綠色能源管理平臺平臺利用感知層數據進行實時監控和展示，實現各水廠生產工藝畫面與超限告警；匯總生產運行數據，形成日常運行管理圖表，方便調度人員總結與分析；通過設備模型算法分析實現設備效率、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 系統架構圖

感知執行控制層：感知層設備主要包括各水廠及其他設施的在線儀器儀表、生產設備、控制系統等，是物聯網技術構架的基礎。

數據傳輸交互層：通過強大的數據協議轉換功能，在不影響各設施生產運行的前提下，進行多種通信接口、通信協議的轉換，實現自動采集各種PLC和驅動器的生產運行數據，并建立與各類PLC、驅動器間的數據通訊。同時為打破國外平臺數據轉發上位數量的限制選擇使用ModbusTCPTrans工具進行跨系統數據轉發。

廠級管理應用層：根據水廠各部門業務需求開發指定功能，涵蓋數據可視化展示、設備能耗單耗統計、基礎信息管理及歷史數據庫等功能。為運營管理工作提供了大量的生產決策數據依據，通過深入挖掘各類數據間的關系，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網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、直觀的實時監控信息，以便于操作人員及時掌握設備實時運行狀態和整體能耗情況。

左側邊欄展示包括本日水量、電量、單耗、綜合能耗、水泵效率等數據。

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備運行情況及運行中的設備實時效率。點擊右下角詳情可跳轉至對應配電室詳情畫面。

右側邊欄展示當前運行設備名稱、調度號以及今日單耗；環形圖展示各配水泵水量統計和電度統計。

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圖總覽界面；用戶可點擊對應配電室名稱及設備編號進行畫面跳轉。

系統圖通過關聯實際變量動態展示電力系統各單元遠程、就地控制情況及閘門狀態；下方展示各單元實時電力數據，包括電流數據（A相電流、B相電流、C相電流），電壓數據（AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓），功率數據（有功功率、無功功率、功率因數），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、廠前區配電室、提升低壓室、濾池配電室系統圖總覽界面。

系統圖下方主要展示各低壓配電室進線柜的電力數據，包含電流數據（A相電流、B相電流、C相電流），電壓數據（AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓），功率數據（有功功率、無功功率、功率因數），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，包括實時電力參數展示及歷史曲線查詢，點擊參數實時值即可將該參數曲線添加至右側趨勢圖中，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

提供一個統一的數據顯示界面，直觀展示歷史、實時數據和排名。

設備能耗排名是一種衡量和比較不同設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對水廠內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=水泵在該周期內的總供水量；

上小時耗電量=SCADA系統存儲歷史數據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。

點擊限值設定按鈕可跳轉至動態修改限值界面，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產生過的報警信息，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測數據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，以便及時監控和響應潛在的能耗異常，提高設備管理和能耗監控效率。

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

由于系統報警變量數量較多，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點或單擊樹狀圖節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，用戶可根據選定的起止時間來查詢相應的歷史數據。

曲線功能旨在通過直觀的曲線圖展示高壓和低壓參數的歷史數據，幫助用戶快速分析和監控電力系統的運行狀態。

圖9 趨勢曲線

2.2.10　報表管理模塊

提供實時數據報表、日報表、月報表畫面，實時報表展示不同水泵實時電量、水量、單耗數據。

日報表查詢界面用戶可通過下拉框選擇指定的日報模板，選擇指定查詢日期后點擊查詢按鈕即可查詢對應的日報數據。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打印設置界面，支持用戶調整紙張方向、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備水量數據對應總能耗、分單耗的數據分析。設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。

【環形圖】直觀展示配電系統中配水泵、提升泵各個設備的本年分單耗占比。鼠標懸停或點擊環形圖的各個部分，查看每個設備的具體能耗數據。

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

圖11 設備管理

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用戶信息，包括新增、刪除、修改用戶密碼等功能。

填寫左側用戶信息點擊創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用戶總覽界面，在此管理系統所有角色及用戶信息。

圖12 用戶管理

3　項目創新性

3.1　技術創新性

本次能源管理平臺建設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，初期設計、硬件選型、網絡架構規劃均根據水廠工藝流程、生產業務需要、現有算法模型來進行一體化設計，把握水廠實際生產業務的關鍵指標并融合針對配水、提升泵房的智能調頻算法，最終形成一套完善的能耗數據賦能管理平臺體系。

KingSCADA 4.0平臺采用RPC分布式網絡架構，網絡上的每一個節點都是一個SCADA運行系統，可以跨平臺部署，根據工程的網絡配置，執行不同的功能任務。運行系統的總體結構是一個分層結構，采用層次化的體系結構能夠降低復雜性，增強系統的擴展性。運行系統的總體層次結構分為三層：

①擴展應用程序層：mess窗口語音報警；

②應用程序接口層：OPCUA SDK Web轉發服務；

③運行系統核心組件層：實時庫，歷史庫，報警庫，采集器，畫面系統，腳本系統。

KingSCADA 4.0支持雙機冗余，雙網絡冗余，采集雙設備冗余。當發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（如專用的網卡或者串口）。同時對實時數據、歷史數據、報警數據進行冗余處理，并能迅速進行冗余切換。支持并發處理機制及事務處理技術，可進行多進程并發處理，均衡內部事務處理，構建性能優越的系統。

KingSCADA 4.0系統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限，不同用戶屬于不同的角色，來實現用戶的訪問控制。

3.2　解決的典型問題

（1）高能耗成本問題

傳統水廠能源消耗占運營成本的30%-50%（尤其電費為主），能耗優化依賴人工經驗決策，缺乏數據支撐，設備運行效率波動大，部分設備低效高能耗。

（2）環保與碳排放壓力問題

水務行業占全球碳排放2%-3%（主要來自電耗），企業面臨“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）供水穩定性與服務質量問題

能耗管理失衡可能導致供水壓力波動、水質不穩定。

（4）國外平臺的數據轉發限制問題

打破廠內原有國外平臺對數據轉發上位數量的桎梏，使用跨平臺數據轉發工具進行廠內數據匯聚，保證數據的完整性。

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了對廠區關鍵設備能耗數據的可視化監視，為電能能耗管理決策提供科學依據，提高生產效率，減少人為操作誤差同時管理人員可以通過實時監測和數據分析，實現對電能消耗的精細化管理。針對廠區供水、提升設備等建立能耗排名體系，便于優化設備運行參數，合理安排生產時間和設備啟動時機，避開高峰電價時段，延長設備使用壽命，節省電費。通過提高耗能設備運行效率和可靠性，確保供水系統的穩定運行，保障居民用水安全。

5　項目意義

當前信創處于蓬勃發展期，市政供水廠肩負居民飲水安全的重大責任，在進行生產系統更新切換時，會更加謹慎。以整廠替換，變為以能源管理為切入點逐步應用替換，小步快走的方式，為水廠信創發展提供了新思路。

亦莊水廠信創方案是北京自來水集團首個信創方案落地水廠，同時也是全國大規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，實現了信創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。同時該信創方案具有高度可復制性，從技術架構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。

趙洋洋（1985-），男，北京人，學士，工程師，現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，現就職于北京亞控科技發展有限公司，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，現就職于北京亞控科技發展有限公司，主要從事工業自動化軟件、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，現就職于北京亞控科技發展有限公司，主要從事工業軟件、智能制造等方面的研究。

摘自《自動化博覽》2025年3月刊