水厂自动化控制系统设计的论述

(沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司，沈阳 110023)

0 引 言

水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直到九十年代，随着可编程序控制器的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。随着城市现代化建设的发展，环境保护、生活用水的要求不断提高。以前水厂的人工、半自动水厂控制系统已经远远不能满足现代化生活和企业运作的需要，因此现代化的水厂自动化控制系统技术应运而生。通过先进的水厂自动化控制系统，可实现对水厂的安防监控、生产过程控制、信息管理。水厂自动化控制系统在水厂的生产管理中发挥了举足轻重的作用。现代化的水厂自动化控制系统建立了企业信息的管理，供水生产中各种资源共享，使供水生产统一调度管理，提高管理水平及生产效率[1]。

1 控制方式

采用两种控制方式，即现场手动控制和自动控制方式。由现场控制箱上的转换开关来设定控制方式，当转换开关选择现场手动操作时，可以在控制箱上手动控制电气设备的开、停。当转换开关选择自控位置时，可实现水厂水处理工艺过程的自动控制[2]。

2 自控系统主站配置

水厂自动化控制系统设计原则为安全可靠，设备选型先进，建设一个具有现代化控制水平的水厂。控制系统选用集散型控制系统，即分散控制、集中监测管理的控制方式。

水厂中心控制室主站设在办公楼内，主站负责全厂生产过程的调度、控制、管理及信息处理，采集水厂水处理工艺在线检测仪表参数，设备运行状态以及电气参数，水厂主要运行状态参数通过工业以太网送至调度中心。

通过水厂中心控制室主站的动态画面显示全厂生产过程、变配电系统的工作状态以及工艺设备运行状态，而且还能对设备报警状态进行显示以及信息处理[3]。

在水厂中心控制室设大屏幕显示墙是由多个液晶显示屏单元拼接而成的一种超大屏幕显示屏体、影像、图文显示系统。可看作是一台可以显示来自计算机VGA信号、多种视频信号的巨型显示屏，向显示屏传送视频或者计算机VGA信号，显示屏便能显示清晰、色彩艳丽、高亮度的复杂全彩多媒体图形影像信息。大屏幕显示屏的宣传表达能力极强、高档、气派、豪华，在省、市、县级水厂的控制系统中得到广泛的使用。

水厂水处理工艺过程控制的自动化，由可编程序控制器自动控制泵的开、停，以及阀门自动开、关的实现。

2.1 中心控制室配置

设有微型计算机(工控机)3台、2台打印机(一台为彩色喷墨式打印机，另一台为激光打印机)、1套显示墙(液晶拼接墙系统)、2台UPS(不间断电源)、1台工业以太网交换机、3块以太网通讯卡、3套键盘及鼠标、2套报警音箱、3台22寸液晶显示器、1台计算机操作台。本工程在中控室设有大型显示模拟盘，可以模拟显示水泵的运行状态，阀门的开、关状态以及水厂工艺检测仪表的参数。水厂自控系统网络为工业以态网，网卡速度为100 Mbps，数据总线采用双重化结构，保证控制系统数据信号传输的可靠性。系统通过光电转换器由六芯铠装光缆传输信号[4]。

2.2 自控系统编程软件

包括系统程序软件和应用程序软件。控制系统软件应建立在Windows平台上，系统软件具有开放性，即不仅有实时监控功能，而且还具有实时数据管理和控制功能，以保证控制系统与通讯管理系统的可靠连接，控制系统组态灵活，并能够建立数据、查询、报表等功能。

2.3 自控系统画面显示功能

主站具有丰富画面显示功能，在主站彩色液晶显示器及大屏幕显示墙上显示水厂水处理工艺仪表参数(即仪表流程图)，并能实时动态显示各主要水处理过程和重要技术参数，在工控机上能够分窗口动态显示生产过程画面。如水泵、阀门的开、停状态显示。并能够实时显示液位、流量、浊度、PH、余氯、压力等仪表参数变化趋势图和棒状图等[5]。

3 管理计算机系统

系统配置采用西门子成熟技术，控制中心采用Wincc冗余服务器软件进行监控；符合国际或国家工业标准，可靠性高、适应能力强、扩展灵活、操作维护简便；系统平台软件选用稳定安全的主流操作系统，便于系统使用和维护；管理软件的编制均选用符合国际软件业标准的开发平台。

管理计算机系统网络采用高速实时工业以太网技术，通过覆盖全厂的综合布线系统，为全厂搭建了一个高速的信息交换平台，使全厂的生产过程信息、管理信息、物流信息、资金流信息以及外部交流信息能够快速到达全厂各个信息点终端。防火墙为网络内外信息交换提供了安全保障。

管理计算机系统主要由办公计算机、视频服务器、数据服务器、WEB服务器、网络交换机、防火墙、路由器等设备构成。系统主要包括：生产经营辅助决策子系统、生产调度管理指挥子系统、设备管理子系统、综合办公管理子系统等[6]。

4 生产过程自动化系统设计

设计以安全、经济、先进、可靠、实用为原则，选择具有行业内先进水平的软硬件产品。使系统在结构上具有一定的开放性、可扩展性；在配置上具有完整性、适应性。根据水厂生产设备、生产管理、工艺流程、构筑物位置分布相对集中的特点，系统选用目前国内外水行业中通行的基于可编程序控制器S7-300系列(PLC)的集散型控制系统。系统由三层网络构成：中央监控系统、现场设备控制站、现场设备控制单元。

集散系统的分布式系统结构保证了控制系统的稳定可靠和易于扩展；采用西门子PLC控制器能完成现场工艺参数采集、设备控制；触摸式操作终端提供了良好的图形显示、友好的人机操作界面；同时PLC的极强的联网能力使各站点之间能方便可靠地传递控制参数和状态信息，模块化设计使之可以灵活配置和适应不同的网络结构。

工业控制网采用冗余环网结构、以光纤作为传输介质，保证网络的可靠性、安全性。现场设备控制单元之间、现场设备控制单元与现场分控站之间采用工业现场总线进行通讯。现场分控站与主控站之间采用工业以太网进行通讯。系统控制设备之间相对独立运行，现场控制站、设备控制单元发生故障时，不会影响其上级、下级或同级的其它控制站控制单元的正常运行。操作人员通过现场操作终端对该控制站监控范围内的设备进行就地集中控制，或在中控室授权后就地更改设定本站的工艺控制参数。

5 自控系统分控站配置

5.1 净水车间分控站

净水车间共10组滤池，设1面开谜利思控制柜和1面终端控制柜，开谜利思控制柜内设OP屏及配电控制元件，OP屏自带CPU，可独立就地操作，也可通过控制总线与自控系统联网控制。净水车间分控站输入的数字量约为402个，输出的数字量约为269个，输入的模拟量约为4个，所以净水车间分控站配置：设数字量输入模块26块、数字量输出模块17块、模拟量输入模块1块、存储卡1块、UPS(不间断电源)1台、CPU(中央处理单元)1台、电源模块1台、中央机架1个、工业以太网交换机1台、以太网通讯模块1台、人机界面触摸屏1台。本站主要控制净水车间滤池自动过滤、自动反冲洗。

5.2 二级泵站分控站

由于二级泵站输入的数字量约为42个，输出的数字量约为26个，输入的模拟量约为14个，输出的模拟量约为4个，所以二级泵站分控站配置：设数字量输入模块3块、数字量输出模块2块、模拟量输入模块2块、模拟量输出模块1块、总线通信模块6块、存储卡1块、UPS(不间断电源)1台、CPU(中央处理单元)1台、电源模块1台、中央机架1个、工业以太网交换机1台、以太网通讯模块1台、人机界面触摸屏1台。本站主要控制与收集二级泵站的各种现场信号。

5.3 加氯间分控站

由于加氯间输入的数字量约为28个，输出的数字量约为6个，输入的模拟量约为8个，输出的模拟量约为2个，所以加氯间分控站配置：设数字量输入模块2块、数字量输出模块1块、模拟量输入模块2块、模拟量输出模块1块、UPS(不间断电源)1台、CPU(中央处理单元)1台、中央机架1个、工业以太网交换机1台、以太网通讯模块1台、人机界面触摸屏1台。本站主要控制与收集加氯间的各种现场信号。

5.4 脱水车间分控站

由于脱水车间输入的数字量约为34个，输出的数字量约为13个，输入的模拟量约为18个，所以脱水车间分控站配置：设数字量输入模块3块、数字量输出模块1块、模拟量输入模块3块、存储卡1块、UPS(不间断电源)1台、CPU(中央处理单元)1台、电源模块1台、中央机架1个、工业以太网交换机1台、以太网通讯模块1台、人机界面触摸屏1台。本站主要控制与收集脱水车间的各种现场信号。

6 厂区安防监控系统

传统的高墙和人员巡视措施已经远不能满足目前要害场所安全防范及生产管理监控的要求，因此建立厂区数字监控系统是大、中城市重要水厂必不可少的管理措施之一。本工程采用周界防范与视频监控相结合的方式，在中心控制室设视频监视终端，可以监视厂区、厂区围墙及厂区大门的安全状态。在厂区围墙及大门安装电子围栏和红外对射，在厂区安装红外摄像机实现厂区无死角视频监控和视频报警功能。

7 结束语

水厂自动化控制系统设计的最终目的是达到国家饮用水水质标准、提高经济效益、降低电耗、提高安全生产、降低药耗、减轻劳动强度的目的。水厂自动化控制系统是以生产过程的信息传递、集成、采集为主，与企业的生产工艺调度、水质监控、自动投加药等技术紧密结合的生产自控系统。在水厂自动化控制系统设计中，应遵循信息共享化、网络化、合理化、满足工艺要求来进行规划和设计。

[1] 廖常初.PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2002：135.

[2] 袁海洲. Profibus技术概述[J]. 电工技术,2002：83.

[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社,1999：72.

[4] 袁秀英. 组态控制技术[M] .北京：电子工业出版社，2003：210.

[5] 张传祥.电气自动控制系统[M].北京：电子工业出版社，2003.

[6] 贾 娜，姜雪松，孙 杰，等.基于声信号的供气管道阀门泄漏监测与定位系统研究[J].森林工程，2014(5)：96-98.