自来水厂自动化系统设计概述及方案比较

衣 巍 崔 丹

（济南鲁纺仪佳自控技术有限公司，山东济南 250014）

概述、

自来水厂是社会公共事业中的一个重要部分，承担着城镇人们生活用水供应。按照国家行业标准《城镇供水水质标准检验方法》（CJ/T 141-2018）规定，对自来水厂生产和供水水质指标有严格要求。自来水厂的净水工艺为连续性工艺，将水库或河流的水引入自来水厂，经过源水泵房、沉淀池、加药/加氯、滤池、清水池、清水泵房等多个净水处理、输水加压工段，最终将符合供水水质标准的清洁水源源不断送给广大用户。在自来水厂工程设计和建设中除了要选用先进的净水工艺，采用质量可靠的工艺设备，还应做好自来水厂自动化系统配套建设。

随着信息技术进步，自来水厂自控系统应用水平近十年发生了很大变化。在净水处理工艺重要部位设置了更多的在线监测、分析仪表和自动调节执行机构，从原来的常规现场一次仪表、就地仪表盘发展到当今的多功能传感器、常规现场一次仪表、就地PLC柜（或DCS柜）、网络集成，上位MES系统和SIS系统。在自来水厂集中控制室可实现对全厂净水工艺的集中在线生产监控、智能化大数据管理和安全运行管理，为实现自来水厂的自动化、网络化和智能化搭建一个基础平台。

自来水厂净水工艺流程较长，厂区占地面积大，各工段拥有独立的建筑物。比如一座产量为20万立方/天的自来水厂，占地面积约2.5～3万平方米，如果采用传统的人工巡查方式，从源水泵房开始一直到清水泵房为止对整个净水工艺巡查一遍，需要用时约40～50分钟。所以当今在进行自来水厂的工程设计时，首先按照工艺专业提出的净水工艺流程做好PI&D图确认，进行现场仪表、现场一次仪表和执行机构的设计选型，确定集中控制室位置和面积，其中一个重要内容就是选用合适的集散控制系统架构。[1]所谓的集散控制系统是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等技术，其基本思想就是分散控制、集中管理。通过调查，目前我国自来水厂采用的集散控制系统架构基本采用两种控制装置，一种是PLC控制装置，另一种是DCS控制装置。在自动化领域，PLC（rogrammable Logic Controller） 是以实现的自动化功能来命名，DCS（istributed Control System）是以自动化组成的体系结构来命名。在我国行业内习惯称谓PLC只是一种控制“装置”，随着PLC控制器的更新换代，尤其在功能模块的扩展和通信功能的快速提升，采用PLC“装置”也可以组成DCS体系结构。而DCS是另一种对控制“装置”和“分散式控制系统”的统称，两者在“系统”与“装置”上均有严格的区别。[2]这两种由不同控制装置组成的自来水厂集散控制系统相互之间有什么区别，在设计中需要注意哪些事项？本文通过对两座相同净水工艺、同等规模的自来水厂各采用不同的集散控制系统进行综合设计对比，分析它们之间的不同。

1.水厂各工段的主要自控回路

自来水厂可以概括分为源水泵房、沉淀池、加药/加氯、滤池、清水池、清水泵房等多个工段，根据每个工段的工艺流程和设备配置，按照工艺要求设计与之配套的自控回路。

①源水泵房也称谓提升泵房，通过数台水泵将地表水通过泵吸提升送入自来水厂内，在源水泵房工艺自控回路中需要设计有：提升水井液位指示，提升泵的远程启动/停止、故障报警、电流指示，提升泵的变频调节等。

②沉淀池用于使源水中的固体颗粒和微生物凝聚、沉淀、排出，完成对源水的第一步净化处理。在沉淀池工艺自控回路中需要设计有：进水流量指示，进水流量调节，格栅运行程序控制，刮泥机运行程序控制，定时排泥顺序控制，池中沉淀物的矾花分析，出水浊度指示等。

③滤池是整个自来水厂工艺中最复杂的一部分，目前使用较多的是V型滤池，通过滤池过滤后可以将水处理的更加洁净。每条滤池净水工艺线由多个V型滤池组成，每个滤池的过滤、反冲洗、进水、排水均由严格的计算机程序自动控制完成。

④清水池具有自来水生产工艺的库容存水作用，主要的工艺参数就是清水池液位指示和存水容量计算。

⑤清水泵房用来将处理后的净水通过清水泵加压外送，清水泵由多台水泵组成，根据外供水量决定水泵的投运台数。出于节能考虑，清水泵基本都采用变频控制，可以实现多级变流量、恒压供水方式运行。在清水泵房工艺自控回路中需要设计有：供水压力指示/调节，清水泵的远程启动/停止、故障报警、电流指示，清水泵的变频调节等。大功率的水泵还设有电机线圈、电机/变速箱轴承温度指示。对于新建的自来水厂，还应该设置清水泵抽真空顺序控制、清水泵泵后电动阀连锁控制等。

在清水泵房还应设计出厂净水的几个重要参数的在线监测，常规的必测参数有：出厂水压力、PH值、浊度、余氯、流量等。

⑥加药/加氯间是水厂比较重要的工段，它由助凝/助滤药剂调配池，计量泵，氯瓶/自动加氯机或二氧化氯发生器等组成。在加药/加氯工艺自控回路中需要设计有：药池液位指示、氯瓶自动切换、加氯量自动调节、计量泵加药量自动调节、漏氯报警/风机联锁等。

⑦自来水厂的辅助工段主要有废水回收工艺，空压机供气工艺，变配电，针对这些辅助工段需要设计的自控回路有：废水池液位指示，潜水泵排泥连锁控制，压缩空气压力、湿度、温度指示，配电室总电量指示等。

随着自来水厂自控技术进步，许多自来水厂在设计以上常规自控回路之外，还研究开发了一些新的控制回路，比如，前/后加氯复合环自动投加控制回路，源水水质智能化分析回路，水厂能源综合管理子系统，重要工艺设备故障自诊断子系统等。这些控制回路和子系统的功能在集散控制系统内可通过运行软件组态来实现。

在新建自来水厂的工程设计中，需要总图（或建筑）专业、工艺专业、电气专业、自控专业集体协商确定水厂集中控制室在厂区内的具体位置和面积。集中控制室一般设在厂区内较为中心的区域，与水厂综合办公楼尽可能建设在一起，这样能便于各工段至集中控制室之间的通讯电缆敷设和日后的生产管理。集中控制室的面积由自控专业根据需要安放的上位监控微机、操作台、UPS电源柜体、大型显示屏、网络柜等数量来确定。在施工图设计中还需要考虑自来水厂电缆敷设方式，一般在建筑物内的电缆采用电缆桥架敷设，建筑物外的电缆采用地下电缆甬道方式敷设，在较为集中转弯处一定注意设电缆维修井，这样的电缆敷设设计一劳永逸，对今后增加电缆的敷设或对电缆的维护检查十分有益。

2.自来水厂集散控制系统网络架构组成

根据自来水厂的工艺特点和厂内电控设备的分布，整个水厂采用集散控制系统是一个合理的自控系统设计方案。这个集散控制系统可以采用PLC控制装置组成，也可以采用DCS控制装置组成，究竟采用哪种更为合适，需要设计人员依据水厂的建设规模和水厂技术人员对自控系统的管理及应用能力来权衡确定。[3]

下面是一个典型的20万立方/天自来水厂净水工艺流程，占地面积约2.7万平方米，全厂分为两条净水生产线，设有提升泵房、沉淀池、滤池、清水池、清水泵房、加药间、二氧化氯间、高低压配电间、综合办公楼等主要工段及建筑物，见图1所示。

图1 自来水厂净水工艺流程及分布图

按照每个工段自控专业设计最终确定的测量点、通讯节点、执行机构、电气控制回路等进行各工段I/O点数汇总统计，由表1所示。

表1 自来水厂各工段I/O汇总表

如果按照西门子公司生产的S7-1200和S7-1500二个系列PLC模块来组建每个现场控制站，共设S7-1500现场子站8个，S7-1200现场子站18个（其中每个V型滤格和每套二氧化氯加氯工艺现场各采用一套S7-1200），每个PLC柜体上设一个现场触摸屏。每个滤格的PLC（S7-1200）采用MODBUS 通讯接口接入滤池主PLC（S7-1500），加药/加氯设备配套的PLC（S7-1200）采用MODBUS 通讯接口接入加药间主PLC（S7-1500），所有工段的PLC（S7-1500）采用TCP/IP通讯接口经光电转换通过光纤引入水厂集中控制室，经网络交换机与每个操作员站连接，操作员站共设5个，每个操作员站采用标准商业化工控组态软件，由此组成了一个以PLC（S7-1200和S7-1500）为主体的自来水厂集散控制系统。见图2所示。[2]

图2 由PLC组成的自来水厂集散控制系统

再按照以NT6000系列DCS模块为例来组建整个自来水厂集散控制系统，在两条净水工艺滤池间各设一个DPU柜，分别为DPU1和DPU2，由两对DPU直接完成各自V滤工艺的逻辑控制。在A线沉淀池、A线清水泵房、原水提升泵房各设一个远程I/O柜，采用冗余光纤将三个远程I/O柜接入位于A线滤池的DPU1柜。在B线沉淀池、B线清水泵房、加药/加氯间各设一个远程I/O柜，采用冗余光纤将这三个远程I/O柜接入位于B线滤池的DPU2柜。DPU1和DPU2再采用通讯形式通过冗余光纤引入水厂集中控制室，经网络交换机与操作员站连接，操作员站同样设5个，其中一个兼做工程师站。每个操作员站均安装与DCS配套的工业组态软件CCM Studio，由此组成以DCS为主体的水厂集散控制系统。见图3所示。

图3 由DCS组成的自来水厂集散控制系统

根据以上两个不同集散控制系统架构图可以看出，由多个现场PLC控制器组成的水厂集散控制系统与由两个DPU控制器组成的水厂集散控制系统在功能上都可以实现在集中控制室对整个水厂工艺运行参数和运行操作的集中监控。但在整个自控系统架构上有较大的不同，在可靠性、性能指标上有一定的差距。下面从应用的范畴上来进行两个系统的对比。

3.PLC与DCS两个系统的综合比较

DCS硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工艺先进。底层汉化的软件平台具备强大的处理功能，能提供方便的组态复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力，易于组态操作。DCS可提供多种通讯模块，支持多种现场总线标准以便适应与各种带通讯接口的智能设备进行通讯连接，满足系统扩展需要。DCS系统采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障，均不会影响整个系统的工作。

DCS系统通常采用国际标准协议 TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。在DCS系统操作层，采用冗余的100Mbps以太网；在控制层，采用冗余的100Mbps工业以太网；在现场信号处理层，12Mbps的E—BUS总线连接中央控制单元和各现场信号处理模块。而 PLC因为基本上都为单个小系统工作，在与其它的PLC或上位机进行组网通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，在网络安全上 PLC没有很好的保护措施。DCS系统是从整体上考虑，每个操作员站都具备工程师站功能，站与站之间在运行程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制，协调控制；而将单个PLC互相采用通讯连接构成的系统，其站与站（LC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，做不出复杂协调控制的功能。所以，DCS网络结构相比PLC网络结构具有更高地可靠性、开放性及先进性。

DCS在系统产品设计上留有大量可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便。PLC所搭接的整个系统完成后，很难增加或减少操作员站。为保证DCS控制设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元、电源单元、网络单元，当某一工作单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个自控系统的安全可靠。而PLC所搭接的集散控制系统则很难实现以上三个单元的冗余。

另外，DCS系统所有I/O板卡都带有CPU，可以实现对信号采集及输出信号品质判断与量程变换，可故障带电插拔，随机更换。而PLC模块只是简单电路转换，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。DCS各种模块配有单独的底座，底座上直接带有与外部联系的接线端子，每个底座通过通讯方式与DPU互联。一个标准DCS柜体可以装配I/O点数约300～350左右，柜内电缆敷设、接线、维护等均比较方便。而PLC模块（如：S7-1200或S7-1500）采用的是集中底座结构，各种模块均与CPU模块、电源模块、通讯模块插在一个底座上，I/O与外部接线端子直接集成在模块上端，与外部联系的信号电缆需要先经过中间接线端子，再接到I/O模块端子。一个标准PLC柜体只能装配I/O点数约250点以下，柜内布置紧凑，模块端子接线密集，对日后的I/O扩展和维护等远不如DCS方便。[3]

进行自来水厂集散控制系统现场调试是一项复杂工作，当需要对某个控制回路进行逻辑变更，调试工程师只需要在集中控制室DCS工程师站上对新的逻辑回路进行编译，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不会影响原控制逻辑的运行，DCS系统组态软件内含的各种控制软件与算法较为丰富，可以满足各种常规控制回路逻辑组态的基本需求。而对于 PLC，软件编制和现场调试工作量显得极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪种型号的 PLC，然后要采用对应的编程软件进行PLC程序现场编译，最后再用专用的编程机器（一般用笔记本电脑）在现场一对一的将程序传送给这台 PLC。随后还要重新修改现场触摸屏的组态程序，还要到集中控制室修改每台操作员站上的组态程序。要完成由PLC组成的自来水厂集散控制系统调试，需要具备PLC的编译程序，触摸屏编译程序，操作员站编译程序，每种编译程序分别由不同的厂商提供，需要分别学习，掌握和应用。进行一个自来水厂全部集散控制系统的现场运行调试，对于PLC架构的系统需二人工作20至30天，需要到每套PLC柜现场对每套PLC进行程序下装和调试，最后再到集中控制室进行上位机与现场PLC网络联调。如果对于DCS架构的系统只需一人工作10至15天，直接在集中控制室即可完成对整个集散控制系统联调。由此可见，PLC系统的调试时间和调试成本大于DCS系统，而且极不利于日后的系统维护，在控制精度上也与DCS相差甚远。这就决定了为什么在大中型自控项目中（I/O在250点以上）不建议采用全部由PLC组网而成的集散控制系统。

另外，PLC系统在可靠性上明显低于DCS，每年运行维护费比DCS系统高2～3倍。进行现场更换或扩展I/O模块PLC也远不如DCS方便，更换PLC的I/O模块时必须停电，先将前面的端子板拔下移开后才能将模块插拔进行更换或检查。而DCS的I/O模块接线端子在模块底座的二侧，很方便进行模块的扩展和查线，DCS的I/O模块可以带电插拔。

目前，在集中控制室与PLC连接的上位操作员站无一例外地使用商品化通用工业组态软件，比如：WinCC、inTuch、iFix、Kingview、ForceConTrol等等。这些商品化通用工业组态软件出于市场各种用户需要和应用的灵活性，在组态软件内嵌有大量与各种型号PLC或其它智能设备进行连接的通讯驱动程序，还在组态程序控件库内嵌装了许多工艺设备图形供不同行业的软件组态人员灵活使用。但是这些功能也有它的反作用，最直接的反应就是影响组态程序的运行速度。而DCS的组态软件仅仅针对专用的DPU和配套通讯、I/O模块等，也没有过量的图形和图例，将软件组态的主要功能放在逻辑编译和控制算法上，虽然在显示画面上不如商业化组态软件做的美观，但在复杂控制回路或多层逻辑控制等程序组态上远优于商业化组态软件，在程序运行速度上快于商业化组态软件。

DCS作为当今国际上先进的工业现场控制系统，应用领域已经从原来的石化、钢铁、发电等行业逐渐扩展到交通、纺织、环保、供热、污水治理等行业。但在国内自来水厂行业采用DCS为基本控制器构建的集散控制系统比较少，多数自来水厂还是采用PLC。通过调查，造成这一现象的主要原因有二个，一是国内自来水厂不论是新建或改造基本上采用工程总承包的形式，而国内为数不多的水务工程公司出于降低投资，提高利润，保护自己工艺知识产权等目的，对于中标后的水厂工程习惯性地采用自己熟悉的PLC架构来组建自来水厂集散控制系统。二是国内从事水务工程设计的单位为了满足建设单位建设工期要求，习惯性地直接套用以前完成的设计图纸，如此以来采用PLC架构的水厂集散控制系统就成了我国自来水厂目前的主流形式。还有一个原因，自来水行业仍停留在十几年前的认识上，认为PLC价格比DCS低，将采用DCS成为一种投资奢望。这种认识在2010年以前是对的，一座大约有1000点I/O规模的自来水厂采用DCS的系统投资会比PLC的系统投资多2.5倍以上。随着近十年我国电子信息及自动化行业的飞速发展，DCS国产化水平明显提高，DCS硬件价格大幅度下降。下面以一座2018年建设的20万吨/天规模自来水厂为例，按照PLC和DCS二种集散控制系统进行相互投资对比，见表2所示。采用PLC架构的投资为113万元，采用DCS架构的投资为105万元，二者之间差额为8万元，而且采用DCS架构的投资反而比PLC架构要低。

表2 采用PLC和DCS二种集散控制系统投资对比

4.结束语

通过以上自来水厂自控系统设计案例， 将PLC和DCS二种不同集散控制系统架构进行了多方面的对比，对于新建自来水厂应直接采用DCS架构，而对于已建自来水厂的自控系统改造，可以在每条净水工艺滤池工段新增一对DPU，对各工段原有的现场PLC进行诊断，运行良好的可采用通讯方式接入DCS系统，运行欠佳的可直接采用DCS远程I/O柜或扩展柜在原来位置替换PLC柜。为适应下一步我国新概念水厂或者智慧水厂的建设需要，配合我国自来水厂在自动化、网络化、智能化方面的技术发展，采用DCS组建自来水厂的集散控制系统势必成为今后一个时期的发展主流。