水廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計的論述

(沈陽市給排水勘察設(shè)計研究院有限公司，沈陽 110023)

0 引 言

水廠自動化控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的過程。從一開始僅有常規(guī)儀表檢測，到加藥、加氯的局部自動控制，直到九十年代，隨著可編程序控制器的大量推廣使用，水廠自動化控制系統(tǒng)才真正建立起來。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境保護、生活用水的要求不斷提高。以前水廠的人工、半自動水廠控制系統(tǒng)已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代化生活和企業(yè)運作的需要，因此現(xiàn)代化的水廠自動化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運而生。通過先進的水廠自動化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對水廠的安防監(jiān)控、生產(chǎn)過程控制、信息管理。水廠自動化控制系統(tǒng)在水廠的生產(chǎn)管理中發(fā)揮了舉足輕重的作用。現(xiàn)代化的水廠自動化控制系統(tǒng)建立了企業(yè)信息的管理，供水生產(chǎn)中各種資源共享，使供水生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度管理，提高管理水平及生產(chǎn)效率[1]。

1 控制方式

采用兩種控制方式，即現(xiàn)場手動控制和自動控制方式。由現(xiàn)場控制箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)來設(shè)定控制方式，當轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇現(xiàn)場手動操作時，可以在控制箱上手動控制電氣設(shè)備的開、停。當轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇自控位置時，可實現(xiàn)水廠水處理工藝過程的自動控制[2]。

2 自控系統(tǒng)主站配置

水廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計原則為安全可靠，設(shè)備選型先進，建設(shè)一個具有現(xiàn)代化控制水平的水廠。控制系統(tǒng)選用集散型控制系統(tǒng)，即分散控制、集中監(jiān)測管理的控制方式。

水廠中心控制室主站設(shè)在辦公樓內(nèi)，主站負責全廠生產(chǎn)過程的調(diào)度、控制、管理及信息處理，采集水廠水處理工藝在線檢測儀表參數(shù)，設(shè)備運行狀態(tài)以及電氣參數(shù)，水廠主要運行狀態(tài)參數(shù)通過工業(yè)以太網(wǎng)送至調(diào)度中心。

通過水廠中心控制室主站的動態(tài)畫面顯示全廠生產(chǎn)過程、變配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及工藝設(shè)備運行狀態(tài)，而且還能對設(shè)備報警狀態(tài)進行顯示以及信息處理[3]。

在水廠中心控制室設(shè)大屏幕顯示墻是由多個液晶顯示屏單元拼接而成的一種超大屏幕顯示屏體、影像、圖文顯示系統(tǒng)?？煽醋魇且慌_可以顯示來自計算機VGA信號、多種視頻信號的巨型顯示屏，向顯示屏傳送視頻或者計算機VGA信號，顯示屏便能顯示清晰、色彩艷麗、高亮度的復(fù)雜全彩多媒體圖形影像信息。大屏幕顯示屏的宣傳表達能力極強、高檔、氣派、豪華，在省、市、縣級水廠的控制系統(tǒng)中得到廣泛的使用。

水廠水處理工藝過程控制的自動化，由可編程序控制器自動控制泵的開、停，以及閥門自動開、關(guān)的實現(xiàn)。

2.1 中心控制室配置

設(shè)有微型計算機(工控機)3臺、2臺打印機(一臺為彩色噴墨式打印機，另一臺為激光打印機)、1套顯示墻(液晶拼接墻系統(tǒng))、2臺UPS(不間斷電源)、1臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機、3塊以太網(wǎng)通訊卡、3套鍵盤及鼠標、2套報警音箱、3臺22寸液晶顯示器、1臺計算機操作臺。本工程在中控室設(shè)有大型顯示模擬盤，可以模擬顯示水泵的運行狀態(tài)，閥門的開、關(guān)狀態(tài)以及水廠工藝檢測儀表的參數(shù)。水廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，網(wǎng)卡速度為100 Mbps，數(shù)據(jù)總線采用雙重化結(jié)構(gòu)，保證控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)目煽啃?。系統(tǒng)通過光電轉(zhuǎn)換器由六芯鎧裝光纜傳輸信號[4]。

2.2 自控系統(tǒng)編程軟件

包括系統(tǒng)程序軟件和應(yīng)用程序軟件?？刂葡到y(tǒng)軟件應(yīng)建立在Windows平臺上，系統(tǒng)軟件具有開放性，即不僅有實時監(jiān)控功能，而且還具有實時數(shù)據(jù)管理和控制功能，以保證控制系統(tǒng)與通訊管理系統(tǒng)的可靠連接，控制系統(tǒng)組態(tài)靈活，并能夠建立數(shù)據(jù)、查詢、報表等功能。

2.3 自控系統(tǒng)畫面顯示功能

主站具有豐富畫面顯示功能，在主站彩色液晶顯示器及大屏幕顯示墻上顯示水廠水處理工藝儀表參數(shù)(即儀表流程圖)，并能實時動態(tài)顯示各主要水處理過程和重要技術(shù)參數(shù)，在工控機上能夠分窗口動態(tài)顯示生產(chǎn)過程畫面。如水泵、閥門的開、停狀態(tài)顯示。并能夠?qū)崟r顯示液位、流量、濁度、PH、余氯、壓力等儀表參數(shù)變化趨勢圖和棒狀圖等[5]。

3 管理計算機系統(tǒng)

系統(tǒng)配置采用西門子成熟技術(shù)，控制中心采用Wincc冗余服務(wù)器軟件進行監(jiān)控；符合國際或國家工業(yè)標準，可靠性高、適應(yīng)能力強、擴展靈活、操作維護簡便；系統(tǒng)平臺軟件選用穩(wěn)定安全的主流操作系統(tǒng)，便于系統(tǒng)使用和維護；管理軟件的編制均選用符合國際軟件業(yè)標準的開發(fā)平臺。

管理計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用高速實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過覆蓋全廠的綜合布線系統(tǒng)，為全廠搭建了一個高速的信息交換平臺，使全廠的生產(chǎn)過程信息、管理信息、物流信息、資金流信息以及外部交流信息能夠快速到達全廠各個信息點終端。防火墻為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外信息交換提供了安全保障。

管理計算機系統(tǒng)主要由辦公計算機、視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、防火墻、路由器等設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)主要包括：生產(chǎn)經(jīng)營輔助決策子系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理指揮子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、綜合辦公管理子系統(tǒng)等[6]。

4 生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計以安全、經(jīng)濟、先進、可靠、實用為原則，選擇具有行業(yè)內(nèi)先進水平的軟硬件產(chǎn)品。使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有一定的開放性、可擴展性；在配置上具有完整性、適應(yīng)性。根據(jù)水廠生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理、工藝流程、構(gòu)筑物位置分布相對集中的特點，系統(tǒng)選用目前國內(nèi)外水行業(yè)中通行的基于可編程序控制器S7-300系列(PLC)的集散型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備控制站、現(xiàn)場設(shè)備控制單元。

集散系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和易于擴展；采用西門子PLC控制器能完成現(xiàn)場工藝參數(shù)采集、設(shè)備控制；觸摸式操作終端提供了良好的圖形顯示、友好的人機操作界面；同時PLC的極強的聯(lián)網(wǎng)能力使各站點之間能方便可靠地傳遞控制參數(shù)和狀態(tài)信息，模塊化設(shè)計使之可以靈活配置和適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

工業(yè)控制網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、以光纖作為傳輸介質(zhì)，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性?，F(xiàn)場設(shè)備控制單元之間、現(xiàn)場設(shè)備控制單元與現(xiàn)場分控站之間采用工業(yè)現(xiàn)場總線進行通訊?，F(xiàn)場分控站與主控站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。系統(tǒng)控制設(shè)備之間相對獨立運行，現(xiàn)場控制站、設(shè)備控制單元發(fā)生故障時，不會影響其上級、下級或同級的其它控制站控制單元的正常運行。操作人員通過現(xiàn)場操作終端對該控制站監(jiān)控范圍內(nèi)的設(shè)備進行就地集中控制，或在中控室授權(quán)后就地更改設(shè)定本站的工藝控制參數(shù)。

5 自控系統(tǒng)分控站配置

5.1 凈水車間分控站

凈水車間共10組濾池，設(shè)1面開謎利思控制柜和1面終端控制柜，開謎利思控制柜內(nèi)設(shè)OP屏及配電控制元件，OP屏自帶CPU，可獨立就地操作，也可通過控制總線與自控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制。凈水車間分控站輸入的數(shù)字量約為402個，輸出的數(shù)字量約為269個，輸入的模擬量約為4個，所以凈水車間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊26塊、數(shù)字量輸出模塊17塊、模擬量輸入模塊1塊、存儲卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺、CPU(中央處理單元)1臺、電源模塊1臺、中央機架1個、工業(yè)以太網(wǎng)交換機1臺、以太網(wǎng)通訊模塊1臺、人機界面觸摸屏1臺。本站主要控制凈水車間濾池自動過濾、自動反沖洗。

5.2 二級泵站分控站

由于二級泵站輸入的數(shù)字量約為42個，輸出的數(shù)字量約為26個，輸入的模擬量約為14個，輸出的模擬量約為4個，所以二級泵站分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊3塊、數(shù)字量輸出模塊2塊、模擬量輸入模塊2塊、模擬量輸出模塊1塊、總線通信模塊6塊、存儲卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺、CPU(中央處理單元)1臺、電源模塊1臺、中央機架1個、工業(yè)以太網(wǎng)交換機1臺、以太網(wǎng)通訊模塊1臺、人機界面觸摸屏1臺。本站主要控制與收集二級泵站的各種現(xiàn)場信號。

5.3 加氯間分控站

由于加氯間輸入的數(shù)字量約為28個，輸出的數(shù)字量約為6個，輸入的模擬量約為8個，輸出的模擬量約為2個，所以加氯間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊2塊、數(shù)字量輸出模塊1塊、模擬量輸入模塊2塊、模擬量輸出模塊1塊、UPS(不間斷電源)1臺、CPU(中央處理單元)1臺、中央機架1個、工業(yè)以太網(wǎng)交換機1臺、以太網(wǎng)通訊模塊1臺、人機界面觸摸屏1臺。本站主要控制與收集加氯間的各種現(xiàn)場信號。

5.4 脫水車間分控站

由于脫水車間輸入的數(shù)字量約為34個，輸出的數(shù)字量約為13個，輸入的模擬量約為18個，所以脫水車間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊3塊、數(shù)字量輸出模塊1塊、模擬量輸入模塊3塊、存儲卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺、CPU(中央處理單元)1臺、電源模塊1臺、中央機架1個、工業(yè)以太網(wǎng)交換機1臺、以太網(wǎng)通訊模塊1臺、人機界面觸摸屏1臺。本站主要控制與收集脫水車間的各種現(xiàn)場信號。

6 廠區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的高墻和人員巡視措施已經(jīng)遠不能滿足目前要害場所安全防范及生產(chǎn)管理監(jiān)控的要求，因此建立廠區(qū)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是大、中城市重要水廠必不可少的管理措施之一。本工程采用周界防范與視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式，在中心控制室設(shè)視頻監(jiān)視終端，可以監(jiān)視廠區(qū)、廠區(qū)圍墻及廠區(qū)大門的安全狀態(tài)。在廠區(qū)圍墻及大門安裝電子圍欄和紅外對射，在廠區(qū)安裝紅外攝像機實現(xiàn)廠區(qū)無死角視頻監(jiān)控和視頻報警功能。

7 結(jié)束語

水廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計的最終目的是達到國家飲用水水質(zhì)標準、提高經(jīng)濟效益、降低電耗、提高安全生產(chǎn)、降低藥耗、減輕勞動強度的目的。水廠自動化控制系統(tǒng)是以生產(chǎn)過程的信息傳遞、集成、采集為主，與企業(yè)的生產(chǎn)工藝調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)控、自動投加藥等技術(shù)緊密結(jié)合的生產(chǎn)自控系統(tǒng)。在水廠自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)遵循信息共享化、網(wǎng)絡(luò)化、合理化、滿足工藝要求來進行規(guī)劃和設(shè)計。

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