基于西門子S7-1500PLC的自來水廠電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：電氣自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、用戶操作的舒適度、長期運(yùn)行等特點(diǎn)?；诖?，詳細(xì)闡述了蚌埠自來水廠的電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，對自來水廠工藝、系統(tǒng)架構(gòu)、西門子PLC的選型配置、設(shè)備控制、系統(tǒng)調(diào)試等進(jìn)行了具體分析。通過蚌埠自來水廠的電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總結(jié)了自來水廠電氣自控設(shè)計(jì)的流程及設(shè)備控制方式，可為今后自來水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC;控制柜;工控機(jī);自來水廠;自控系統(tǒng)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人們對水的需求量劇增，對水質(zhì)的要求也越來越高，這就要求自來水廠不斷提高供水設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及節(jié)能性，為社會生產(chǎn)生活提供有力保障。因此，如何更高效地控制和運(yùn)行自來水廠自控系統(tǒng)，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的一個熱門課題。

1 項(xiàng)目背景

1.1? ? 項(xiàng)目概述

蚌埠自來水廠本期規(guī)模為4萬m3/d，其主要生產(chǎn)構(gòu)筑物包括：取水泵房、穩(wěn)壓井、絮凝沉淀池、V型濾池、清水池、污泥濃縮池、吸水井及送水泵房、加藥及活性炭間、排泥池、脫水機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房及加氯間和清水池等。

蚌埠自來水廠自控系統(tǒng)采用分布式集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠自動化控制，配備必要的液位檢測、達(dá)標(biāo)水在線檢測的三項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)（pH值、余氯、濁度）和進(jìn)出水流量的中控顯示，在中控室可以對全廠設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并隨時查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1.2? ? 出水水質(zhì)要求

對原水進(jìn)行處理后，出廠水水質(zhì)必須滿足國家頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）相關(guān)要求。

1.3? ? 自來水廠工藝介紹

1.3.1? ? 工藝流程圖

水處理工藝方案為混合、絮凝沉淀+過濾工藝，具體如下：芡河水→混合→絮凝→沉淀→過濾→清水池→二泵房→供水管網(wǎng)。工藝流程圖如圖1所示。

1.3.2? ? 工藝流程說明

自來水廠通過混合、絮凝、沉淀、過濾、消毒這幾個主要步驟來完成自來水的生產(chǎn)。

（1）混合的基本要求是藥劑投加后，水流使藥劑均勻地?cái)U(kuò)散到整個水中，即快速混合。

（2）絮凝的基本要求是有良好的水力條件和足夠的絮凝時間，本次絮凝形式是常用的網(wǎng)格絮凝。

（3）沉淀的基本要求是有足夠的沉淀時間，進(jìn)出水均勻，池內(nèi)水流穩(wěn)定，盡量提高沉淀效率，減少紊動。本次沉淀形式采用目前常用的平流式沉淀池。

（4）過濾一般是指以石英砂等有空隙的粒狀濾料層通過粘附作用截留水中懸浮顆粒，從而進(jìn)一步除去水中細(xì)小懸浮雜質(zhì)、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等，使水澄清的過程。

（5）水經(jīng)過濾后，濁度進(jìn)一步降低，同時亦使殘留細(xì)菌、病毒等失去渾濁物保護(hù)或依附，為濾后消毒創(chuàng)造了良好條件。雖然經(jīng)過混凝、沉淀和過濾，可以除去水中大多數(shù)細(xì)菌和病毒，但消毒能起到保證飲用水達(dá)到細(xì)菌學(xué)指標(biāo)的作用，同時它也能使城市水管末梢保持一定的余氯量，以控制細(xì)菌繁殖并預(yù)防污染。目前自來水常用的消毒方法為二氧化氯消毒。

2 電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)自來水廠工藝要求，配置必要的檢測儀表、可編程控制器（PLC）、工控機(jī)和通信系統(tǒng)，構(gòu)成分布式集中控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

（1）中央控制層;

（2）PLC現(xiàn)場控制層;

（3）網(wǎng)絡(luò)通信層。

2.2? ? 設(shè)計(jì)要求

監(jiān)控系統(tǒng)建立在開放型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“開放”體系，使系統(tǒng)易于擴(kuò)充和升級，且滿足以下要求：

（1）HMI軟件必須具備很強(qiáng)的可靠性及實(shí)時性，與整個自動化系統(tǒng)高效、無縫集成。

（2）設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范要求;廣泛采用分布式處理技術(shù)，具有良好的可移植性、可擴(kuò)展性和聯(lián)網(wǎng)功能;便于功能和系統(tǒng)的擴(kuò)展及升級。

（3）為了達(dá)到高可靠性，兩臺監(jiān)控站應(yīng)互為熱備。

（4）具有系統(tǒng)診斷及過程診斷功能，以便在出現(xiàn)故障時及時進(jìn)行故障定位。

2.3? ? 電氣自控系統(tǒng)組成

電氣自控系統(tǒng)本著技術(shù)先進(jìn)、性價比高、實(shí)用可靠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程采用以PLC為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在中央控制室利用工控機(jī)對廠內(nèi)各工況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。設(shè)備控制層PLC各個子站與上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)相互獨(dú)立，可以不依靠上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，保證了生產(chǎn)過程的獨(dú)立性和安全性。

各PLC之間及PLC與中央控制系統(tǒng)之間通過光纖EtherNet（以太網(wǎng)）相互連接。

PLC站與控制室工控機(jī)組成局域網(wǎng)，工控機(jī)具備友好的組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)對PLC站的監(jiān)控，可及時了解現(xiàn)場運(yùn)行情況，包括各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值，配電系統(tǒng)、檢測儀表和工藝設(shè)備是否異常等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)、工藝檢測參數(shù)的設(shè)定、異常狀態(tài)的報(bào)警和處理功能。同時，動態(tài)顯示全廠工藝流程、各工段監(jiān)控畫面、工藝及電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)圖表，繪制各種參數(shù)運(yùn)行曲線，做出趨勢分析，供技術(shù)人員分析比較，以便確定最佳運(yùn)行方案。

系統(tǒng)控制級別由高到低為：就地控制、遠(yuǎn)程手動控制、遠(yuǎn)程自動控制。離工藝過程越近的控制層具有越高的優(yōu)先權(quán)。

2.4? ? 中控室設(shè)備

中控室設(shè)備主要包括工控機(jī)、打印機(jī)、組態(tài)軟件、拼接大屏等，本次系統(tǒng)組態(tài)軟件選用的是組態(tài)王，性價比很高，功能也很強(qiáng)大。中控室最核心的是兩臺研華工控機(jī)和兩套組態(tài)王無限點(diǎn)運(yùn)行版軟件。

2.5? ? 現(xiàn)場PLC控制站

本次控制系統(tǒng)包含5個現(xiàn)場PLC控制站，系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)為1 090點(diǎn)，I/O分布：1#PLC站（DI：80/DO：40/AI：20/AO：6）;2#PLC站（DI：80/DO：80/AI：20/AO：6）;3#PLC站（DI：80/DO：40/AI：40/AO：10）;4#PLC站（DI：232/DO：120/

AI：40/AO：10）;5#PLC站（DI：120/DO：40/AI：20/AO：6）。

2.5.1? ? 1#PLC站

1#PLC站為取水泵房控制站，包含西門子S7-1500 PLC及模塊、電氣柜、觸摸屏、交換機(jī)、電氣元器件、安裝輔材、成套裝配等，PLC模塊配置清單如表1所示。

2.5.2? ? 2#～5#PLC站

2#PLC站為沉淀池控制站，3#PLC站為配電間控制站，4#PLC站為濾池控制站，5#PLC站為脫水機(jī)房控制站。各站點(diǎn)配置與1#PLC站相似，都是西門子S7-1500 PLC，模塊數(shù)量略有差異，濾池控制站控制點(diǎn)數(shù)較多，所以輸入/輸出模塊的數(shù)量也比其他站點(diǎn)多。

2.5.3? ? PLC品牌選擇

本次PLC選用西門子S7-1500 PLC。西門子S7-1500作為迄今為止功能最強(qiáng)大、高性價比的PLC之一，得到了廣泛應(yīng)用。本項(xiàng)目選擇S7-1500 PLC的原因如下：

（1）S7-1500 CPU上配置有LED顯示屏，可方便地顯示CPU狀態(tài)和故障信息等。

（2）S7-1500所有CPU集成1～3個PROFINET接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級通信和公司網(wǎng)絡(luò)通信低成本快速組態(tài)。

（3）由于S7-1500 PLC可以無縫集成到博途軟件中，無論是硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接和上位組態(tài)，還是軟件編程，其操作均簡單快捷。

3 設(shè)備控制及調(diào)試

自來水廠自動化控制與現(xiàn)場的工藝聯(lián)系緊密，本次主要介紹加藥系統(tǒng)和濾池系統(tǒng)，其他工藝段設(shè)備不再一一贅述。

3.1? ? 加藥系統(tǒng)控制

加藥系統(tǒng)主要包含以下幾種藥劑：堿鋁、氫氧化鈉、次氯酸鈉。堿鋁藥劑主要作用是快速吸附水中懸浮物，起到助凝作用;氫氧化鈉藥劑主要用于調(diào)節(jié)原水pH值;次氯酸鈉溶液在水中主要水解為次氯酸和次氯酸根，次氯酸有強(qiáng)氧化性，從而可以達(dá)到消毒的效果。

加藥系統(tǒng)自帶PLC控制器，由自控系統(tǒng)PLC負(fù)責(zé)計(jì)算加藥量，由加藥PLC負(fù)責(zé)控制藥劑制備、加藥計(jì)量泵啟停以及攪拌機(jī)啟停。

3.2? ? 濾池系統(tǒng)控制

作為自來水廠水處理中間環(huán)節(jié)，也是自來水廠工藝核心部分，濾池系統(tǒng)由濾池進(jìn)水、濾池、濾池出水、反沖水池、反沖風(fēng)機(jī)、反沖水泵和濾池配套閥門閘門組成，濾池運(yùn)行有兩種工作狀態(tài)，即濾池過濾和濾池反沖，在運(yùn)行過程中，兩種狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。

濾池過濾：正常情況下，濾池進(jìn)水閘門打開，濾池出水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至一定開度，廠區(qū)水源從濾池進(jìn)水途經(jīng)濾池濾料，最終自流至反沖水池，為保證濾池過濾均衡，通常通過調(diào)節(jié)出水蝶閥保持濾池液位恒定。

濾池反沖：濾池過濾一段時間后，由于濾料表層對水中懸浮物和浮渣的隔離，水中雜質(zhì)被留在濾料中，當(dāng)雜質(zhì)沉積到一定程度，濾池過濾效率就會大大降低，嚴(yán)重情況下會造成濾池堵塞，這時就需要進(jìn)行濾池清洗，即濾池反沖。

圖2所示為蚌埠自來水廠濾池反沖流程，需要在濾池反沖不同階段打開或關(guān)閉濾池閥門，啟動運(yùn)行反沖風(fēng)機(jī)或反沖水泵。

3.3? ? 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試前，對現(xiàn)場全部場地及設(shè)備進(jìn)行清潔，創(chuàng)造良好的現(xiàn)場環(huán)境并防止意外事故的發(fā)生。

按照接線原理圖和接線表逐一核查設(shè)備端和控制柜端的接線是否符合設(shè)計(jì)要求。接線核查完畢，控制柜和被控設(shè)備上電。現(xiàn)場和控制室各一人，現(xiàn)場人員啟停設(shè)備，控制室人員查看觸摸屏顯示或PLC上指示燈，每個開關(guān)量信號核對4次，即“閉合—斷開—閉合—斷開”，這樣按照接線表，逐一測試各個設(shè)備狀態(tài)信息。

當(dāng)現(xiàn)場所有設(shè)備信號校對正確，即校對完成后，開始單動測試。

現(xiàn)場人員將設(shè)備“遠(yuǎn)程/就地”旋鈕旋至遠(yuǎn)程，控制室人員在上位機(jī)手動啟動或打開設(shè)備，在此期間，現(xiàn)場人員和控制室測試人員確認(rèn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變化，最終保證被控設(shè)備能控，并且達(dá)到預(yù)期的控制要求。

在水廠所有設(shè)備能正確單動控制后，開始聯(lián)動測試。

聯(lián)動測試環(huán)節(jié)是控制系統(tǒng)測試的最后環(huán)節(jié)，也是整個儀控系統(tǒng)最復(fù)雜和最重要的環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)需要多方的參與。其中，自控工程師兩人，負(fù)責(zé)中控室和現(xiàn)場測試操作;工藝人員和設(shè)備人員配合自控工程師，指導(dǎo)和優(yōu)化控制系統(tǒng)控制效果;自控工程師根據(jù)使用單位工藝工程師要求，調(diào)整系統(tǒng)控制算法、參數(shù)，使自控系統(tǒng)滿足使用單位的管理和維護(hù)需要。

4 結(jié)語

本文介紹的電氣自控系統(tǒng)采用了工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)的集中管理、分散控制體系結(jié)構(gòu)，最大程度地保證了整個系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計(jì)中采用合理工藝、合理布置，盡量降低工程投資，在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，爭取獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)配置考慮了適當(dāng)余量，方便以后擴(kuò)展。

另外，需要重視的是，程序設(shè)計(jì)不能閉門造車，在現(xiàn)場要多聽業(yè)主或相關(guān)工藝人員的意見，充分考慮工程實(shí)際操作、管理、維護(hù)的方便，降低勞動強(qiáng)度。

筆者通過這次自來水廠電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更全面地了解了自來水廠的自控設(shè)計(jì)流程和注意事項(xiàng)，在實(shí)際實(shí)施過程中對方案進(jìn)行了部分完善，特別是現(xiàn)場濾池控制過程的調(diào)整，總的來說，受益匪淺。雖然說每個項(xiàng)目都不可能一樣，每個自來水廠的設(shè)備或工藝都有所差異，但萬變不離其宗，其電氣自控系統(tǒng)的架構(gòu)是相通的，也許選擇的PLC品牌不一樣，但它們的原理是一樣的。本次電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程及設(shè)備控制方式，可為今后自來水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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收稿日期：2021-02-23

作者簡介：陳美林（1984—），男，江西新余人，工程師，研究方向：電氣自動化。