水廠自動化控制系統設計的論述

(沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司，沈陽 110023)

0 引 言

水廠自動化控制系統經歷了從無到有、從簡單到復雜的過程。從一開始僅有常規儀表檢測，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才真正建立起來。隨著城市現代化建設的發展，環境保護、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已經遠遠不能滿足現代化生活和企業運作的需要，因此現代化的水廠自動化控制系統技術應運而生。通過先進的水廠自動化控制系統，可實現對水廠的安防監控、生產過程控制、信息管理。水廠自動化控制系統在水廠的生產管理中發揮了舉足輕重的作用。現代化的水廠自動化控制系統建立了企業信息的管理，供水生產中各種資源共享，使供水生產統一調度管理，提高管理水平及生產效率[1]。

1 控制方式

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

2 自控系統主站配置

水廠自動化控制系統設計原則為安全可靠，設備選型先進，建設一個具有現代化控制水平的水廠。控制系統選用集散型控制系統，即分散控制、集中監測管理的控制方式。

水廠中心控制室主站設在辦公樓內，主站負責全廠生產過程的調度、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，設備運行狀態以及電氣參數，水廠主要運行狀態參數通過工業以太網送至調度中心。

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

在水廠中心控制室設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。可看作是一臺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、關的實現。

2.1 中心控制室配置

設有微型計算機(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)、2臺UPS(不間斷電源)、1臺工業以太網交換機、3塊以太網通訊卡、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。本工程在中控室設有大型顯示模擬盤，可以模擬顯示水泵的運行狀態，閥門的開、關狀態以及水廠工藝檢測儀表的參數。水廠自控系統網絡為工業以態網，網卡速度為100 Mbps，數據總線采用雙重化結構，保證控制系統數據信號傳輸的可靠性。系統通過光電轉換器由六芯鎧裝光纜傳輸信號[4]。

2.2 自控系統編程軟件

包括系統程序軟件和應用程序軟件。控制系統軟件應建立在Windows平臺上，系統軟件具有開放性，即不僅有實時監控功能，而且還具有實時數據管理和控制功能，以保證控制系統與通訊管理系統的可靠連接，控制系統組態靈活，并能夠建立數據、查詢、報表等功能。

2.3 自控系統畫面顯示功能

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(即儀表流程圖)，并能實時動態顯示各主要水處理過程和重要技術參數，在工控機上能夠分窗口動態顯示生產過程畫面。如水泵、閥門的開、停狀態顯示。并能夠實時顯示液位、流量、濁度、PH、余氯、壓力等儀表參數變化趨勢圖和棒狀圖等[5]。

3 管理計算機系統

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

管理計算機系統網絡采用高速實時工業以太網技術，通過覆蓋全廠的綜合布線系統，為全廠搭建了一個高速的信息交換平臺，使全廠的生產過程信息、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。防火墻為網絡內外信息交換提供了安全保障。

管理計算機系統主要由辦公計算機、視頻服務器、數據服務器、WEB服務器、網絡交換機、防火墻、路由器等設備構成。系統主要包括：生產經營輔助決策子系統、生產調度管理指揮子系統、設備管理子系統、綜合辦公管理子系統等[6]。

4 生產過程自動化系統設計

設計以安全、經濟、先進、可靠、實用為原則，選擇具有行業內先進水平的軟硬件產品。使系統在結構上具有一定的開放性、可擴展性；在配置上具有完整性、適應性。根據水廠生產設備、生產管理、工藝流程、構筑物位置分布相對集中的特點，系統選用目前國內外水行業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。系統由三層網絡構成：中央監控系統、現場設備控制站、現場設備控制單元。

集散系統的分布式系統結構保證了控制系統的穩定可靠和易于擴展；采用西門子PLC控制器能完成現場工藝參數采集、設備控制；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的極強的聯網能力使各站點之間能方便可靠地傳遞控制參數和狀態信息，模塊化設計使之可以靈活配置和適應不同的網絡結構。

工業控制網采用冗余環網結構、以光纖作為傳輸介質，保證網絡的可靠性、安全性。現場設備控制單元之間、現場設備控制單元與現場分控站之間采用工業現場總線進行通訊。現場分控站與主控站之間采用工業以太網進行通訊。系統控制設備之間相對獨立運行，現場控制站、設備控制單元發生故障時，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。操作人員通過現場操作終端對該控制站監控范圍內的設備進行就地集中控制，或在中控室授權后就地更改設定本站的工藝控制參數。

5 自控系統分控站配置

5.1 凈水車間分控站

凈水車間共10組濾池，設1面開謎利思控制柜和1面終端控制柜，開謎利思控制柜內設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聯網控制。凈水車間分控站輸入的數字量約為402個，輸出的數字量約為269個，輸入的模擬量約為4個，所以凈水車間分控站配置：設數字量輸入模塊26塊、數字量輸出模塊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、工業以太網交換機1臺、以太網通訊模塊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字量約為42個，輸出的數字量約為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：設數字量輸入模塊3塊、數字量輸出模塊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、工業以太網交換機1臺、以太網通訊模塊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場信號。

5.3 加氯間分控站

由于加氯間輸入的數字量約為28個，輸出的數字量約為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：設數字量輸入模塊2塊、數字量輸出模塊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、工業以太網交換機1臺、以太網通訊模塊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場信號。

5.4 脫水車間分控站

由于脫水車間輸入的數字量約為34個，輸出的數字量約為13個，輸入的模擬量約為18個，所以脫水車間分控站配置：設數字量輸入模塊3塊、數字量輸出模塊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、工業以太網交換機1臺、以太網通訊模塊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場信號。

6 廠區安防監控系統

傳統的高墻和人員巡視措施已經遠不能滿足目前要害場所安全防范及生產管理監控的要求，因此建立廠區數字監控系統是大、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控相結合的方式，在中心控制室設視頻監視終端，可以監視廠區、廠區圍墻及廠區大門的安全狀態。在廠區圍墻及大門安裝電子圍欄和紅外對射，在廠區安裝紅外攝像機實現廠區無死角視頻監控和視頻報警功能。

7 結束語

水廠自動化控制系統設計的最終目的是達到國家飲用水水質標準、提高經濟效益、降低電耗、提高安全生產、降低藥耗、減輕勞動強度的目的。水廠自動化控制系統是以生產過程的信息傳遞、集成、采集為主，與企業的生產工藝調度、水質監控、自動投加藥等技術緊密結合的生產自控系統。在水廠自動化控制系統設計中，應遵循信息共享化、網絡化、合理化、滿足工藝要求來進行規劃和設計。

[1] 廖常初.PLC編程及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2002：135.

[2] 袁海洲. Profibus技術概述[J]. 電工技術,2002：83.

[3] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社,1999：72.

[4] 袁秀英. 組態控制技術[M] .北京：電子工業出版社，2003：210.

[5] 張傳祥.電氣自動控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003.

[6] 賈 娜，姜雪松，孫 杰，等.基于聲信號的供氣管道閥門泄漏監測與定位系統研究[J].森林工程，2014(5)：96-98.