自動控制系統在水廠中的應用

吳勇

摘 要：本文重點介紹了自動控制系統在水廠中的應用實現，還介紹了水廠的計算機自動控制系統的結構、功能、特點和應用效果。該系統在全國供水行業中處于領先水平，投入使用七年多來運行效果非常良好，大大減輕了相關制水人員的勞動強度，有力的保障了城市供水安全。

關鍵詞：計算機自控系統；水廠；PLC

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0042-03

1 水廠自控系統概述

合肥市第六水廠工程總規模為60萬m3/d，分期實施，一期：設計規模30萬m3/d，二期擴建規模30萬m3/d。水源為大房郢水庫，水質屬國家地表水Ⅱ～Ⅲ類。水廠廠址確定在大房郢水庫東岸的錢小店，蒙城北路與合瓦路交叉口西南角，緊靠蒙城北路和合瓦路。規劃總占地面積24.67公頃（370畝），其中一期工程占地19.83公頃（297.4畝，二期工程占地4.84公頃（72.6畝）。

全廠自控系統可以分成幾個子系統：（1）中心控制室系統：由數據庫服務器、監控計算機、便攜式編程計算機和工業交換機、智能交換機構成管理以太網，確保本水廠是一個有序、高效的調度管理系統。（2）PLC控制系統：源水泵房分站、加氯分站、反沖洗泵房分站（包括濾池子站）、送水泵房分站的PLC控制系統與監控中心成一個快速光纖以太環網，當某處的光纖斷開時，整個系統仍能繼續正常工作。（3）儀表系統：在水廠各個工藝環節上配置超聲波液位計、壓力變送器、PH計、在線濁度儀、總氯分析儀、電磁流量計等儀表，組成一個龐大的在線儀表檢測系統，儀表是水廠的眼睛，通過監控中心實時工藝儀表數據，為水廠提供更科學更合理的調度方案和決策依據。（4）防雷系統：由電源避雷器、信號避雷器等組成一個安全可靠的防雷接地系統。（5）安防系統：CCTV系統采用模擬與數字相結合的方式，通過帶有以太網的光端機傳輸信號，控制中心設在綜合樓中心控制室。由室外全天候攝像機、矩陣、硬盤錄象機等組成一套完整的工業電視監控系統，既可單一畫面顯示也可分組輪巡顯示生產區域的工藝設備的運行狀況，確保廠區安全。配置紅外主機和紅外對射探頭組成周界報警系統，有效防止事故發生[1]。

2 自控系統總體設計

2.1 概述

全廠的控制管理系統是基于現代先進控制思想的分布式計算機控制系統（即集散型控制系統），它集成了當代計算機技術、高性能控制器及智能化儀表的各自特點于一身，使其在水廠的運行管理方面發揮了巨大的作用。由可編程序控制器（PLC）及自動化儀表組成檢測控制系統——現場控制站，以控制分區為對象，具有獨立的區域控制能力，能接受中央控制的調控，但不依賴中央控制的存在，對水廠各過程進行分散控制；再由中央控制室，對全廠實行集中管理。現場控制站根據水廠所采用的工藝和構筑物的平面分布，設置在控制對象和信號源相對集中的建筑物中。各現場控制站與中央控制室之間由快速光纖以太網進行數據通信，通訊介質為光纜；現場控制站與現場測控儀表的連接采用24VDC電壓數字信號及標準4～20mA模擬信號通訊，通訊介質為控制電纜及信號電纜；現場控制站與工藝設備電控裝置的連接采24VDC電壓數字信號及標準4～20mA模擬信號通訊，通訊介質為控制電纜及信號電纜；測量儀表、在線式分析儀表、電動執行器是具有微處理器的智能設備[2]。

2.2 設備的控制方式

（1）現場手動模式：設備的現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“就地”方式時，通過現場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現對設備的啟/停、開/關操作。（2）遙控模式：即遠程手動控制方式。現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程” 開關選擇“遠程”方式時，操作人員通過中控系統操作站的監控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“遙控”方式并對設備進行啟/停、開/關操作。（3）自動模式：現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“遠程”方式，操作人員通過中控系統操作站的監控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“自動”方式時，設備的運行完全由各現場控制站根據水處理廠的工況及生產要求來完成對設備的運行或開/關控制，而不需要人工干預。（4）控制方式設計為：就地手動控制優先，在此基礎上，設置遠程遙控和自動控制?？刂萍墑e由高到低為：現場手動控制、遙控控制、自動控制。手動干預是操作人員的專有權利，因為過程連鎖在此模式下無效；而自動模式下，安全連鎖是有效的，并限制操作的可能性，可防止非正常狀態下運行。離工藝過程越近的控制層具有更高的優先權。設備的控制地點有下面的方式區分：首先通過轉換開關的就地/遠程切換，選擇是由現場就地電氣控制還是遠程控制，現場就地電氣控制就是上述的現場手動；遠程控制由中央監控站控制和現場人機界面，通過設置密碼來設置權限。

2.3 系統功能設計

2.3.1 中央控制室

（1）采集工藝過程數據、設備運行狀態，自動調節生產數據、控制工藝設備運行。（2）在監控計算機上顯示總工藝流程圖，分段工藝流程圖，供電系統圖，工藝參數，電氣設備運行狀態等，以"人—機"對話方式指導操作，遙控狀態下，可用鍵盤或鼠標設定工藝參數、控制電氣設備。（3）根據采集到的信息，自動建立數據庫，保存工藝參數，電氣設備運行狀態、報警數據、故障數據，并自動生成工藝參數的趨勢曲線。管理人員通過對工藝曲線進行分析、研究，進一步改進工藝運行方案，提高生產效率。（4）按生產管理要求打印年、月、日、班運行報表，報警報表，故障報表及工藝流程圖（彩色硬拷貝）。實時報警打印和故障打印。（5）通過快速光纖以太網與分控制站的現場控制系統進行通信。計算機系統可在線診斷各類故障。（6）提供不間斷電源，保證在發生停電故障時該系統仍能安全可靠地運行。（7）可以與工廠管理系統聯網，實現資源共享、綜合管理。

2.3.2 現場控制站

（1）按控制程序對所轄工段內的工藝過程、電氣設備進行自動控制，同時采集工藝參數及電氣設備運行狀態。（2）通過快速光纖以太網與中央控制室的監控管理系統進行通信。向監控管理系統傳送數據，并接受監控管理系統發出的開停機命令。（3）采集的主要工藝參數有：水位、濁度、PH等。（4）提供不間斷電源，保證在停電故障時系統仍能安全可靠地運行。

2.3.3 就地控制

在設備調試、維修階段提供現場操作的手段，在意外情況下可以以最快的方式進行現場緊急停車。

3 自控系統總體功能

（1）管理控制一體化。以計算機、網絡系統為先進手段，實現水廠的引水、凈化、給水系統的管理控制一體化，形成生產調度，事務信息管理，監督控制在內綜合信息管理系統。（2）實現動態的生產調度。利用自動采集到的數據與生產調度的實時數據通過網絡系統反映上來，經過對數據的分析，加工處理形成的水質質量、能耗等數據以圖表或圖形方式表示出來，供領導及管理人員可及時按其經驗和知識做出符合實際的判斷，下達指令去指導生產。（3）可實現生產過程的先進過程控制及優化。在利用完整數據源的基礎上和電腦的計算能力，開發出先進控制的數學模型，使與經濟效益直接相關的產量、質量提高和原料、能耗降低，從而獲得可觀的經濟和社會效益。使凈水廠的運作向系統化、信息化、科學化的生產模式發展，最終達到提高經濟效益和市場競爭力的目的。

我們水廠自控系統工程，自控系統具有穩定性、可靠性的特點，在保證符合設計出水水質要求前提下，還突出其先進性，確保該系統達到或超過國內的先進水平。

4 我廠自控系統特點

4.1 先進性、可靠性、合理性

水廠自動化系統部件的可靠性是整個整個系統長期穩定運行的關鍵因素。PLC、監控站、網絡設備、監控軟件等系統核心部件以及斷路器、開關電源、繼電器、端子等易損件均選用工業級、抗干擾能力強、工作環境、在水廠自動化系統領域有長期運行經驗的國內外知名品牌。整個自動化系統能夠在嚴格的工業環境下長期、穩定地運行。系統組件的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。并且易配置、易接線、易維護、隔離性好，結構堅固，抗腐蝕，適應較寬的溫度變化范圍，能夠承受工業環境的苛刻條件。

4.2 先進性

AB公司的PLC控制系統廣泛應用于工業自動化領域，具有全范圍的高性能、可相互兼容的控制產品，能為各種控制需求提供正確的解決方案。具有模塊化結構且配置靈活，能滿足中規模到大規?？刂葡到y的高性能需求。高速數據通訊控制網介質采用多模光纖，整個以太光纖網具有管理功能和自診斷功能，特別適合工業環境應用。

4.3 實時性

我們選擇的系統設備高技術指標保證了系統的實時性，系統設備的實時性反映在系統的時間響應上，包括了主機處理、存貯器存貯，I/O接口響應，數據采集處理，通道傳送和軟件等的速度或效率，而且還考慮了重載的影響。

4.4 開放性及擴展性

開放性的系統整體結構可以保證系統具有較長的生命周期。從發展角度考慮，任何系統在投入運行以后都可能會有一些變更，因此系統必須具有靈活的結構，具有良好的開放性，在軟件和硬件的配置上應能靈活增減掛接。具有強大的系統維護和診斷功能，保證系統安全、可靠的運行。我們選擇系統硬件及軟件產品具有模塊化的特點，硬件擴展方式多樣，具有各種I/O模塊適用不同的需求，支持多種國際標準主流通訊協議，實現透明傳送；系統結構設計立足于成熟可靠的計算機技術，分層、分級的網絡化結構為系統日后的變更、擴容、升級提供方便；軟件支持多種數據交換方式，提供各種數據庫接口[3]。

4.5 故障診斷和可維修性

我們提供的系統硬件具有高度的在線維護性能。包括PLC、網絡通訊設備、監控軟等都具有完備的自診斷功能。任何節點故障、設為離線或從系統中移去不會影響其它節點正常運行。PLC的I/O模塊可帶電插拔。當PLC中某關鍵部件（如CPU）故障時，其I/O的狀態將返回到系統根據工藝要求預設置的狀態。監控軟件是國際主流監控軟件，產品具有全中文開發及操作接口，生動的圖像畫面，簡潔安全的操作接口，歷史趨勢記錄查詢，報表打印，實時聲光報警，歷史報警和事件查詢以及多級別的安全登陸系統。作為直接面對調度人員的接口，其功能強大實用，操作簡單。

4.6 安全性

系統安全性主要考慮三個方面即：操作習慣和步驟的安全性；通信的安全性；硬件、軟件和固件的安全性。這些安全性的實現通過軟、硬件產品的自身質量品質保證以及應用軟件的合理編制來保證。道進行重發極限時，將發出適宜的警報。

4.7 可變性

系統可變性是對中央主控級和現場控制裝置中點參數或結構配置改變時難易程度的度量，由于該系統選用軟件的強大功能，將大大提高系統的可變性。

5 站點的設置

根據設備相對集中，工藝功能相對統一為原則，生產現場設置10個現場PLC控制站（PLC1-PLC10）：PLC1控制站為取水泵房控制站；PLC2控制站為一期加藥控制站，PLC3控制站為二期加藥控制站，這兩個站點負責對16個高負荷沉淀池進行相關加藥控制單元；PLC4控制站為高密池A線控制站，PLC5控制站為高密池B線控制站，PLC6控制站為高密池C線控制站，PLC7控制站為高密池D線控制站，PLC8控制站為反沖洗泵房控制站，帶32個濾池現場控制單元（PLC8-1～PLC8-32）；PLC9控制站為加氯控制站；PLC10控制站為送水泵房控制站。系統控制設備之間相對獨立，現場控制站、設備控制單元發生故障時，不會影響到其它控制單元的正常運行[4]。

5.1 PLC1控制站

PLC1主站負責取水及原水數據等有關設備及工藝水質參數的檢測。該站設置一臺現場工控機做為人機界面，控制器通過帶光纖接口的工業型以太網交換機連入光纖環網。控制站包括控制機柜、控制器、電源模塊、各種I/O模塊、網絡通訊適配器、不間斷電源等。變配電間的各種運行數據經由配電柜上的儀表通過總線方式進入PLC1控制站；其它所必需的數據則直接由PLC1控制站的I/O進入系統。PLC1的TCP/IP接口經交換機后通過多模光纖環路送至水廠的控制室的主干交換機上，其所有監控數據上傳至水廠中心控制室，并接受其遠程監控。

5.2 取水泵房PLC1控制主站功能設計

（1）實時監測取水泵房包括變配電間的工藝參數、重要設備的運行參數；（2）所有重要設備的控制均需設置手/自動轉換開關，具備手動、自動控制功能；（3）對供水機組進行啟?？刂疲冾l調速機組能做到調速控制；（4）根據取水泵集水坑水位自動控制排水泵的運行；（5）根據取水泵的操作情況自動控制抽真空系統設備的運行；（6）根據用戶需要定制各種生產報表。

5.3 PLC2控制站～PLC3控制站

加藥控制站，PLC2控制站（加藥控制站）設于加藥間控制室，同時設置2個運行子站（PLC2-1，PLC2-2）用以控制高負荷沉淀池上的設備，本站的自動化控制由工藝廠商集成。該站設置一臺現場工控機做為人機界面，控制器通過帶光纖接口的工業型以太網交換機連入光纖環網。根據用戶需要定制各種生產報表。將工藝及控制流程集成到組態軟件。PLC2的TCP/IP接口經交換機后通過多模光纖環路送至水廠的控制室的主干交換機上，其所有監控數據上傳至水廠中心控制室，并接受其遠程監控。

5.4 PLC4控制站～PLC7高密池控制站

我廠是安徽省首家采用法國得利滿公司專利的高密池。我廠使用的沉淀池與一般國內采用的沉淀池不一樣，它是得利滿公司運用先進技術開發出嶄新的高密度澄清池系統，高密池可以很好地控制沉淀池出口水水質。該系統應用面廣泛，適用于飲用水生產、污水處理、工業廢水處理和污泥處理等領域。高密度澄清池帶有外部泥渣回流的專利澄清技術。高密度澄清池亦簡稱為高密池。高密度沉淀池A～D線控制單元，設于高密池控制間，用以控制高負荷沉淀池各種設備的操作，所有數據通過光纖環網送至水廠的監控操作中心，接受其遠程監控。當班操作人員根據權限直接在上位機對各個現場設備直接快速進行操作，大大降低了勞動強度，保障了出廠水水質安全。

5.5 PLC8控制站、反沖洗泵房控制站

PLC8_1～PLC8_32控制子站：砂濾池控制子站共設計32套，PLC8站（反沖洗泵房控制站）設于反沖洗泵房變配電間控制室，下設PLC8-1～PLC8-32站點，32個運行子站以控制32組V型濾池。該站設置一臺現場工控機做為人機界面，控制器通過帶光纖接口的工業型以太網交換機連入光纖環網。同時32個濾池子站（PLC8-1至PLC8-32）采用光纖方式與反沖洗泵房分站組成環網?？刂普景刂茩C柜、控制器、電源模塊、各種I/O模塊、網絡通訊適配器、不間斷電源等。PLC8的TCP/IP接口經交換機后通過多模光纖環路送至水廠的控制室的主干交換機上，其所有監控數據上傳至水廠中心控制室，并接受其遠程監控。

5.6 反沖洗泵房PLC8控制站功能設計

（1）監測反沖洗泵房反沖洗設備的運行狀況，監測32組V型濾池的運行工況；（2）所有重要設備的控制均需設置手/自動轉換開關，具備手動、自動控制功能；（3）對32組V型濾池的過濾工藝實施自動控制；（4）對32組V型濾池的反沖洗工藝實施自動控制；（5）根據回水泵房水位及工藝運行要求，自動控制3臺回收水泵的運行；（6）監測反沖洗泵房變配電系統的運行參數；（7）PLC8-1～PLC8-32通過適當的方式與PLC8進行網絡通訊；（8）根據用戶需要定制各種生產報表；（9）PLC8-1～PLC8-32機柜帶有給相對應濾池電動閥門配電的空氣開關。

5.7 PLC9控制站

加氯控制站，PLC9控制站（加氯控制站）設于加氯間控制室。該站設置一臺現場工控機做為人機界面，控制器通過帶光纖接口的工業型以太網交換機連入光纖環網。控制站包括控制機柜、控制器、電源模塊、各種I/O模塊、網絡通訊適配器、不間斷電源等。PLC9的TCP/IP接口經交換機后通過多模光纖環路送至水廠的控制室的主干交換機上，其所有監控數據上傳至水廠中心控制室，并接受其遠程監控。

5.8 加氯間PLC9控制站功能設計

（1）利用電子秤對氯瓶進行秤量，并設低限報警開關，實現自動壓力切換，保證不間斷供氯；（2）采集加氯間所有重要設備的運行狀況；（3）所有重要設備的控制均需設置手/自動轉換開關，具備手動、自動控制功能；（4）在保證出水水質的前提下，通過控制加氯設備的運行，盡可能地降低原料消耗；（5）根據用戶需要定制各種生產報表。

5.9 PLC10控制站

送水泵房控制站，設于送水泵房變配電間控制室。該站設置一臺現場工控機做為人機界面，控制器通過帶光纖接口的工業型以太網交換機連入光纖環網。控制站包括控制機柜、控制器、電源模塊、各種I/O模塊、網絡通訊適配器、不間斷電源等。變配電間的各種運行數據經由配電柜上的儀表通過總線方式進入PLC10控制站；其它所必需的數據則直接由PLC5控制站的I/O進入系統。PLC10的TCP/IP接口經交換機后通過多模光纖環路送至水廠的控制室的主干交換機上，其所有監控數據上傳至水廠中心控制室，并接受其遠程監控。

5.10 送水泵房PLC10控制站功能設計

（1）實時監測送水泵房包括變配電間的工藝參數、重要設備的運行參數；（2）實時監測出廠水各類水質、流量參數；（3）所有重要設備的控制均需設置手/自動轉換開關，具備手動、自動控制功能；（4）對供水機組進行啟停控制，變頻調速機組能做到調速控制；（5）根據送水泵集水坑水位自動控制排水泵的運行；（6）根據送水泵的操作情況自動控制抽真空系統設備的運行；（7）根據用戶需要定制各種生產報表。

6 運行效果

我廠設計日供水能力60萬m3，是安徽省制水廠中生產規模最大的一個制水廠。管理運行這么大規模的制水廠，離不開一個可靠穩定的自動化控制系統。我廠自動化控制系統自2009年11月投入試運行以來，設備運行穩定可靠，其使用率一直保持在100%以上，實現了水廠的全自動化運行，達到了設計要求，同時也保證了供水質量，為合肥市實現“大湖名城”的理想奠定了堅實可靠的保障。

參考文獻

[1]弭洪濤.PLC實用技術[M].科學技術出版社，2013.

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[3]劉國宏.無線電監控系統在自來水公司中的應用[J].自動化博覽，2006（4）：66-67.

[4]張云剛.工業組態技術與應用[M].人民郵電出版社，2008.