自来水厂自控技术方案

自控方案

自来水厂改建工程项目组

二零一一年十月二十日

1 自控系统建立的必要性

原水经过取水、沉淀、过滤、消毒工艺流程后生产出质量合格的自来水，并由送水泵房输送到城市管网.自来水的生产是连续生产过程,前一工艺流程的处理效果会直接影响到后续工艺的处理，生产中任何一个工艺环节出现问题都将可能导致生产产品的质量缺陷，同时也会在一定程度上提高水处理的成本。为了确保产品质量、及时发现生产过程中的异常情况，就要求工艺人员实时掌握生产动态。 

自来水生产过程中机械和电气设备必然产生磨损，因此在日常生产过程中就需要时刻关注重要设备的运行状态。虽然水厂都配置了大量的设备维护人员，但通常情况下只有当维护人员到达现场后才能发现设备故障，且发现的往往都是比较严重的故障，会直接影响正常生产的开展。为了提高设备维护的主动性及时发现设备故障，维护人员需要一个平台来实时了解设备运行状态及运行参数。

综上所述，在水厂日常生产过程中为了更好实施工艺管理，需要建立一个能够直观反映实际生产状况的平台；为了更好地保障设备的正常运行，需要建立一个能够有效反映水处理过程中各重要设备状态及信息的平台.

水厂自控系统具备实时显示生产过程中工艺参数，重要设备运行状态及参数的功能，水厂自控系统的建立能够同时满足工艺和设备维护的需求，为水厂的日常生产的正常开展提供了一个平台。同时,自控系统不仅仅具有信息显示的功能还具备对设备进行远程操作的功能,同时PLC系统还能实现对风机、水泵的远程控制，实现自动投药、自动加氯及滤池恒水位控制及滤池自动反冲洗的功能。自控系统建立后，可以通过自控系统实现对生产现场风机、水泵及阀门的远程操作，并实时反馈设备的操作结果。不再需要运行人员到现场进行设备操作，可实现生产现场的无人值守。运行人员可以将注意力更多的集中到对生产流程的掌握和控制，大大提高了劳动生产率.另外，自控系统能够将实时生产数据保存下来，并以趋势图的方式显示出来,便于运行人员及时查看历史生产状况。因此，自控系统的建立不仅满足了工艺人员和维护人员的需求，极大的提高了劳动生产率，同时也为生产管理的提升提供了有效的数据支持，在水厂的日常生产和管理中扮演了重要作用。

2 自动控制系统说明

根据中国市政工程西南设计研究总院关于《大丰自来水厂改扩建工程施工图设计图纸》及新都大丰新扩建自来水厂工程施工调整、设备报价讨论会议纪要的精神,结合本公司多年水厂自动化施工经验,对大丰自来水改扩建工程自控系统做了如下优化调整:

一、原系统网络拓扑结构为主站与中控室点对点光纤以太网通讯。这种网络拓扑存在的最大隐患是一旦某个主站与中控室的光纤受到损坏，则该主站与中控室的通讯将中断,而通讯的恢复必须待光纤恢复正常为止。因此,建议将网络拓扑结构改为光纤以太环网结构，在这种网络拓扑结构下，每个子站都可通过两条不同的通道与中控室进行通讯，即使网络中的一处光纤受到损伤，也不会影响中控室与主站之间的通讯。

                      调整后自控系统网络拓扑图

二、所有模块I/0设计为二期进行预留，如果暂缓实施，删减相应I/0模块。

3自动控制系统的构成

3.1总体结构与目标

大丰自来水改扩建工程仪表及自控系统按分散控制，集中管理的原则设置,全厂设一处控制室，管理全厂生产过程，在送水泵房、反冲洗泵房、加药间、脱水间分别设置PLC控制站，PLC站组成光纤以太环网。各控制站负责处理局部的数据采集和控制任务。

自动控制系统具备以下功能:

1)在线实时显示各工艺环节生产数据，并根据工艺的要求对生产过程中的异常数据的严重程度进行不同方式的醒目显示及报警信息提示。

2)实时显示水厂生产过程中各重要设备的运行状态及参数，将实际运行参数与设备额定运行参数之间进行比较，对异常参数按照严重程度进行不同方式的醒目显示及报警系信息提示。

3)预留源水应急投加系统自控系统接口。

4)水厂原水取自东风渠，东风渠水位变化较大。系统具有根据原水水位及沉淀池水位情况来对进水机泵进行调节的能力，从而实现进水流量调节的功能。

5)根据进水流量及进水水质情况建立数学模型来实现投药系统的自动控制。

6)采用PID调解实现滤池恒水位过滤;反冲滤池根据水位、滤料层上下压差、时间等参数实现运行—反冲洗—再运行的全自动过程；同时也可以实现在操作界面上进行人工强制自动反冲洗

7)加氯设备实现自动投加功能,前加氯根据原水进水流量比例投加,比例参数可在监控终端上进行手动调节.后加氯根据滤后水流量比例及余氯反馈值实现氯投加量自动调节；

8)在线实时监测清水池液位.同时送水泵房根据送水压力和管网最不利点压力的监测(远传）,采用自动控制变频调节.

9)生产废水污水处理系统缓建，预留自动化接口，本方案根据设计图纸设置P4站，可根据现场情况酌情考虑是否采用；

3.2设备控制方式

水厂内主要的工艺设备设控制、现场控制两层控制模式。控制由水厂控制室操作人员在工作站上完成，具有最低的控制优先级；现场控制则在设备或仪表的现场控制箱、按钮箱、变送器等上操作完成，具有最高的控制优先级.

控制层设有“自动/手动”的两种控制方式，其中手动控制由操作人员在控制室内的工作站上进行设定和控制。

现场控制层设有“远程/就地”的两种控制方式，其中远程方式是由该设备或仪表所联接的PLC控制站进行控制，就地方式是由操作人员在现场的控制箱、按钮箱或变送器上进行手动操作和设定。通常情况下，采用远程方式进行控制，在控制系统维护或者检修期间，切换到就地方式由人工对设备进行操作，确保生产过程的连续进行。

4控制室

控制室（以下简称中控室)是整个控制系统的核心，集成了生产过程中所有实时数据（工艺参数及设备参数）,能够对水厂的全部生产过程进行集中监视、管理及控制。同时,能够对生产过程中出现的各类报警信号进行分级醒目显示及报警信息提示，同时可记录重要历史生产数据，并生成相应的曲线便于工艺人员了解过往生产过程。

系统结构

控制室通过光缆环网与各PLC控制站进行通讯,中控室内设两台操作站计算机用于监控水厂的运行。操作人员通过监控工作站的人机界面监视生产过程，调整工艺参数，控制现场设备。

4.1系统功能

4.1.1运行监视

操作员通过操作站计算机对水厂的生产过程进行监视,包括各主要设备的状态、主要现场数据,如进出口水质、流量、液位、工艺参数、设备状态、电力参数、电量数据、事故报警、历史数据趋势等，用于全盘掌握水厂的生产过程。

4.1.2运行控制

操作员通过操作站计算机可根据需求以及调度指令调整厂内生产，根据监视设备状态和运行记录，以优化的方式生产调度维护。

除了由中控室直接控制的关系到全厂运行调度的设备，控制室一般不直接参与现场设备的具体控制，而主要进行运行监视调度、参数分配和信息管理。控制室向各工艺单体控制系统分配所在单体或节点的运行控制目标，命令某组工艺设备投入或退出运行。对于控制室允许投入运行的设备或设备组，其具体的控制过程由所在单体控制系统管理；对于被控制室禁止投入运行的设备或设备组，由所在单体控制系统控制其退出运行，并被标记为不可用设备，不再对其启动.

4.1.3数据管理

操作站计算机记录有各单体控制系统上报的现场数据，并对这些数据进行处理,形成历史数据库、生产报表、统计报表等。根据历史数据库，可以分析产品质量、能耗指标、成本指标等，并对设备的运行和维护周期进行管理.

4.1.4报警处理

当水厂工艺过程或设备运行出现异常时，中控室立即响应，发出醒目提示及声、光报警提示信号：

醒目提示:当工艺参数或者设备参数发生异常情况后，根据异常程度改变原有显示字体的颜色或闪烁显示，以便运行人员及时发现异常情况。

声报警：由安装于操作站计算机内的扬声器发声，声报警可在人工确认后消除;

光报警:操作站计算机屏幕上闪光显示报警内容，光报警在故障排除，运行恢复正常时自动消除。

报警类型包括:

1)配电开关跳闸，保护装置动作；

2)电源设备故障，发电机故障，频率过低过高；

3)仪表设备工作异常;

4)超高液位、超低液位、流量异常；

5)工艺数据超限；

6)设备工作异常、进线开关跳闸、保护装置动作；

7)闸门、闸阀设备故障、操作超时、运行不到位；

8)控制系统自检发现异常，状态逻辑错误；

9)通信故障;

4.1.5事件处理

事件是指运行事件和重要的系统操作，事件登录按时间顺序排列，以下事件都要记入不可修改的事件登录薄:

1)中控室和各单体控制系统的操作员登录；

2)控制命令和结果；

3)修改设定值；

4)写入数据;

5)全部的报警、确认和删除.

4.1.6报表及打印功能

中控室自动生成客户化的日报表,阶段报表和事件驱动报表 (包括事件和报警文件)等。报表中有实时数据和统计数据,并可以插入说明文字。系统生成的文本,表格,图形，报表等内容均可在打印机上输出。

4.2配置表

在操作站计算机上安装上位监控软件，负责提供清晰、良好的人机界面，便于操作人员操作,包括监视全厂各工业设备运行状态、工艺参数，完成报警、历史数据、历史趋势曲线的储存、显示和查询。实时生成、打印各类生产运行管理报表。利用监控软件开发平台对软件进行应用开发。具体功能描述如下：

4.3.1用户管理

在监控系统中，根据不同的用户设置不同的权限：

1)工程师（系统维护人员)：超级用户，具有所有权限.

2)操作人员：根据不同的操作人员设置不同的操作权限，操作人员无法主动退出监控系统。

4.3.2监视画面

为了便于直观观看整个厂的总貌和生产流程，实时显示检测到的数据,设计如下监视画面：

1)全厂总貌图:显示全厂各工艺点分布情况以及重要水质参数、重要设备运行情况，点击各显示工艺点可以切换至其工艺点监视画面。

2)生产工艺流程图:现场设备的图片，工艺流程图，设备简图，单线图等。画面包括数字、字符和图形符号，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态动态刷新。

3)实时数据显示：

4)历史趋势图：用户可根据需要输入查询时间,以曲线的方式在历史趋势图上显示出来.

5)系统报警图：显示当前所有运行参数报警，系统硬件故障报警,报警优先级和状态通过不同的颜色来区分.报警内容包括：报警时间、报警设定值、报警名称、报警产生原因、报警维持时间以及报警优先级别等.

4.3.3控制画面

根据不同的用户权限，不同的用户具有不同的控制功能。在监控软件的控制画面上即可设置工艺参数，也可对工艺设备进行启停操作，还可对故障设备进行标记，使其退出生产，待维修后，重新投入使用。

4.3.4报表

根据用户要求设定报表格式，报表即可选择打印,也可定时打印。报表包括固定的生产报表和事件顺序报表、诊断报表、设备操作记录等.

5仪表系统

大丰自来水改扩建工程中仪表设计和选型遵循如下原则：

✧准确、全面的反映进出厂水水质参数和水量情况

✧各个处理单元出口主要参数监测，以监视各个处理单元的处理效果

✧检测参与控制的各种工艺参数和物理参数

✧仪表选用运行可靠、性能稳定的产品

根据设计图纸，结合《大丰水厂仪表配置说明》，厂内仪表配置清单如下：

按照控制对象的功能、设备量和所在地理位置划分，全厂共设置4座PLC控制站,分别安装在送水泵房、反冲洗泵房、加药间、脱水间。PLC控制站配置10.4"彩色触摸屏,方便操作人员巡检,就地操作及设备调试。各PLC站监控范围如下：

✧CP1控制站设在送水泵房内，监控范围包括加氯间、送水泵房、清水池、吸水井设备及出水仪表。

✧CP2控制站设在反冲洗泵房内,监控范围包括反冲洗泵房、滤池、变配电间、预沉池、沉淀池的设备及水质仪表。

✧CP3控制站设在加药间内，监控范围包括加药间、提升泵房及原水仪表。

✧CP4控制站设在脱水间内，监控范围包括脱水间、污泥调节池、回收水池、污泥浓缩池。

6.1CP1控制站

6.1.1控制功能

在送水泵房设置CP1控制站，监控变配电间、送水泵房、清水池范围内的设备和出厂水仪表等参数。CP1通过光纤工业以太网环，向控制室传送数据.

送水泵控制过程：当出厂水压力或管网压力低于设定值，吸水井液位高于设定值时，且送水泵无故障信号，自动启动送水泵。送水泵的启动顺序按累计水泵运行时间从小到大排列。当压力高于设定值时，吸水井液位低于设定值时,水泵停止，停止顺序与开启顺序相反。水泵运行时间自动累计，实现水泵的自动轮值,保证水泵处于最佳运行状态，且设有逻辑保护，避免水泵频繁起停。压力值和液位值可通过中控室操作站计算机和现场触摸屏上进行设置。

6.1.2控制内容

✧通过现场总线获取变配电间内开关柜上的进线电压、电流、功率因数、有功功率、等电量参数和进线/分线断路器开/断、故障信号等；

✧采集开关柜开关状态,变压器温度报警等信号;

✧采集清水池、吸水井液位;

✧根据送水压力和管网最不利点压力的监测（远传),实现送水泵的自动控制；

✧采集出水压力、浊度、余氯、PH、流量等信号。

6.2CP2控制站

6.2.1控制功能

在反冲洗泵房设置CP2控制站，监控反冲洗泵房、滤池、加氯间、预沉池、沉淀池范围内的设备和水质仪表等参数。CP2（反冲洗泵房）通过光纤工业以太网环，向控制室传送数据。

滤池控制箱设置在滤池管廊上部，通过导线和CP2进行连接.单口滤池的运行和反冲洗由CP2控制站进行控制。

单口滤池恒水位过滤：PLC根据压力变送器采集到的滤池的上下压力，计算压差，与设定的压差进行比较，通过PID算法，输出4~20mA模拟信号调节滤池进水调节阀、清水调节阀进行调节控制，保证滤池在设定的恒水位过滤.

单口滤池反冲洗:

✧判定条件：单口滤池及反冲设备无故障信号；运行时间超过一个运行周期或出水水质下降超过设定值或压差增大，过滤效率降低.

✧反冲过程：关闭进水调节阀；开大清水调节阀;压差达到设定值，打开排水阀；关闭清水调节阀；打开气冲阀--气冲阀全开--打开鼓风机出口阀——出口阀全开——开启鼓风机组—-间隔设定时间，开启第二组鼓风机组——根据预先设定的时间进行气冲—-气冲时间到——打开反冲水阀——停止一组鼓风机组-—水冲阀全开——开启一组反冲洗水泵——根据预先设定时间进行气水混冲-—混冲时间到——关闭鼓风机；关闭鼓风机出口阀；关闭气冲阀；开启排余气阀—-开启第二组反冲洗水泵-—水冲时间到——关闭反冲洗泵;关闭反冲洗泵出口阀——反冲洗泵出口阀关闭,反冲洗泵关闭，关闭反冲水阀——关闭排水阀，开启进水调节阀，进入正常过滤。

✧预沉池和沉淀池排泥阀可在控制箱上手动开启，也可通过PLC上设定运行周期，运行时间超过设定周期后定时开启。设定周期可在在控制室的操作员站计算机和CP2程控柜内触摸屏上进行设置。

6.2.2控制内容

✧滤池内的鼓风机、出风阀自动控制；

✧滤池内的冲洗水泵、出水阀的自动控制；

✧空气压缩系统自动运行并保持；

✧累计各滤池运行时间，协调各滤池的自动翻冲洗;

✧根据滤池内液位检测值,调节出水蝶阀的开启度，以保证滤池内恒水位过滤;

✧根据过滤时间、滤层上下压力差值确定是否进行反冲洗.

✧在冲洗过程中，根据工艺要求完成滤池内相关启动阀门的配合。

✧根据原水流量调配加氯量，保证原水净化效果；

✧根据滤池出水加氯后的余氯测定值反馈及流量比例控制后加氯；

✧预沉池和沉淀池的排泥阀根据时间周期自动运行；

6.3CP3控制站

6.3.1控制功能

在加药间控制室设置CP3控制站，监控加药间、提升泵房内的设备等参数。CP3(加药间)通过光纤工业以太网环，向控制室传送数据。

提升泵采用液位控制，在启动提升泵时先启动累计运行时间长的提升泵；在停止提升泵时遵循先开先停、后开后停的原则，当提升泵处于故障状态、禁止运行该设备.提升泵的启动、停止水位可在控制室的操作员站计算机和CP3程控柜内触摸屏上进行设置。

格栅可根据时间周期或液位差超过设定值进行控制,时间周期和液位差值可在控制室的操作员站计算机和CP3程控柜内触摸屏上进行设置。

6.3.2控制内容

✧多参数自动加药（PAC、PAM）：根据进水流量、原水浊度、原水PH值等累计参数的统计分析、控制经验的总结，确定模糊控制规则，优化加药控制；

✧潜水泵按照运行时间和液位自动切换和泵组的故障检测和保护;

✧格栅按照时间或液位差进行控制

6.4CP4控制站

生产废水污水处理系统暂缓建设，预留接口。配置清单中根据图纸信号量清单对CP4站进行配置设计,详见配置清单。

6.5配置清单

PLC推荐采用国际知名品牌罗克韦尔（AB)或者SIEMENS公司产品，并对这两种PLC产品进行方案比较。

6.5.1方案一（AB）

方案一采用罗克韦尔（AB)公司的PLC。子站采用CompactLogix以太网处理器并组成光纤以太环网。

6.5.2方案二（SIEMENS）

方案二采用SIEMENS公司的PLC.主站采用SIEMENS S7300PLC组成光纤以太环网。

6.5.3 PLC品牌的选择

罗克韦尔(AB）和SIEMENS公司的自动化产品都能满足水厂自控系统建立的需求，两家公司的自动化产品在水行业中也都具有广泛的应用，且都取得了不错的应用效果。通过上述表格的对比可以看出两家产品的价格没有明显的差距，因此售后服务水平及备品备件购置难易程度对于品牌的选择就显得比较重要了。经过了解罗克韦尔(AB）在售后服务水平和备品备件购置响应速度上较SIEMENS有一定优势，因此,建议采用罗克韦尔(AB）产品建立大丰水厂自动化系统。