自來水廠自動化控制系統

水廠流程圖

 系統組成

       自來水廠自動化控制系統是自來水公司生產調度管理系統的一個子系統，主要由自來水公司調度中心、水廠自動化控制中心、通信平臺、加壓泵組測控終端、配電設備監測終端組成。

圖1. 系統組成

通信平臺

         自來水公司調度中心、各水廠、各職能部門之間數據通信在局域網內完成；水廠與調度中心之間一般租用或鋪設光纖。

水廠自動化控制終端的功能特點、產品結構及使用要求。

        1、水廠自動化控制終端的功能特點：

        a.采集進廠流量、蓄水池水位、清水池水位、出廠壓力、出廠流量、出廠水質、安防報警等信息；可采集每臺泵的出水壓力、出水流量。采集每臺加壓水泵啟停狀態、運行時間、工作電流、工作電壓、電能等電參數；

        b.采集配電室設備的開關狀態、總電能等；

        c.監視水廠大門、制水車間、泵房等重要區域的圖像；

        d.支持加壓泵組控制柜手動控制、自動控制、遠程控泵組設備的啟停，控制模式可切換；

        e.電流過大、水位過低、壓力過高、控制柜保護、配電故障、閑人進入狀況發生時，立即上報告警信息；

        f.支持局域網有線通信，支持GPRS、短消息無線通信；

        g.存儲、顯示、查詢水廠監測數據及工作參數；

        h. 支持就地、遠程測控設備維護；

        2、產品結構

       水廠需要監控的項目多，依據被監測內容，終端可分為：加壓泵組遠程測控終端、配電遠程監測終端、進場水量監測終端、視頻監控終端。這些終端依據現場情況也可以合并成一個綜合終端。

圖2. 產品結構圖

       3、加壓泵組遠程測控終端設備配置表

        4、 加壓泵組遠程測控終端工作原理示意圖

圖3. 遠程測控終端工作原理示意圖

       5、加壓泵組遠程測控終端注意事項：

       a.該終端安裝在水廠加壓水泵啟動電氣室；
       b.水廠建有局域網，終端安裝地方有網絡接點；
       c.確定水位、壓力等變送器信號輸出類型，確定流量儀表的廠家、型號、信號輸出類型；
       d.確定水泵啟動類型，確定水泵控制模式；
       e.閥門與泵的聯動控制由水泵啟動控制柜完成；

       6、其他測控終端：

       a.如果水廠的信號采集點比較集中，布線方便，可將配電遠程測控終端、進水量遠程監測終端、視頻監控終端設備統一設置在加壓泵組遠程測控終端內。

       b. 如果水廠的信號采集點比較分散，布線困難，配電遠程測控終端、進廠水量遠程監測終端、視頻監控終端設備應獨立安裝。分別接入水廠局域網。

       7、其他測控終端的原理圖如下：

圖4. 配電室遠程測控終端工作原理示意圖

【說明：依據監測的開關量的數量配置分控制器的數量】

圖5. 進廠水量遠程監測終端工作原理示意圖

圖6. 視頻監控終端工作原理示意圖

水廠自動化控制中心

      水廠自動化控制中心計算機通過自來水公司局域網監控水廠內測控設備。

      1、中心主要功能

      a.遠程監測所轄水源井的工作情況、安防情況，遠程控制所轄水源井水泵的啟停；

      b.在線監測水廠內加壓泵組設備的工作情況，控制加壓泵組的啟停；

      c.在線監測水廠內蓄水池水位、清水池水位；進廠原水流量；出廠清水流量和壓力；

      d.在線監測出廠水的濁度、PH值、余氯等水質指標，錄入其他水質信息；

      e.在線監測大門、制水車間等重要場所的圖像；

      f.生成各種報表及數據曲線；

      2、水廠自動化控制中心網絡結構

圖7. 水廠自動化控制中心網絡結構

       3、 水廠自動化控制中心配置

自來水公司調度中心

        自來水公司調度中心可監測整個城市供水管網的壓力及流量；監測自來水公司所有水源井、水廠、加壓泵站設備的工作情況；存儲查詢所有監測及操作信息；指揮各水廠科學供水

       1、自來水公司調度中心硬件網絡結構

圖8.自來水調度中心硬件網絡結構

        2、自來水公司生產調度中心軟件結構

        生產調度軟件采用B/S結構，軟件在調度中心服務器上運行，使用者通過自來水公司局域網瀏覽并進行操作；工種不同、職位不同，所授予的使用權限就不同。

圖9.自來水調度中心軟件網絡結構

        3、調度中心配置

注：該系統所需設備及軟件依據每個自來水公司具體需求而定

水廠自動化和信息化系統的總體設計方案

一. 設計原則

  水廠的計算機自控系統采用計算機網絡系統加工業組態軟件以及可靠通用的PLC模塊。系統配置和功能設計按各工藝處理階段少人值守的原則進行并遵循如下要求：

（1）高可靠性：選用穩定可靠的工業控制系統產品，硬件上簡化系統結構，減少出錯環節。

（2）先進性：控制系統應適應未來現場總線技術的發展，性能價格比高。

（3）靈活性：網絡通訊方式和系統組態靈活，擴展方便，可用性，可維護性好，并具有開放的軟件通訊協議。

（4）實時性：控制系統對工況變化適應能力強，控制滯后時間短。

二.儀表設計

   根據工藝流程和生產管理的需要，在工藝流程的各個部分設置泵房液位變送器、水泵出水管壓力變送器等檢驗儀表；這些儀表均選用工業級在線式儀表，并根據安裝環境的要求具有相應的防護等級。0.4KV低壓進線柜電量參數通過網絡電力儀表的通信接口（Modbus協議）與PLC進行數據交換，電動機柜電量參數通過軟啟動器、變頻器的通信接口（Modbus協議）與PLC進行數據交換。 

三、控制方式：泵站的控制方式設置如下：

   （1）手動模式：通過就地控制箱或壓低柜上的按鈕實現對設備的啟停操作。

   （2）遙控模式：即遠程手動控制方式，操作人員通過PLC操作面板或系統操作站來控制現場設備。

   （3）自動方式：設備的運行由各PLC根據設備的工況及工藝參數來完成對設備的啟/?？刂?，而不需要人工干預。

     通過強電設計中的“手動/自動”切換開關可實現就地現場手動控制和PLC監控，其中就地現場手動控制優先權高于PLC監控，以保證現場操作維修安全。

 1. PLC主要功能：

    *檢控相關模擬量為：取水泵房水位、單泵出水壓力、出水總管壓力。

    *將所有檢測參數和設備運行狀態實時傳送至上位機。

    *接收0.4KV進線柜網絡電力儀表及電動機柜軟啟動器、變頻器送來的各種信號并上送至上位機。

    *執行中心控制室或操作終端下達的控制指令。

    *開泵控制步驟，首先開啟水泵機電，再開出水閥門。

    *停泵控制步驟，首先關閉出水閥門，待出水閥門關閉之75%位置，再停泵。

    *通過接口監控加氯加藥系統的運行。

    *通過接口監控脫水機系統的運行。

2.設備選型：         

    *PLC的選型：采用歐美公司性價比較高的產品。

3.系統防雷措施：

     *電源部分：在PLC柜現場控制器的電源進線處均設置避雷器或過電壓保護器。

     *信號部分：在PLC的通信網絡端口及4-20mA模擬量信號的設備進線和出現端口設信號過電壓保護裝置。  

4.檢測儀表、自控系統配線及安裝

     各現場ＰＬＣ放射式向儀表供電。

　　*儀表配線采用屏蔽電纜以抗外界信號干擾，敷設時與強電線路分開布置。在室內采用沿電纜橋架、電纜溝或穿管敷設相結合的方式，在室外沿電纜溝或穿管埋地暗敷。

四、系統結構

    自控系統分為3層結構：信息層，控制層，設備層。

信息層：由監控中心操作員站、工程師站，千兆以太網交換機組成；

控制層：由分散在各主要構筑物內的現場PLC 主站，工業以太環網交換機及100Mbps 光纖以太網環形、控制子網等組成。

設備層：由現場運行設備、檢測儀表、高低壓電氣柜上智能單元、專用工藝設備附帶的智能控制器以及現場總線網絡等組成。

五、控制模式

水廠設備的控制模式設三級控制：就地、現場PLC 控制站、監控中心。上、下控制級之間，下級控制的優先權高于上級。就地控制級設有“就地/ 遙控”兩種方式，各設備均可通過“就地/ 遙控”選擇開關切換實現手動操作。當現場PLC 站發生故障時，可通過就地控制級上的“就地/遙控”選擇開關切換實現設備的就地手動操作。

只有當設備手動/自動轉換開關處于自動時，遙控/自動轉換按鈕才可用，當遙控/自動轉換按鈕處于自動時，應禁止人工遙控設備。當設備出現故障信號時，應停止運行或禁止啟動這些設備。

1.PLC控制系統實現新建生產現場的無人值守，功能包括：

     生產過程各種主要工藝參數的采集：

     ·各種能耗、物耗和進、出廠水流量的計量和累計

     ·生產過程設備工況和工藝流程狀況監測

     ·生產過程設備的PLC自動控制

     ·PLC控制與傳統電氣控制自由切換

     ·生產參數的數據存儲和歷史回溯

     ·數據回歸分析和趨勢分析

     ·生產報表的自動形成和打印

     ·事故報警和事故打印

     ·事故處理專家系統。包括事故狀態的自動記錄、存儲，事故類別的自動判定；處理方案的輔助決策支持系統；

 2.自控系統技術指標

（1）生產工藝控制：

沉淀后濁度的控制范圍        Tu ≤ 5NTU

出廠水壓力的控制誤差        △P ≤ ±0.02Mpa

出廠水余氯控制誤差            △CL ≤ ±0.1PPm

出廠水濁度的控制范圍       Tu ≤ 0.1NTU（應急供水時Tu ≤ 3NTU）

72小時無須人為干預，生產正常運行，出廠水質、水壓、水量符合指標，設備正常運行。

（2）PLC系統、計算機系統及通信系統

平均無故障間隔時間         MTBF>100，000hr

處理器板、接口板、電源模塊等的MTBF:>100，000hr

LCU、RTU和MCU的MTBF:>32000h

可用率                          A≥99.8％

系統綜合誤差：             σ≤1.0％

數據正確率                    I>98％

數據通信負載容量平均負荷a≤2％，峰值負荷A≤10％，

計算機監控系統應能方便、快速地更新修改數據庫和軟件參數，如以下的修改內容：

數字點和模擬點的數量；

模擬點工程單位標度；

模擬點限值；

模擬點限制值死區；

控制點參數。

（3）時間參數：

★人機接口畫面響應時間：

  主機的聯機啟動時間                    t≤2min

  報警響應時間                             t≤3s

  查詢相應時間                             t≤5s

  實時數據更新時間                      t≤3s

  控制指令的響應時間                   t≤3s

  計算機畫面的切換時間               t≤0.5s

  調用畫面時間（90％畫面）        t≤0.5s

  調用其它畫面時間                      t≤1ｓ

  動態顯示數據刷新時間                t≤2s

  實時數據顯示的刷新周期            t≤3s

★傳送時間：

   重要遙測傳送時間                      t≤2s

   遙信變位傳送時間                      t≤1s

   遙控、遙調命令傳送時間            t≤2s

   全系統實時數據掃描周期            2～5s事件順序分辨率                t≤3mｓ

★雙機自動切換時間：

   熱備用時                        保證實時任務不中斷

   溫備用時                              t≤5s

   冷備用時                              t≤2min

★控制執行周期

   流量控制執行周期                      t＜3min

   無功功率控制執行周期                  3min

   自動經濟運行功能處理周期時間          30～45min

六、自動化和信息化系統各子系統設計方案

水廠由光纖組成以太環網，接受并存儲自控系統各PLC 站點上傳的實時數據，形成歷史庫，并具備數據查詢、瀏覽及報表生成功能。提供人際界面，實現各類工藝參數、設備狀態的實時遠程監視及遠程操作。完成水廠信息的監視、整理、查詢、檢索、管理、傳輸。

本工程采用集散型監控管理系統。在控制室設置實時計算機監控系統，監控系統、通訊系統為熱備冗余系統，兩臺監控計算機以雙冗余模式運行同時作為服務器，接收、處理所有的上傳數據，集中管理、控制水廠現場PLC，提供清晰、友善的人機界面，完成生產管理的日報、月報、年報，也可以在中央控制室集中控制水廠的運行。主備轉換時，系統無數據丟失。系統同時設置了數據服務器用于存儲所有的數據。

監控系統開放、靈活，可以對系統進行監測、控制，具有動態畫面顯示功能、報警、報表輸出功能、趨勢預測功能、歷史數據存儲功能。軟件應采用全中文操作模式，能夠組態中文顯示畫面等功能。具有使用方便、簡單易學、軟件組態靈活的特性，應該確保用戶可快速開發出實用、可靠、有效的自動控制系統。

中央控制室監控軟件的功能有三類：

第一類是管理功能：即生成全廠工藝流程，提供清晰、友善的人機界面，生動形象地反映工藝流程、實時數據，完成報警、歷史數據、歷史趨勢曲線的儲存、顯示和查詢。生成、打印各類生產運行管理報表。

第二類是對設備的控制功能：即在基于圖形和中文菜單的方式上，操作人員在操作員站通過鍵盤或鼠標對現場PLC站的控制參數進行在線修改。在下級釋放控制優先權的情況下，對生產過程進行廠一級的控制。

第三類功能是通訊功能：故障處理專家系統是一個對全廠的生產信息進行綜合處理、綜合判斷和作出綜合決策的專家軟件模塊。對采集取的全廠生產過程中的實時數據，進行“軟傳感器技術”處理，判斷出生產過程中哪些工藝部位，哪些控制環節，哪些主要設備存在故障隱患，并及早顯示和提醒水廠生產人員注意。