自动控制系统在水厂中的应用

摘 要：本文重点介绍了自动控制系统在水厂中的应用实现，还介绍了水厂的计算机自动控制系统的结构、功能、特点和应用效果。该系统在全国供水行业中处于领先水平，投入使用七年多来运行效果非常良好，大大减轻了相关制水人员的劳动强度，有力的保障了城市供水安全。

关键词：计算机自控系统；水厂；PLC

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0042-03

1 水厂自控系统概述

合肥市第六水厂工程总规模为60万m3/d，分期实施，一期：设计规模30万m3/d，二期扩建规模30万m3/d。水源为大房郢水库，水质属国家地表水Ⅱ～Ⅲ类。水厂厂址确定在大房郢水库东岸的钱小店，蒙城北路与合瓦路交叉口西南角，紧靠蒙城北路和合瓦路。规划总占地面积24.67公顷（370亩），其中一期工程占地19.83公顷（297.4亩，二期工程占地4.84公顷（72.6亩）。

全厂自控系统可以分成几个子系统：（1）中心控制室系统：由数据库服务器、监控计算机、便携式编程计算机和工业交换机、智能交换机构成管理以太网，确保本水厂是一个有序、高效的调度管理系统。（2）PLC控制系统：源水泵房分站、加氯分站、反冲洗泵房分站（包括滤池子站）、送水泵房分站的PLC控制系统与监控中心成一个快速光纤以太环网，当某处的光纤断开时，整个系统仍能继续正常工作。（3）仪表系统：在水厂各个工艺环节上配置超声波液位计、压力变送器、PH计、在线浊度仪、总氯分析仪、电磁流量计等仪表，组成一个庞大的在线仪表检测系统，仪表是水厂的眼睛，通过监控中心实时工艺仪表数据，为水厂提供更科学更合理的调度方案和决策依据。（4）防雷系统：由电源避雷器、信号避雷器等组成一个安全可靠的防雷接地系统。（5）安防系统：CCTV系统采用模拟与数字相结合的方式，通过带有以太网的光端机传输信号，控制中心设在综合楼中心控制室。由室外全天候摄像机、矩阵、硬盘录象机等组成一套完整的工业电视监控系统，既可单一画面显示也可分组轮巡显示生产区域的工艺设备的运行状况，确保厂区安全。配置红外主机和红外对射探头组成周界报警系统，有效防止事故发生[1]。

2 自控系统总体设计

2.1 概述

全厂的控制管理系统是基于现代先进控制思想的分布式计算机控制系统（即集散型控制系统），它集成了当代计算机技术、高性能控制器及智能化仪表的各自特点于一身，使其在水厂的运行管理方面发挥了巨大的作用。由可编程序控制器（PLC）及自动化仪表组成检测控制系统——现场控制站，以控制分区为对象，具有独立的区域控制能力，能接受中央控制的调控，但不依赖中央控制的存在，对水厂各过程进行分散控制；再由中央控制室，对全厂实行集中管理。现场控制站根据水厂所采用的工艺和构筑物的平面分布，设置在控制对象和信号源相对集中的建筑物中。各现场控制站与中央控制室之间由快速光纤以太网进行数据通信，通讯介质为光缆；现场控制站与现场测控仪表的连接采用24VDC电压数字信号及标准4～20mA模拟信号通讯，通讯介质为控制电缆及信号电缆；现场控制站与工艺设备电控装置的连接采24VDC电压数字信号及标准4～20mA模拟信号通讯，通讯介质为控制电缆及信号电缆；测量仪表、在线式分析仪表、电动执行器是具有微处理器的智能设备[2]。

2.2 设备的控制方式

（1）现场手动模式：设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。（2）遥控模式：即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程” 开关选择“远程”方式时，操作人员通过中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。（3）自动模式：现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，操作人员通过中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“自动”方式时，设备的运行完全由各现场控制站根据水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。（4）控制方式设计为：就地手动控制优先，在此基础上，设置远程遥控和自动控制。控制级别由高到低为：现场手动控制、遥控控制、自动控制。手动干预是操作人员的专有权利，因为过程连锁在此模式下无效；而自动模式下，安全连锁是有效的，并限制操作的可能性，可防止非正常状态下运行。离工艺过程越近的控制层具有更高的优先权。设备的控制地点有下面的方式区分：首先通过转换开关的就地/远程切换，选择是由现场就地电气控制还是远程控制，现场就地电气控制就是上述的现场手动；远程控制由中央监控站控制和现场人机界面，通过设置密码来设置权限。

2.3 系统功能设计

2.3.1 中央控制室

（1）采集工艺过程数据、设备运行状态，自动调节生产数据、控制工艺设备运行。（2）在监控计算机上显示总工艺流程图，分段工艺流程图，供电系统图，工艺参数，电气设备运行状态等，以"人—机"对话方式指导操作，遥控状态下，可用键盘或鼠标设定工艺参数、控制电气设备。（3）根据采集到的信息，自动建立数据库，保存工艺参数，电气设备运行状态、报警数据、故障数据，并自动生成工艺参数的趋势曲线。管理人员通过对工艺曲线进行分析、研究，进一步改进工艺运行方案，提高生产效率。（4）按生产管理要求打印年、月、日、班运行报表，报警报表，故障报表及工艺流程图（彩色硬拷贝）。实时报警打印和故障打印。（5）通过快速光纤以太网与分控制站的现场控制系统进行通信。计算机系统可在线诊断各类故障。（6）提供不间断电源，保证在发生停电故障时该系统仍能安全可靠地运行。（7）可以与工厂管理系统联网，实现资源共享、综合管理。

2.3.2 现场控制站

（1）按控制程序对所辖工段内的工艺过程、电气设备进行自动控制，同时采集工艺参数及电气设备运行状态。（2）通过快速光纤以太网与中央控制室的监控管理系统进行通信。向监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出的开停机命令。（3）采集的主要工艺参数有：水位、浊度、PH等。（4）提供不間断电源，保证在停电故障时系统仍能安全可靠地运行。

2.3.3 就地控制

在设备调试、维修阶段提供现场操作的手段，在意外情况下可以以最快的方式进行现场紧急停车。

3 自控系统总体功能

（1）管理控制一体化。以计算机、网络系统为先进手段，实现水厂的引水、净化、给水系统的管理控制一体化，形成生产调度，事务信息管理，监督控制在内综合信息管理系统。（2）实现动态的生产调度。利用自动采集到的数据与生产调度的实时数据通过网络系统反映上来，经过对数据的分析，加工处理形成的水质质量、能耗等数据以图表或图形方式表示出来，供领导及管理人员可及时按其经验和知识做出符合实际的判断，下达指令去指导生产。（3）可实现生产过程的先进过程控制及优化。在利用完整数据源的基础上和电脑的计算能力，开发出先进控制的数学模型，使与经济效益直接相关的产量、质量提高和原料、能耗降低，从而获得可观的经濟和社会效益。使净水厂的运作向系统化、信息化、科学化的生产模式发展，最终达到提高经济效益和市场竞争力的目的。

我们水厂自控系统工程，自控系统具有稳定性、可靠性的特点，在保证符合设计出水水质要求前提下，还突出其先进性，确保该系统达到或超过国内的先进水平。

4 我厂自控系统特点

4.1 先进性、可靠性、合理性

水厂自动化系统部件的可靠性是整个整个系统长期稳定运行的关键因素。PLC、监控站、网络设备、监控软件等系统核心部件以及断路器、开关电源、继电器、端子等易损件均选用工业级、抗干扰能力强、工作环境、在水厂自动化系统领域有长期运行经验的国内外知名品牌。整个自动化系统能够在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围，能够承受工业环境的苛刻条件。

4.2 先进性

AB公司的PLC控制系统广泛应用于工业自动化领域，具有全范围的高性能、可相互兼容的控制产品，能为各种控制需求提供正确的解决方案。具有模块化结构且配置灵活，能满足中规模到大规模控制系统的高性能需求。高速数据通讯控制网介质采用多模光纤，整个以太光纤网具有管理功能和自诊断功能，特别适合工业环境应用。

4.3 实时性

我们选择的系统设备高技术指标保证了系统的实时性，系统设备的实时性反映在系统的时间响应上，包括了主机处理、存贮器存贮，I/O接口响应，数据采集处理，通道传送和软件等的速度或效率，而且还考虑了重载的影响。

4.4 开放性及扩展性

开放性的系统整体结构可以保证系统具有较长的生命周期。从发展角度考虑，任何系统在投入运行以后都可能会有一些变更，因此系统必须具有灵活的结构，具有良好的开放性，在软件和硬件的配置上应能灵活增减挂接。具有强大的系统维护和诊断功能，保证系统安全、可靠的运行。我们选择系统硬件及软件产品具有模块化的特点，硬件扩展方式多样，具有各种I/O模块适用不同的需求，支持多种国际标准主流通讯协议，实现透明传送；系统结构设计立足于成熟可靠的计算机技术，分层、分级的网络化结构为系统日后的变更、扩容、升级提供方便；软件支持多种数据交换方式，提供各种数据库接口[3]。

4.5 故障诊断和可维修性

我们提供的系统硬件具有高度的在线维护性能。包括PLC、网络通讯设备、监控软等都具有完备的自诊断功能。任何节点故障、设为离线或从系统中移去不会影响其它节点正常运行。PLC的I/O模块可带电插拔。当PLC中某关键部件（如CPU）故障时，其I/O的状态将返回到系统根据工艺要求预设置的状态。监控软件是国际主流监控软件，产品具有全中文开发及操作接口，生动的图像画面，简洁安全的操作接口，历史趋势记录查询，报表打印，实时声光报警，历史报警和事件查询以及多级别的安全登陆系统。作为直接面对调度人员的接口，其功能强大实用，操作简单。

4.6 安全性

系统安全性主要考虑三个方面即：操作习惯和步骤的安全性；通信的安全性；硬件、软件和固件的安全性。这些安全性的实现通过软、硬件产品的自身质量品质保证以及应用软件的合理编制来保证。道进行重发极限时，将发出适宜的警报。

4.7 可变性

系统可变性是对中央主控级和现场控制装置中点参数或结构配置改变时难易程度的度量，由于该系统选用软件的强大功能，将大大提高系统的可变性。

5 站点的设置

根据设备相对集中，工艺功能相对统一为原则，生产现场设置10个现场PLC控制站（PLC1-PLC10）：PLC1控制站为取水泵房控制站；PLC2控制站为一期加药控制站，PLC3控制站为二期加药控制站，这两个站点负责对16个高负荷沉淀池进行相关加药控制单元；PLC4控制站为高密池A线控制站，PLC5控制站为高密池B线控制站，PLC6控制站为高密池C线控制站，PLC7控制站为高密池D线控制站，PLC8控制站为反冲洗泵房控制站，带32个滤池现场控制单元（PLC8-1～PLC8-32）；PLC9控制站为加氯控制站；PLC10控制站为送水泵房控制站。系统控制设备之间相对独立，现场控制站、设备控制单元发生故障时，不会影响到其它控制单元的正常运行[4]。

5.1 PLC1控制站

PLC1主站负责取水及原水数据等有关设备及工艺水质参数的检测。该站设置一台现场工控机做为人机界面，控制器通过带光纤接口的工业型以太网交换机连入光纤环网。控制站包括控制机柜、控制器、电源模块、各种I/O模块、网络通讯适配器、不间断电源等。变配电间的各种运行数据经由配电柜上的仪表通过总线方式进入PLC1控制站；其它所必需的数据则直接由PLC1控制站的I/O进入系统。PLC1的TCP/IP接口经交换机后通过多模光纤环路送至水厂的控制室的主干交换机上，其所有监控数据上传至水厂中心控制室，并接受其远程监控。

5.2 取水泵房PLC1控制主站功能设计

（1）实时监测取水泵房包括变配电间的工艺参数、重要设备的运行参数；（2）所有重要设备的控制均需设置手/自动转换开关，具备手动、自动控制功能；（3）对供水机组进行启停控制，变频调速机组能做到调速控制；（4）根据取水泵集水坑水位自动控制排水泵的运行；（5）根据取水泵的操作情况自动控制抽真空系统设备的运行；（6）根据用户需要定制各种生产报表。

5.3 PLC2控制站～PLC3控制站

加药控制站，PLC2控制站（加药控制站）设于加药间控制室，同时设置2个运行子站（PLC2-1，PLC2-2）用以控制高负荷沉淀池上的设备，本站的自动化控制由工艺厂商集成。该站设置一台现场工控机做为人机界面，控制器通过带光纤接口的工业型以太网交换机连入光纤环网。根据用户需要定制各种生产报表。将工艺及控制流程集成到组态软件。PLC2的TCP/IP接口经交换机后通过多模光纤环路送至水厂的控制室的主干交换机上，其所有监控数据上传至水厂中心控制室，并接受其远程监控。

5.4 PLC4控制站～PLC7高密池控制站

我厂是安徽省首家采用法国得利满公司专利的高密池。我厂使用的沉淀池与一般国内采用的沉淀池不一样，它是得利满公司运用先进技术开发出崭新的高密度澄清池系统，高密池可以很好地控制沉淀池出口水水质。该系统应用面广泛，适用于饮用水生产、污水处理、工业废水处理和污泥处理等领域。高密度澄清池带有外部泥渣回流的专利澄清技术。高密度澄清池亦简称为高密池。高密度沉淀池A～D线控制单元，设于高密池控制间，用以控制高负荷沉淀池各种设备的操作，所有数据通过光纤环网送至水厂的监控操作中心，接受其远程监控。当班操作人员根据权限直接在上位机对各个现场设备直接快速进行操作，大大降低了劳动强度，保障了出厂水水质安全。

5.5 PLC8控制站、反冲洗泵房控制站

PLC8_1～PLC8_32控制子站：砂滤池控制子站共设计32套，PLC8站（反冲洗泵房控制站）设于反冲洗泵房变配电间控制室，下设PLC8-1～PLC8-32站点，32个运行子站以控制32组V型滤池。该站设置一台现场工控机做为人机界面，控制器通过带光纤接口的工业型以太网交换机连入光纤环网。同时32个滤池子站（PLC8-1至PLC8-32）采用光纤方式与反冲洗泵房分站组成环网。控制站包括控制机柜、控制器、电源模块、各种I/O模块、网络通讯适配器、不间断电源等。PLC8的TCP/IP接口经交换机后通过多模光纤环路送至水厂的控制室的主干交换机上，其所有监控数据上传至水厂中心控制室，并接受其远程监控。

5.6 反冲洗泵房PLC8控制站功能设计

（1）监测反冲洗泵房反冲洗设备的运行状况，监测32组V型滤池的运行工况；（2）所有重要设备的控制均需设置手/自动转换开关，具备手动、自动控制功能；（3）对32组V型滤池的过滤工艺实施自动控制；（4）对32组V型滤池的反冲洗工艺实施自动控制；（5）根据回水泵房水位及工艺运行要求，自动控制3台回收水泵的运行；（6）监测反冲洗泵房变配电系统的运行参数；（7）PLC8-1～PLC8-32通过适当的方式与PLC8进行网络通讯；（8）根据用户需要定制各种生产报表；（9）PLC8-1～PLC8-32机柜带有给相对应滤池电动阀门配电的空气开关。

5.7 PLC9控制站

加氯控制站，PLC9控制站（加氯控制站）设于加氯间控制室。该站设置一台现场工控机做为人机界面，控制器通过带光纤接口的工业型以太网交换机连入光纤环网。控制站包括控制机柜、控制器、电源模块、各种I/O模块、网络通讯适配器、不间断电源等。PLC9的TCP/IP接口经交换机后通过多模光纤环路送至水厂的控制室的主干交换机上，其所有监控数据上传至水厂中心控制室，并接受其远程监控。

5.8 加氯间PLC9控制站功能设计

（1）利用电子秤对氯瓶进行秤量，并设低限报警开关，实现自动压力切换，保证不间断供氯；（2）采集加氯间所有重要设备的运行状况；（3）所有重要设备的控制均需设置手/自动转换开关，具备手动、自动控制功能；（4）在保证出水水质的前提下，通过控制加氯设备的运行，尽可能地降低原料消耗；（5）根据用户需要定制各种生产报表。

5.9 PLC10控制站

送水泵房控制站，设于送水泵房变配电间控制室。该站设置一台现场工控机做为人机界面，控制器通过带光纤接口的工业型以太网交换机连入光纤环网。控制站包括控制机柜、控制器、电源模块、各种I/O模块、网络通讯适配器、不间断电源等。变配电间的各种运行数据经由配电柜上的仪表通过总线方式进入PLC10控制站；其它所必需的数据则直接由PLC5控制站的I/O进入系统。PLC10的TCP/IP接口经交换机后通过多模光纤环路送至水厂的控制室的主干交换机上，其所有监控数据上传至水厂中心控制室，并接受其远程监控。

5.10 送水泵房PLC10控制站功能设计

（1）实时监测送水泵房包括变配电间的工艺参数、重要设备的运行参数；（2）實时监测出厂水各类水质、流量参数；（3）所有重要设备的控制均需设置手/自动转换开关，具备手动、自动控制功能；（4）对供水机组进行启停控制，变频调速机组能做到调速控制；（5）根据送水泵集水坑水位自动控制排水泵的运行；（6）根据送水泵的操作情况自动控制抽真空系统设备的运行；（7）根据用户需要定制各种生产报表。

6 运行效果

我厂设计日供水能力60万m3，是安徽省制水厂中生产规模最大的一个制水厂。管理运行这么大规模的制水厂，离不开一个可靠稳定的自动化控制系统。我厂自动化控制系统自2009年11月投入试运行以来，设备运行稳定可靠，其使用率一直保持在100%以上，实现了水厂的全自动化运行，达到了设计要求，同时也保证了供水质量，为合肥市实现“大湖名城”的理想奠定了坚实可靠的保障。

参考文献

[1]弭洪涛.PLC实用技术[M].科学技术出版社，2013.

[2]尚丽.PLC在自来水厂计算机生产管理系统中的应用[J].工业控制计算机，2001（11）：23-26.

[3]刘国宏.无线电监控系统在自来水公司中的应用[J].自动化博览，2006（4）：66-67.

[4]张云刚.工业组态技术与应用[M].人民邮电出版社，2008.