導語：如何才能寫好一篇水廠自動化，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：PLC控制；水廠；自動化

引言

PLC，即可編程邏輯控制技術（Programmable Logic Controller），起源于上個世紀60年代末，是繼繼電器之后的主要機械設備控制技術，具有邏輯運算、順序控制、定時、計數、運算等多項功能，用數字化技術代替原有的機械設備控制方法，可以極大地提高控制信息輸入、輸出速度，提高機械設備的運行穩定性和工作效率，廣泛應用于工業生產機械設備運行控制領域。自來水企業作為大型生產服務企業，機械設備使用規模很大，在自來水企業生產中使用PLC控制技術，是保障自來水正常、穩定、安全生產、供應的重要技術措施，也是自來水廠提高現代化水平，打造企業競爭力，實現可持續發展的必由之路。加強對PLC技術的深入研究，對于實現自來水企業自動化生產運行，具有極為深遠的積極意義。

1 水廠自動化控制系統分析

自來水廠是重要的基礎設施，是工業生產、居民生活的重要保障，是現代城市正常運行中不可或缺的組成部分。自來水廠的自動控制系統主要包括配電系統、出水泵房、沉淀池以及濾池等單元。這些單元通過控制室的計算機系統統一調度、管理，相關設備運行信息從一線傳遞到控制室，控制室以此做出指示并將指令發送給一線，有現場設備予以執行。下面，就對自來水廠的的自動化控制系統各項功能進行簡要介紹。

1.1 自動化系統具有顯示功能

自來水廠自動化系統可以將系統內主要機械設備的運行狀態以指標形式顯示出來，同時對生產過程中的主要工藝參數進行顯示，以此使得技術人員對生產過程有著較為全面的了解和掌握，從而進行針對性的調整和操控。

1.2 自動化系統具有報警功能

針對生產過程中可能出現的異常情況，系統設置了相應的報警功能，一旦設備狀況出現問題，偏離允許范圍，報警系統會立即發出警報，提升相關部門人員處理，并顯示出具體的報警信息和畫面，存儲在數據庫中可以打印查看。

1.3 自動化系統可以實現一定程度的自我控制和操作

在實際工作中，中央控制室可以對生產流程中的機械設備，根據生產需求進行必要的調整和控制，并對PLC系統相關參數以及分控站的程序進行重新設定。

1.4 自動化系統具有可以對數據庫進行有效管理

為了充分發揮PLC的優勢，實現自動化控制目的，自來水廠自動化控制系統建立了生產數據庫和事故數據庫，分別對應生產過程中和事故處理過程中需要的相關數據的記錄、存儲、整理、分析以及使用。當工作需要時，系統會對指定的數據庫進行管理，提存數據使用并做好相關數據，以實現數據庫的動態積累。

1.5 自動化系統具有輸出和打印報表功能

針對生產過程中的各項信息、數據，系統可以對其進行分析、整理，并以報表的形式輸出打印出來，為管理者決策提供數據依據。

1.6 自動化系統具有通訊功能

總調度室和中控室之間具有專線聯系，可以進行實時通信，以保證數據和信息的有效傳遞與溝通。

1.7 自動化系統建有WEB服務器

這一功能主要是為實現生產信息共享提供服務的。

2 自來水廠水處理流程

自來水廠生產中使用的自動化控制系統是為企業生產而服務的，所以受企業生產工藝流程影響很大，不同的工藝路線、處理方法、機械設備等都會使得自動化系統呈現出不同的特點。但萬變不離其宗，我國自來水廠所采用的水處理流程大體上還是相同的，一般包括取水、制藥、加藥、混凝、沉淀、過濾、消毒和送水等環節。

水廠的水主要來自于湖泊、河流、地表水和地下水等。這些水源通過輸送管道進入水廠時會帶入大量雜質，必須經過必要的處理才能滿足人們生產、生活使用要求。在水的處理過程中，第一道工序就是除去水中的大量雜質和有害物質，水中存在的懸浮物、膠體以及細菌等危害人類健康的有害成分都是需要清除、凈化的對象。水廠取得水源后按照實際的生產需要采用合理的生產工藝，根據工藝參數等條件科學進行混凝劑的配制。在向水中加入混凝劑的同時還要通入氯氣，利用氯氣的消毒殺菌作用對水中的微生物、細菌進行處理。在藥劑的作用下，水中雜質形成顆粒狀的凝體，這個過程稱之為混凝。在這一過程中，三氯化鋁、硫酸鋁等水處理藥劑被大量使用。之所以使用含鋁藥劑，主要是因為鋁具有很強的吸附能力，可以促進水中的雜質和懸浮物的聚集。實際使用過程中，水處理藥劑溶解在水中后，析出大量鋁粒子，在其作用下，許多常態下難以沉淀的雜質顆粒等形成絮粒狀，并在重力的作用下向下沉淀，在將這部分沉淀與水主體分離，從而達到除雜的目的。水廠中主要使用沉淀池進行這一過程。水加入藥劑后先導入沉淀池，進行沉淀，達到處理效果后再導入下一工序。隨著生產時限的增長，沉淀池中沉淀的污物越來越多，必須使用石英砂等具有孔隙的顆粒物將它們排除過濾，并利用濾料層的粘附性攔截水中的懸浮顆粒。這一過程中，水中的細小雜質、細菌、有機物等都得到了較好的凈化處理。但由于石英砂吸附的雜質不能自動消除，必須定期清洗，才能保證過濾層的工作效率和質量。在此之后，水還要進行必要的消毒處理，以清除水中殘余的細菌病毒等，保證用水安全。最后處理好的水導入清水池匯中，向用戶供應。

3 PLC控制在自來水水廠自動化控制的應用

3.1 使用PLC可以實現開關量的邏輯控制

邏輯控制是PLC技術的最基本功能。水廠的生產過程中存在大量的開關量，通過PLC對這些開關量進行有效的邏輯控制。在PLC問世之前，繼電器是實現這一功能的常用技術，PLC出現后，可以更加簡潔、高效、迅速的的實現邏輯控制、順序控制以及單個設備的控制等多種功能。此外，在多個水廠生產流水線中，加礬、加氯等操作也可由PLC進行自動化控制。

3.2 PLC可以進行模擬量控制

在水廠生產過程中，溫度、流量、壓力、液位等是重要的生產參數，必須對其進行實時監測和控制。而這些參數控制的實現主要依賴于PLC的編程控制。PLC控制系統配置有配套的轉換模塊，模擬量可在編程控制器的作用下進行控制。

4 結束語

憑借著強大的技術優勢，PLC在水廠自動化控制領域獲得了廣泛應用。隨著生產規模的擴大，水廠自動化水平會越來越高，PLC的應用領域也會更加寬廣，發揮的作用也會不斷加大。各水廠要高度認識到PLC的重要作用，深入研究，不斷探索，將PLC的作用發揮到最大，為經濟發展和人們生活用水安全提供堅實的技術保障。

參考文獻

[1]劉玉芹，劉敬文.PLC在長治污水處理廠中的應用[J].中國儀器儀表，2005（9）.

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1．水廠自動化的目的

對水廠實施自動化的根本目的認識不夠全面或出現偏向，是造成一些水廠自動化系統未能充分發揮作用的一個原因。水廠實現自動化的根本目的是提高生產的可靠性和安全性，實現優質、低耗和高效供水，獲得良好的經濟效益和社會效益。但是，有的水廠實現自動化是為了趕時髦，將其作為一種點綴；有的水廠是迫于形勢，在大批水廠紛紛實現自動化的情況下，自己也不能不上；有的水廠使用的自動化功能過于復雜，特別是在考察自動化水平較高的水廠后，更是盲目地提高標準。這些不正確想法的存在，使水廠實現自動化的根本目的發生了偏向，造成了自動化設計不切合水廠實際，不注重生產過程特別是關鍵工藝環節的自動化，并忽略了在運行和管理模式方面的相應改革，從而導致自動化未能充分發揮作用，甚至建成后處于閑置狀態。

2．水廠自動化的設計

2.1未解決的相關理論問題

在水廠自動化中，工藝理論對自動化提出的控制要求本身存在未解決的理論問題或理論不夠完善，使控制未能達到規范化和最優化，系統運行達不到理想的控制狀態，從而影響了自動化的實際運行效果。

（1）絮凝理論不夠完善。加藥系統是一個大延時、強耦合、干擾因素多的非線性系統，目前廣泛采用的控制方法為：用原水流量按比例前饋調節計量泵的頻率，用流動電流儀（SCD）反饋調節計量泵的沖程，從而構成加藥復合控制系統。在有的系統中，雖然采用了智能技術如專家系統、自學習模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解決加藥量優化控制的問題。

(2)加氯系統理論問題。在加氯系統中，傳統的控制方法為：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反饋控制。由于影響加氯效果的因素很多，如水質、天氣、水廠的具體工藝特點等。在有的系統中，雖然采用了一些其他控制方法，如采用雙因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多參數非線性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解決加氯系統存在的問題。

(3)其他理論問題。如變頻供水泵和定速供水泵的臺數比例確定、變頻供水泵的自動調節方法以及供水泵的科學調度等問題，理論上還未完全解決，管理上還有待進一步研究。

2.2技術規范和設計標準問題

到目前為止，我國在供水行業自動化控制方面，除《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》等少量規劃性技術文件之外，尚無制定供水行業自動化控制方面的技術規范和設計標準，致使水廠在實施自動化過程中，技術上缺乏統一的規范性，設計上存在一定的盲目性和隨意性，不同類型的水廠自動化分別應該達到的主要功能和主要技術指標不明確，影響了自動化系統配置的科學性和合理性。

2.3專著和文章問題

我國供水行業的自動化起步較晚，總體發展水平也不高，致使在供水自動化方面發表的文章數量有限，總體質量也不太高，出版的專著更少，既不利于在實施自動化時提供必要的理論指導和技術參考，也不利于行業內的技術交流和經驗交流，影響了自動化知識普及和提高的速度。

2.4設計中存在的一些具體問題

水廠的生產過程是一個較為復雜的連續過程，對于其自動化系統的設計要求較高，涉及眾多技術和設備，設計本身具有一定的難度，故在有些水廠自動化設計中存在的問題較多，影響了自動化功能的發揮，甚至影響了系統的正常運行。

（1）缺乏統一的發展規劃。在有些水廠自動化設計中，對控制系統的持久性和未來發展規劃一致性考慮不夠全面，導致控制系統開放性和擴展性不夠，造成系統很快落后于生產發展的需要。

（2）功能設置過于復雜。在有些水廠自動化設計中，由于片面追求高標準，致使功能設置過于復雜，而忽略了水廠的實際工藝情況和管理水平，使系統的故障率增高，而維護管理又跟不上，導致關鍵工藝的自動控制得不到保證。

（3）功能設置過于簡單。在有些水廠自動化設計中，工藝過程的功能設置過于簡單，達不到控制要求，特別是關鍵工藝的控制要求，造成雖有自動化系統，但關鍵工藝(如投藥等)仍由手動完成的現象，失去了實現自動化的實際意義。

（4）設置過多的手動功能。有些設計為了在自動化系統故障時不影響生產，而設置了過多的手動操作功能，從設計上就將自動化系統置于可有可無的地位，既造成了設備的重復投資，也使生產人員產生了不正確的依賴心理，加上運行管理改革力度不夠，出現了自控設備擱置不用而仍由人工手動操作的現象。

（5）設計人員水平不夠。水廠的自動化設計涉及眾多技術和設備，要求設計人員既要掌握先進的控制技術，又要熟悉生產工藝過程，同時對設備也要有相當的了解。

3．水廠自控設備存在的問題

設備方面存在的問題也是影響水廠自動化系統正常運行的一個主要因素，具體表現在如下幾個方面：

（1）質量問題。

（2）配套問題。

（3）備品備件問題。

（4）檢修和改造問題。

4．管理方面存在的問題

水廠自動化系統建立后，管理水平滯后是影響自動化功能正常發揮的一個重要因素。由于管理人員受自身素質和傳統觀念的束縛，未能在管理方面進行及時的調整和改革，導致管理水平落后，無法適應水廠自動化的發展需要。如何提高管理水平和管理人員素質是自動化水廠目前面臨的一個重要課題。

（1）不注重設計、安裝、調試過程的人員參與。很多水廠在建設自動化系統時，由于受人員和素質的限制，常采用交鑰匙工程的方式，這樣在建設時輕松省事，但后患無窮，由于沒有自己的技術力量參與設計、安裝、調試過程，導致投產后出現很多問題，影響了系統的實際運行效果。

（2）對自動化系統和設備不夠熟悉。由于值班人員缺乏必要的技術知識，對自動化系統和設備不夠熟悉或掌握不夠，導致設備得不到正常的保養、調校和檢修，造成儀表精度降低或設備故障；導致軟件得不到必要維護和調整，造成因一些小軟件故障得不到及時處理而影響系統正常運行；有的甚至出現誤操作或引起人為故障。

（3）缺乏完善的自動化管理規程。水廠實現自動化后，其運行管理和維護管理已和傳統水廠不一樣，但不少水廠在這方面的改革力度不夠，缺乏滿足自動化生產需要的管理規程，如崗位職責、運行管理制度、操作規程和設備維護保養及檢修規程等，致使運行管理滿足不了生產需要，維護管理達不到要求。

（4）缺乏專業的、穩定的維護隊伍。自動化系統和設備雖然具有較高的可靠性，但也會出現故障，需要維護人員盡快排除。同時，設計情況與實際運行情況不一定完全一致，即使與投入運行時一致，過一段時間后也會有所變化，另外經過一段時間的實際運行后，一般都需要對系統中存在的某些缺陷進行改進，以使系統更加優化，這就要求維護人員對自動化系統和設備進行必要維護和調整，特別是當生產工藝變化后，需要對控制系統進行相應修改和開發。但是，由于缺乏專業的、穩定的維護隊伍，使一些小的軟硬件故障得不到及時的修復和處理，漸漸由小問題變成大問題，甚至導致自動化系統癱瘓。

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關鍵詞：水廠自動化系統防雷瞬間過電壓

隨著計算機技術(Computer)、控制技術(Control)、通訊技術(Communication)、顯示技術(CRT)的發展和廣泛應用，目前水廠的自動化控制普遍采用由工業計算機IPC或可編程控器PLC組成的集數據采集、過程控制和信息傳送于一體的監控網絡。由于這些設備大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元，其對瞬間過電壓的承受能力大幅降低，成為水廠受雷電損害的主要設備。所以對自動化系統采取有效的保護措施是非常必要的，明析瞬間過電壓產生途徑和危害是正確采取防護措施的前提。

一、瞬間過電壓的產生

瞬間過電壓是指在微妙至毫秒之內所產生的的尖峰沖擊電壓而非一般電源上的所謂過壓(一般電源過壓可能維持數秒及以上)，瞬間過電壓有兩種產生途徑：雷擊和電氣開關動作。

1、一般構筑物避雷網只能保護其本身免受直擊雷損害，雷擊會通過以下兩種方式破壞電子設備：①直擊到電源輸入線，經電源線進入而損害設備，因電力線上安裝的各種保護間隙和電力避雷器，只可把線對地的電壓限制到小于6000伏(IEEEC62.41)，而線對線無法控制。②以感應方式(電阻性、電感性、電容性)偶合到電源、信號線上，最終損害設備。

2、當電流在導體上流動時，會產生磁場存儲能量并與電流大小和導線長度成正比，當電器設備(大負荷)開關時會便產生瞬間過電壓而損害設備。

二、瞬間過電壓對電子設備的危害

瞬間過電壓使電子設備訊號或數據的傳輸與存儲都受到干擾甚至丟失，至使電子設備產生誤動作或暫時癱瘓；重復影響而降低電子設備壽命甚至立即燒毀元器件及設備。這一切都會給生產和工作帶來較大損失。

通常水廠自動化系統的控制站都置于構筑物之中，網絡線、電源線鋪設于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大，其防護的主要對象是雷電波侵入(感應)。按國外資料統計雷電波侵入(感應)占計算機類設備雷擊事故原因的85%，按成都市自來水總公司資料統計占水廠自動化系統雷擊事故原因的100％。雷電波侵入(感應偶合)對自動化系統的破壞，主要是通過侵入電源線、天饋線、通訊線和信號線而分別損壞電源模板、通訊模板、I／O模板；也可能因感應從信號采集線和接地網引入有害的信號電流和接地電流，損壞自動化系統或影響其運行。

根據瞬間過電壓產生、危害途徑和自控系統大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監測為一體且分散面廣的特點，我們認為對自控系統要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統的、綜合的防雷措施。特別應從配電系統防雷、自控系統網絡線路防雷、構筑物防雷和合理接地等四方面著手。

1、自控配電系統的防雷

當雷擊輸電線或雷閃放電在輸電線附近時，都將在輸電線路上形成雷電沖擊波，其能量主要集中在工頻至幾百赫的低端，容易與工頻回路耦合。雷電沖擊波從配電線路進入自控設備的電源模塊以及從配電線路感應到同一電纜溝內的自控網絡線上進入自控設備的通訊模塊的幾率比從天饋和信號線路進入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統防雷的重要部份。

水廠的配電系統在高、低壓進線都已安裝有閥型避雷器、氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設備的電源機盤仍會遭受雷擊而損壞。這是因為這些措施的保護對象是電氣設備，而自控設備耐過壓能力低，同時，這些避雷器啟動電壓高而且有些有較大的分散電容，與設備負載之間成為分流的關系，如《圖一》，從而加在自控設備上的殘壓高，至少高于避雷裝置的啟動電壓，一般為峰峰值2-2.5倍(單相殘壓不低于800V)，極易造成自控設備損壞。同時大型設備啟停產生的操作過電壓也是危害自控系統的重要原因之一。

由上述，用單一的器件或單級保護很難滿足要求自控設備對電源的要求，所以對電源防雷應采取多級保護措施。具體級數根據各自實際情況而定，《圖二》為自來水司水廠采用的三級保護方案。(原有的高壓避雷器保留)

第一級在變壓器二次側，主要泄放外線等產生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高(920-1800V)。第二級在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應出的過電壓和其它用電設備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中(470-1800V)。隔離變壓器的安裝非常重要，它能有效抑制各種電磁干擾，對雷電波同樣有效。末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達到箝位輸出，其殘壓低，響應時間快。

有條件盡可能以從總配電柜開始將自控系統的電源線單獨布排。各級避雷器應盡量靠近被保護設備以免雷電侵入波發生正的全反射。各級啟動電壓可據系統而定，但末級應盡量達到箝位輸出。國內和國外的各系列電子避雷器均有較好的性能，其原理圖如圖三。有些還增加了放電管、雷擊計數器、避雷器漏電流檢測電路，其使用、檢測很方便。自來水司水廠采用電子避雷器后其自控系統一般不會在再遭受過電壓損壞。

2、通訊線、天饋線避雷

自控系統通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞線(如DH+、MB+)，并且一般在安裝時都是穿管直埋(或電纜溝)鋪設，所以雷電在此處的感應電壓不高(1KV-2KV)。但由于其直接進入PLC或計算機通訊口這一薄弱環節(正常電壓一般為正負5V、12V、24V、48V等)，故損害也很大。計算機數據交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲(據系統而定)，在選用避雷器件時一般都不采用氧化物避雷器，因為它的分布電容大、對高頻損耗大，除非對之進行特殊處理。通常避雷器原理如《圖四》，其中箝位二極管殘壓很低，若額定電壓為24V，則殘壓在于24-30V之間。選用此類避雷器時應以通訊電平和頻率或速率來確定，對于比較高頻的訊號便需要特殊設計的防雷器以確保其阻抗與該系統對應，否則會有信號反射的現象。避雷器應靠近通訊接口處安裝(減小反射損耗)。網絡通訊線路避雷的最好方法當然是采用光纖網絡。

水廠與上級部門及水廠之間的無線電通訊一般距離近，功率低，其連接線都采用同軸電纜。所以對天饋的防雷主要是選用同軸電纜避雷器(直擊雷防護見后)。我們知道，雷電波能量主要集中在工頻和幾百赫的低端，與有用通訊信號頻段相距很遠。把這兩種信號分開的有效手段就是采用高通濾波器，在選用這類產品時，應據通訊頻率和傳輸功率而定(天線應置于構筑物避雷網45°角內，否則須有相應接地措施)。目前國內市場上的同軸電纜避雷器就是利用這一原理。

3、控制站構筑物的防雷

總控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機設備、通訊設備、儀器儀表，大多數還有電臺和天饋線，是全廠生產監控、調度中心，在裝修中大量采用了鋁、鐵等金屬材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均壓等電位屏蔽措施。

控制站所在構筑物應安裝避雷帶、避雷網，只安裝避雷針效果不好，因為水廠構筑物高度雖低，但地勢空曠，臨近水源，所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊。控制站所在構筑物的接地電阻須小于10歐。

有天饋線或通訊鐵塔的應安裝避雷針，并置于構筑物避雷網45°角內，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內鋼筋結構接地以外，還應單獨鋪設引下線引至構筑物接地網。如只采用構筑物鋼筋結構接地，因為在構筑物修建時其鋼筋焊接質量不一定能得到保證，雷擊時其均壓要求不能保證而易在構筑物內出現強磁場。構筑物外墻上的所有金屬門窗應接入構筑物的接地網。

前面已述，雷電的危害途徑主要通過感應而進入自控系統，所以避雷針、帶、網的引下線應盡量多設幾條，使雷電電流有更多的分流途徑，以減小每條線上的泄放電流量從而降低感應能量。室內計算機、自控設備要盡量置于遠離避雷網導地金屬體。

4、合理接地

防雷的最終措施是"泄放"，因而對"接地"切不可輕心。一般廠內的接地主要有構筑物接地、配電系統及強電設備接地、計算機自控系統接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網對自控系統造成反擊。

計算機自控系統是一個特殊用電系統，它包括以下幾種接地：系統工作地(小于4歐)，直流工作地(信號屏蔽地、邏輯地等小2歐)，安全保護地(小于4歐)。在安裝時難以分開(特別是對PLC系統)，對這一系統采用聯合接地較好。接地電阻取最小值，至少小于2歐。

目前水廠的三大接地網一般是分開設置的。雖然也有采用部分聯合接地的，但我們認為，在水廠還是分開設置較好，原因有以下幾點：

l、水廠構筑物大多數在修建時未考慮計算機等弱電設備，且其接閃地和設備地本身已分開設置。

2、一個水廠內，為普通用電設備供電的高、低壓配電系統中，都采用一個接地系統，由于用電的復雜性，在運行和雷擊時常常使零線(地線)電流不為零(Id)。如采用聯合接地時(Rd)，必然使計算機接地電位抬高到IdRd，從而可能造成反擊。

3、新增計算機、PLC系統時，若要與構筑物接地、配電系統及強電設備接地聯合接地，其接地電阻小于0．5歐較安全，這樣一方面造價太高，在某些地質條件下很能難做到，另一方面對舊地網(特別是老水廠)處理時比較困難。

地網分開設置時應注意避免地網之間的閃絡。雷擊時，會在地網及附近導體中產生很高電位，地網分開，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡。所以，地網之間的距離SK當涉及自控系統接地時應大于10M。在接地線引入室內時，若與其它地網距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。

5、避雷器的選型及安裝布線

要發揮良好避雷功能，防雷器應不會對保護的設備或線路造成任何干擾和中斷現象；具有低"通過"電壓(將瞬間過電壓降到設備能承受的范圍)；能承受高電流(二次感應電流一般不會超過10000A)；反復使用壽命長且具有狀態顯示。電源避雷須提供相對地、中對地及相對中的全面保護作如《圖5》。

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關鍵詞：水廠自動化控制 儀表系統 技術分析

中圖分類號：TU991.62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0092-01

在網絡信息技術、電子技術的不斷發展下，工業建設在自動化方面也取得了顯著的成績，各種檢測傳感器、自動化感應部件、回路自動調節器等得到了廣泛應用。通過對水廠進行自動化控制不僅可以有效降低一次性的采購成本，并且可以降低日后的維護工作量，提高水廠運行的穩定性。

1 水廠自動化控制系統的設計思路

在設計水廠自動化控制系統時，按照“集中管理、分散控制、共享數據”的基本原則進行設計，保證計算機信息系統有良好的獨立性。一般使用PLC+IPC自動控制模式進行集散式控制，由于PLC具有良好的擴展性、結構比較緊湊、價格也比較低廉，是目前使用比較廣泛的控制器。水廠集散控制系統設計時，要將集中檢測作為設計重點，并通過分散控制進行輔助。在對水廠的位置和設施情況進行分析后，分別使用獨立就地控制、實時監控、遠程監控三種控制措施。在水廠生產過程中，要做好實時監控工作[1]。遠程監控主要設備，對水處理構筑物進行就地控制。通過分三個等級進行控制，有效保證了水廠控制的安全性。水平自動化控制網絡主要分為三層，在實際設計時，可以根據生產要求和工藝要求進行安排。根據需要設置送水控制站、取水控制站、PLC控制站、加藥加氯控制站、反沖洗控制站等。

2 控制系統的構成

2.1 中控系統

中控系統主要由監控計算機、生產管理計算機、激光打印機構成，使用iFIX組態軟件作為監控計算機的應用軟件，可以將生產線的水池水位、電機、加藥設備等所有生產線的模擬畫面顯示出來。將中控室的電腦遠程接入到系統中各個設施中，并且可以將水處理工藝布置圖、水廠設備工作狀態、水廠設備動態參數、測量儀表數據、設備報警信號等顯示出來，并且控制系統可以通過編程對系統參數進行調整。此外，中控室還可以利用相關軟件對水廠的數據進行監控和收集，并深入分析和計算檢測數據，從而對運行參數進一步進行調整。DCS集散控制系統可以利用I/O模塊遠程控制PLC鍵，通過PLC監控站的顯示器可以監測到供水站的實際操作情況，并可以對儲液罐的液位、儀表運行的具體參數、管道的流量等進行采集分析。中控室通過對這些上限參數和下限參數進行控制，實現遠程控制的目的。

2.2 取水房控制系統

取水房控制站主要對水泵機組的實際運行情況以及機組的運行參數進行監控，并且取水泵房中的吸水井中安裝了水位計，可以時刻監視水庫水位的基本情況。根據送水泵的實際運行情況、清水池的水位情況、水管網壓力情況、用水高峰的時間段確定水泵機組的開啟或停止。在機組設備良好、配電線路良好、出水電動閥良好并且處于關閉的狀態時，才可以自動運行。取水泵房控制系統主要作用是對設備的運行狀態參數、設備的運行情況進行監控，并且及時和送水泵房的控制站進行信息互通，記錄和備份好設備的運行情況。

2.3 送水房控制系統

送水房控制系統主要是用來對小水泵和大水泵的運行參數和運行工況進行監控，并且將流量計、壓力表、余氯分析儀、濁度計、PH計等設備安裝在出廠管線上。此系統主要用來對出廠水的衛生情況進行檢測。在運行時，需要有完好的機組設備和配電系統，并且吸水井要達到設計水位才可以實現正常運行。

2.4 反沖洗泵房控制站

反沖洗泵站主要由濾池反沖洗水泵、濾池鼓風機構成，反沖洗泵站主要用來對反沖洗水管管路上的開度信號、閥門開關、手動新型號自動信號等進行檢測；對水位數據進行收集，并和中心控制站進行信息數據的傳輸。在進行控制時，除了可以安排操作員使用就地箱進行控制，還可以使用PLC來進行控制。可以將操作終端作為人機接口，并利用PLC控制各個設備。此外，操作人員可以利用操作終端對參數進行設定和修改。

3 自動化控制系統的實現

3.1 主控制界面的實現

自動化控制系統使用服務器和客戶端的運行模式，通過桌面將系統圖標打開后就可以進入到首頁。用戶的權限不同，顯示操作功能也不同[2]。進入系統后，可以配置水處理設備，對水廠一期和二期的濾池控制情況車沉淀池控制情況進行控制和檢測。

3.2 取水泵房的監控實現

取水泵房操作界面可以將泵房中機組的具體情況完全顯示出來。例如閥門的開閉情況、機組的數量情況、真空泵的運行情況、真空泵的水壓情況和水位情況等。利用取水泵房的操作界面可以全面了解泵房中水泵的實際運行情況，并及時調整水泵的運行狀態。

3.3 加藥間的監控實現

水從濾池通過后，基本不再渾濁了。此時，需將藥劑加入到原水中來殺死水中的細菌，從而使水的質量達到飲用標準。加藥間的加藥的監控系統可以將加藥量、水的實時流量、水中氯的余量、水的渾濁度清晰的反應出來，自動加藥系統可以根據具體的流量情況，對加藥量進行控制，并且將加藥池的水位和運行情況顯示出來，在遇到特殊情況影響水質時，可利用操作界面調整系統中的設備。

3.4 預警監控的實現

自動預警系統主要是為了保證系統的穩定運行，當接入系統的任何一個設備的運行數值超出設計的安全范圍值，系統會自動發出預警，并提供解決方法。相關數據會一直保存在系統中，以便及時優化、總結水廠的運行數據。

4 結語

通過在水廠中對此自動化控制系統進行運用，有效提高了生產的安全性，供水的穩定性得以提升。可以對各類設備進行實時監控和自動化運行。在監控中心就可以觀測到設備的生產指標和運行情況，對所有出現問題的環節進行了記錄和反饋。此外，工作人員的作業效率也明顯提升，管理人員可以根據監控中心的數據調整和分析水廠的運行情況，一些耗時、耗力的操作由計算機代替，勞動效率顯著提升。

參考文獻

篇5

數字技術應用于水廠電氣自動化中的優勢主要體現在兩方面，即：第一，在標準化及開放式的平臺下所建立的編程接口，可使數字技術的使用壽命得以延長，并縮短編程周期，進而使數字技術應用范圍不斷擴大。第二，數字技術的普及與發展已逐漸滲透到人們的工作與生活中，為人們的相互交流提供平臺。例如，西門子公司所推出的PCS7自動化控制系統，簡化了繁瑣的資格認定，操作人員無需利用維護工具便可在短時間內進行數據的更改。

2數字技術在水廠電氣自動化中的創新

2.1智能終端技術的利用

水廠電氣自動化過程中，可通過光纖連接的方式，利用智能終端以及間隔層采集與控制相應的數據，從而使電氣自動化中數字技術的可靠性得到提升。另外，電氣自動化能夠實現有效的運作主要得益于標準的程序接口。因此，將TCP/IP作為辦公通訊的標準，能夠幫助ERP與MES實現連接，進而為用戶提供完善的程序接口。例如，數據交換可在軟件與硬件中進行，并優化智能結果，提高通訊質量。

2.2GOOSE虛端子技術的利用

GOOSE虛端子技術將設計與裝置做出一定的改變，使二次回路得到改良，更具便于調試且易理解的優點。GOOSE技術應用過程中，通過測控裝置與智能裝置實現信息的交換，并以此控制開關及主變、母聯及母線以及全站線路等，而且其中的跳合閘能夠對測控遙控裝置及聯閉鎖的間隔層進行保護。因此，GOOSE虛端子技術通過對二次回路的改良使非電量信息更便于操控。另外，GOOSE與MMS雙網配置也實現了結構清晰、層次分明、簡捷方面的優良性能，集中了相關結構組屏，在主機與二者之間以通信管理的方式實現測控遙控、聯閉鎖以及跳閘保護。如圖2。

2.3對程序代碼控制的強化

程序代碼的控制是數字技術中的主要技術，主要利用程序代碼向電氣設備傳達指令。但在程序代碼控制方面，很多操作人員的意識不強，無法對相關指令進行有效地下達與操控，很大程度上使水廠電氣設備運行效率受到影響。因此在實際操作過程中，當下達相關指令后，技術人員應進行檢測數據向計算機傳輸的工作，若需進行具體的操作，可直接進行干預，確認設備中的開關與閘刀設計能夠保證系統具有良好的運行狀態，這樣系統能夠自行完成所有操作。

3結論

篇6

Abstract: At present, the function of some small and medium water plant automation system has not brought into full play and some systems even in the idle state. For the existing problems at these water plants, the paper made the discussion from the aspects of purpose, design, equipment and management.

關鍵詞：水廠自動化；設備管理；自控設備

Key words: water plant automation; equipment management; automation equipment

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）12-0270-01

1 水廠自動化的目的

對水廠實施自動化的根本目的認識不夠全面或出現偏向，是造成一些水廠自動化系統未能充分發揮作用的一個原因。水廠實現自動化的根本目的是提高生產的可靠性和安全性，實現優質、低耗和高效供水，獲得良好的經濟效益和社會效益。但是，有的水廠實現自動化是為了趕時髦，將其作為一種點綴；有的水廠是迫于形勢，在大批水廠紛紛實現自動化的情況下，自己也不能不上等等。

2 水廠自動化的設計

2.1 未解決的相關理論問題

2.1.1 絮凝理論不夠完善。加藥系統是一個大延時、強耦合、干擾因素多的非線性系統，目前廣泛采用的控制方法為：用原水流量按比例前饋調節計量泵的頻率，用流動電流儀（SCD）反饋調節計量泵的沖程，從而構成加藥復合控制系統。由于凝聚作用本身有多種理論，決定加藥量多少的水質成分因素在理論上還不夠完善，如原水濁度、溫度、pH、污染因素以及非膠體顆粒干擾因素等參數變化都對SCD有很大影響，而在SCD反饋調節方法中，只采用了反映水中膠體穩定度的參數ζ電位來代表全部水質因素，因此該控制方法并不完全符合生產實際。

2.1.2 加氯系統理論問題。在加氯系統中，傳統的控制方法為：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反饋控制。由于影響加氯效果的因素很多，如水質、天氣、水廠的具體工藝特點等，而且后加氯存在時間滯后問題，同時對控制方法和投加氯氨存在的問題目前有不同的看法，特別是對水射器安裝位置和余氯取樣位置的規范化確定目前尚無完整的理論，從而使加氯系統不夠規范，實際運行效果也不是十分理想。

2.1.3 其他理論問題。如變頻供水泵和定速供水泵的臺數比例確定、變頻供水泵的自動調節方法以及供水泵的科學調度等問題，理論上還未完全解決，管理上還有待進一步研究。

2.2 技術規范和設計標準問題 到目前為止，我國在供水行業自動化控制方面，除《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》等少量規劃性技術文件之外，尚無制定供水行業自動化控制方面的技術規范和設計標準，致使水廠在實施自動化過程中，技術上缺乏統一的規范性，設計上存在一定的盲目性和隨意性，影響了自動化系統配置的科學性和合理性。而在其他行業，如水電行業，國家有關部門早已經頒布了相關的技術規范和設計標準，這對該行業的自動化設計和實施起到了積極的促進作用。

2.3 設計中存在的一些具體問題 ①缺乏統一的發展規劃。②功能設置過于復雜。③功能設置過于簡單。④設置過多的手動功能。有些設計為了在自動化系統故障時不影響生產，而設置了過多的手動操作功能，從設計上就將自動化系統置于可有可無的地位，既造成了設備的重復投資，也使生產人員產生了不正確的依賴心理，加上運行管理改革力度不夠，出現了自控設備擱置不用而仍由人工手動操作的現象。

3 水廠自控設備存在的問題

3.1 質量問題 水廠中有些設備容易出現質量問題，如堿度計、氯氨測定儀、溶解氧測定儀、濃度測定儀、壓差變送器、加氯機、計量泵等，這些質量問題有的是設備本身的質量不過關，有的則是安裝或維護質量達不到要求，但均影響了自動化系統的正常運行。

3.2 配套問題 在有的水廠自動化系統中，設備如傳感器、測量儀表及執行機構本身并無質量問題，而是精度不夠或穩定性達不到系統要求，即與系統配套不合理，也是影響自動化系統正常運行的一個原因。

3.3 備品備件問題 有些設備發生故障后，由于缺乏備品備件而一時無法修復，這對進口設備尤為明顯。如果由原產品供應商修理，則時間長、費用高，特別是有的產品已更新換代而根本無法得到備品備件，造成了這些設備的檢修十分困難，從而導致這些設備長時間處于癱瘓狀態，影響了自動化系統的正常運行。

3.4 檢修和改造問題 對于部分進口設備如網絡設備，由于外商對通信協議和通信軟件的公開性不夠，且本身的技術要求也較高，既增加了這些設備的維護和檢修難度，也降低了自動化系統的開放性，影響了系統的正常更新和改造工作。而且很多進口通信設備較難與國內設備互聯，致使更新和改造困難，從而降低了自動化系統的合理性和統一性。

4 管理方面存在的問題

4.1 不注重設計、安裝、調試過程的人員參與 很多水廠在建設自動化系統時，由于受人員和素質的限制，常采用交鑰匙工程的方式，這樣在建設時輕松省事，但后患無窮，由于沒有自己的技術力量參與設計、安裝、調試過程，導致投產后出現很多問題，影響了系統的實際運行效果。

4.2 對自動化系統和設備不夠熟悉 由于值班人員缺乏必要的技術知識，對自動化系統和設備不夠熟悉或掌握不夠，導致設備得不到正常的保養、調校和檢修，造成儀表精度降低或設備故障；導致軟件得不到必要維護和調整，造成因一些小軟件故障得不到及時處理而影響系統正常運行；有的甚至出現誤操作或引起人為故障。

篇7

關鍵詞：中小型水廠 技術改造 自動化控制 體會

一、振華水廠簡介

振華水廠于1994年底投產，規模：6萬立方米／日，屬中型水廠，擔負著開平市城區大部的自來水供應，其供水水質及安全性對整個城區都有著重要的影響。

工藝流程：

該廠生產控制方式為現場手動控制方式，投藥、加氯的準確度、連續性，濾池反沖洗、二級泵站供水的安全可靠性都受到相當大的制約。為適應《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》要求及人們對水質和供水安全性要求的提高，1999年5月我水司與有關高校科研人員及自控專業公司合作對該水廠進行了自動化改造。經改造后的生產實踐證明，效果相當不錯，說明中型水廠自動化改造是必要和可行的，具有一定的推廣價值。

二、自控系統改造設計思路

2.1 系統組成

本自動控制系統主要由中央控制室兩臺計算機（Pentium Ⅱ/450，內存96M）、模擬屏及現場兩套PLC（SIMATIC S7－300，CPU314）組成，控制規模DI160點、DO96點、AI24點和AO12點。采用DCS（Distribute Control System）系統，為中央控制室集中監控、PLC分散控制和現場操作臺手動控制的三級控制。PLC軟硬件主要由西門子公司提供，使用 Windows NT 4.0操作系統構成C／S結構，分別以STEP7和WinCCV4.0為編程與監控軟件。整個系統采用MPI多點接口網絡，PLC框架采用內部總線，PLC與計算機之間采用RS－485通訊接口，兩套PLC站通過專用雙絞線聯接，如圖1所示。

其中，二級泵站PLC監控泵站電機、水泵、真空泵及閥門工作狀態，監測調速泵頻率、運行時間、電流、電壓、電源有功功率、耗電量、機泵閥開關量狀態及出廠水水質指標；而中控室PLC同時監控加礬、加氯、過濾、反沖洗和反沖洗水池補水系統的設備運行工況，監測混合SCD值、濾后水余氯及原水水質指標。

2.2系統功能

監視功能

模擬屏以直觀的表達方式，通過色彩和動態顯示數據，形象表示出制水生產全過程。監控計算機可以對生產進行全面監控，并對投藥、加氯、濾池及送水泵站各系統以立體圖和平面圖表現相應的工藝流程、設備運行工況以及儀表參數。此外還具有歷史數據分析和報表系統功能，自動生成7種不同類型生產報表，并可隨時進行修正和打印。

自動控制

自動控制分為人工和自動方式，前者是把輸出模擬量固化，后者則通過預設參數實現優化控制，控制單元對設備檢測部份傳來的信號進行運算，將結果送至設備執行部分。

故障診斷

PLC外部控制電路和Ⅰ／O接線系統的故障檢測診斷，由用戶程序找出最佳矛盾邏輯狀態組，及時發現故障點，開啟報警并記錄。通過啟動“報警置位”功能復位，消除故障。

2.3 改造后凈水工藝控制方式

（1）加礬系統

改造前采用重力與泵壓聯合投加：礬液從高位礬池流入礬泵，經提升至高度與礬池項約相平的緩沖罐，然后應用重力投加。受原水管道壓力變化影響，在水質水量發生變化時，憑經驗人為調節造成滯后和不準確。

改造后，加礬系統采用隔膜可控容積計量泵、變頻調速電機和美國 Mition RoySC5200－E4WJOOO游動電流檢測儀（簡稱SCD儀），見圖2。其中，以原水流量為前饋量控制電機頻率，流量越大，頻率越大，轉速也就越高，確保原水流量發生階躍變化時控制系統響應速度和穩定性；以SCD儀檢測混合SCD值為反饋量控制計量泵沖程。水廠集中采用中控室PLC內部PID控制器，實現PID控制算法。

加礬系統在原水流量計和SCD儀的自動監測下，實現頻率和沖程雙點調節，最大限度擴展控制范圍，適應了原水水量和水質大幅度變化，并可克服原水管道壓力變化影響，保證了混凝效果。

（2）加氯系統

改造前只有濾后加氯，投加量偏差多少依據一小時后檢測耗氯量、余氯值來估計，再手動改變加氯機開度，調節氯氣流量，調節粗糙，反饋過慢，致使加氯不夠可靠。

改造后，濾后加氯采用復合環控制，并增加反應前加氯系統。

反應前加氯按原水流量比例投加，屬開環控制。濾后加氯以原水流量為前饋量，以濾后水余氯為反饋量進行投加，屬閉環控制。

應當說明的是濾后加氯流量信號仍取之于原水流量，是因為原水流量與濾后水流量不等情況很少，且有余氯儀檢測反饋。這種前后反饋復合環控制加氯技術保證后加氯系統穩定性和可靠性，也適應水量和水質變化。

（3）濾池系統

原系統過濾時靠肉眼判斷濾池水位高度，手動調節進水閥和濾水閥門，造成水位忽升忽降且各濾池水位高度不一，濾速不均。

改造后，保持進水閥全開，以超聲波水位儀和角度轉換器分別監測濾池水位和濾水闊開度，執行PID指令后，送出開度控制信號，實現恒水位過濾。如圖3所示。

過濾到一定周期進行自動反沖洗。為簡單起見，反沖洗省去按阻塞值條件控制，當過濾能力下降并形成一定水頭差，值班人易發現水位突破恒定水位并不斷上升，由此進行強制反沖洗。另外，反沖洗水池自動補水，以液位計反饋液位高度信號控制水泵啟停，同時保留原靠浮球到達限位作為水泵停止信號的控制，兩者并用確保反沖洗水池滿水后水泵自動停止，以免事故發生。

（4）二級泵站系統

改造前，四臺型號一致大泵和一臺小泵都是定這泵。手動控制出水閥門開度來調節供水壓力，浪費能量且不適應管網壓力變化。改造后，利用壓力變送器的壓力反饋，一號大泵進行變頻調速，達到恒壓力供水目標，如圖4所示。

變頻器最佳輸出頻率范圍為40Hz至49Hz，當達到設定極限50Hz時，變頻器會自動跳閘，并發出警報。在實踐中，以一號變頻調速泵與其它定速泵的不同并聯組合，使變頻調速在最佳變頻范圍進行工作。

三、運行效果及體會

3.1 運行效果

（1）加礬和加氯兩套系統均實現了優化控制，確保了水質的提高。出廠水濁度一般在1.0NTU以下，余氯值在0.4～0.7mg/L之間，達到Ⅰ類水司水質標準，其它指標均符合或優于國標。另外，自控監測儀表一般都有靈敏度高、準確性好和易于維護的優點。

（2）自動化控制，大大降低了工人的勞動強度，提高工作效率。同時，也提高了凈水生產的穩定性、連續性與供水的安全性，符合供水行業現代化生產技術的發展要求。

（3）降低了能耗、藥耗。

利用調速泵與定速泵不同并聯組合來適應不同供水需求，在滿足管網壓力逐時變化前提下提高效率，節約了電能。我們對調速大泵和一臺定速大泵并聯運行與兩臺定速大泵并聯運行作出比較，節能約為10％左右。不僅節約電能，而且經統計節約礬藥約10％。

如表1所示。

3.1 體會

中小型水廠規模小，自動化改造的投資成本相對較高，因而需要在保持技術先進的前提下尋求自控系統的可行性簡化。如用集成在CPU內的MPI進行簡單聯網，以STEP7用戶接口簡單組態等。

對中小型水廠自動化技術改造在我國尚屬嘗試階段，應用不多，本項目注重設計與實際情況的緊密結合。例如，本廠的原水進水采用計量堰計量時一般會出現水面波動較大的現象，我們通過設置擋板以消除計量堰水面紊動，確保水位和流量信號檢測準確；反沖洗水池抽水泵真空判斷原以在真空表內設定固定真空值為準，為適應清水池水位大幅度變化要求，特改用在真空管路內水位提升浮球取得真空形成信號等。另外，進口自動監測儀表需穩定安全的工作環境才能正常發揮作用。對此我們在相關儀表前加設緩沖排氣筒，出廠水經氣水分離后依靠重力流向儀表，相對穩定、平緩，使儀表正常工作。

水廠生產實現自動化控制，改變了傳統的生產運行方式，促進了凈水處理技術水平的提高，經過一年多的實際運行證明，改造是成功的，達到了我們預期目的，提高了投藥加氯的準確、連續性，提高了供水安全性，降低了藥耗。當然，改造工程本身存在某些局限性，我們將精益求精，在生產實踐中個斷完善，使經濟效益和社會效益雙豐收。

參考文獻

[1]　SIMATIC S7-300可編程序控制器，西門子（中國）有限公司出版社，1996

篇8

關鍵詞：自來水廠；自動化控制；框架

中圖分類號： TU991.35 文獻標識碼： A

§1.0自動化控制的水廠功能要求

1.1、取水泵站功能控制要求

1、取水泵站電機的運行電壓、電流、頻率在線顯示和控制（頻率）。

2、消毒液（劑）投加設備的運行工況和投加量的在線顯示及控制。

3、取水瞬時流量、累計流量的在線顯示。

4、原水的水溫、PH值、濁度等的在線顯示。

5、原水的水位和庫容（視要求）在線顯示。

6、取水口和取水泵站的遠紅外線高清視屏監控。

1.2、廠區功能控制要求

1、供水泵站電機的運行電壓、電流、頻率等的在線顯示和控制（頻率）。

2、清水池液位顯示和取供水機組的聯動控制。

3、濾池的液位顯示和反沖洗機組（汽、水）及排污閥的聯動控制。

4、絮凝劑（液）、消毒劑（液）投加設備的運行工況和投加量的控制。

5、供水管網的實時壓力、瞬時流量、累計流量的在線顯示。

6、供水的水溫、PH值、濁度、余氯或二氧化氯含量等在線顯示。

7、建立在數字化供水區域行政地圖上的管徑≧￠50的管網路由詳圖（按顏色區分管徑、標明進排氣閥、排污閥和閘閥的位置、標注￠50管末端的供水戶數，視需要未來可擴展至自然村的管網細部圖）。

8、管網路由圖上的主干支節點（供水區域內的￠110管及以上的分支點）的實時壓力、瞬時流量、累計流量等的在線顯示（遠程GSM卡傳輸）。

9、記錄水廠運行的歷史數據，按要求（年、季、月、旬、日、時）打印數字報表圖表和分析曲線。

10、存儲主干支數據采集節點的運行數據，數字建模，通過計算、對比、分析能夠對突發異常數據（管網壓力的突降和流量的突增）進行聲光報警。

11、廠區無盲區的遠紅外線高清視屏監控、電子圍墻護欄等安全防范系統。

§2.0硬件的設計依據和控制方案選擇

2.1、設計依據

1、國家標準、行業標準和企業生產標準。

2、自來水廠的功能控制要求。

2.2、控制方案選擇

1、控制形式

在自動化領域，具有多種實現一體化控制功能的形式，比較成熟的具有以下三種形式：

① 基于PC的控制系統

② DCS分布式控制系統

③ 上位機+PLC控制系統

2、方案比選

①基于PC的控制系統：是在計算機硬件的基礎上通過各種接口板卡擴展其與被控對象的連接能力，實現輸入/輸出功能，由于其功能過度依附于個人計算機，而個人計算機的各種防護能力不能達到工業級應用環境和平均無故障時間的要求，因而只能用于環境較好、對可靠性能要求不高的場所，其具有明顯的成本優勢。

②DCS分布式系統：有全集成的結構，由同一廠商提供現場控制單元、上級監控單元，并且軟件、硬件一體化，具有高度集成和協調能力，具有很大的運算能力，可以控制多路復雜系統，但其可靠性不如PLC系統高，工程造價也較昂貴。

③“上位機+PLC控制系統”：將采用分布式系統的思想，將控制與監視基本分離，由具有最高安全性能的PLC系統負責采集現場信號，并且實現輸出以驅動現場執行機構，相對于個人計算機而言，PLC具有耐最差環境的優點，同時由于其嚴格的封裝特性和獨特的執行程序方式，具有更高的可靠性，現在絕大部分知名品牌的PLC主機的平均無故障運行時間都在100，000小時以上，由于微電子技術的不斷發展，CPU時鐘頻率不斷提高，PLC的實時性和運算能力不斷增強。在大多數應用場合，PLC都可以通過自身的CPU部件處理各種輸入/輸出信號，進行各種簡單/復雜的邏輯運算，并能進行各種開環、閉環控制，完全發揮其就地控制單元（現場級控制）的能力。與PLC配套的上位機系統實際上具有兩個功能：一、人工干預PLC自動運行程序的功能，在某些特殊的情況下對現場執行設備進行“不合規則”的調控；二、監視、存檔、報警等功能，上位機通過取出PLC中的數據，結合計算機的軟硬件特性，對數據進行精細化處理和分析，得出更有價值的判斷和結論。在這個系統中，PLC起到了承上啟下的作用：由它對現場設備進行管理，計算機通過與PLC通訊來間接了解設備運行狀態、對設備進行操作，這樣充分發揮了PLC可靠性高的優勢。

2.3、方案確定

針對鄉鎮自來水廠工程功能要求和水廠的專業技術人員短缺，值班、職守人少和運行環境的濕度大溫度高等特點，筆者決定采用計算機監控系統HMI/SCADA系統加PLC控制的全自動監控方式。整個系統采用縱向三級系統HMI/SCADA中控室監控系統、LCU控制系統、現場控制系統，三級系統由高到低垂直分布，呈樹狀結構。

HMI/SCADA控制中心系統，通過工業以太網與下一級設備（LCU就地控制系統）相聯系。通訊介質為單模光纜，通過環型連接構成冗余網絡，網絡中任意一個節點出現故障不至影響其它節點之間的正常通訊。系統選用兩臺高性能計算機和兩套軟件組成冗余監控模式，任意一臺機器出現故障，不至影響系統正常運行。

LCU控制系統居于三層系統中間層，起承上啟下的作用，向下管理現場分散設備，向上與HMI/SCADA系統通訊，因此，要求具有很高的可靠性。同時，要具有可獨立工作的能力，在HMI/SCADA系統出現故障或者脫機的時候仍能正常工作。基于以上考慮，LCU控制系統選用高性能的PLC系統。PLC系統向上通過工業以太網與控制中心相聯系，向下通過I/O模塊的硬接線方式與現場設備相聯系。I/O模塊的硬接線方式是傳統的PLC模式，在通訊結構上實際上是一種星型模式，相對于智能設備的總線型通訊模式具有兩個方面的優點：一是對現場設備的支持能力強，大多數現場設備均能通過這種方式融入控制系統，而總線型設備級網絡需要現場設備配置智能模塊，管理總線通訊接口，而當前狀況是僅部分現場設備（或者部分品牌的現場設備）支持總線通訊接口；二是通訊抗故障能力強，由于星型網絡每個點都與上級控制層直接硬接線，因而任意一個現場設備損壞或者任意一條通訊線路損壞都不會對其他設備或者線路產生影響。而總線型通訊是一條總線加上多個設備點的總線分支器構成的，因而在總線損壞或者總線分支器出現故障時，其后的所有設備均不能正常通訊。現場控制系統即為系統最前端設備：包括各種傳感器/變送器、控制電箱柜、各種開關、按鈕和接觸器、繼電器線圈等。其功能有：一是把現場的“狀態” 傳送到上一級系統，二是把上一級控制系統所做出的“決定”（通常依據“狀態”而來）實現到現場設備上。

§3.0控制站點的分布

自來水廠自動化控制系統設立：中控室控制站、一座PLC主站（送水泵房）、二座PLC分站（加氯和加藥間、取水泵站）。PLC主站與中控室控制站用以太網進行通訊，PLC主站與加氯加藥間PLC分站以DP總線進行通訊，PLC主站與取水泵房PLC分站可用DP總線進行通訊或用無線網橋（遠距離）。

3.1、中控室控制站

中控室設有1臺監控計算機，操作系統采用WINDOWS2000 PROFESSIONSL版，組態軟件采用PLC廠家的最新工控組態軟件，組態點為1024，完全版。要求軟件能在WINDOWS系統軟件平臺上可靠運行，并具有良好的動態監控畫面組態功能、豐富的組態圖庫和數據處理功能。其功能配置應滿足水廠監控的所有需要，如事件信號、測量值的歸檔，操作權限的設置，在線調試、遠程訪問等。

監控應用軟件采用在組態軟件的基礎上開發的動態圖形軟件，圖形形象逼真，操作界面友好簡便，故障診斷可靠，數據庫功能完善。

3.2、送水泵房PLC主站

3.2.1系統說明

送水泵房PLC主站監測送水泵房設備、工藝參數和運行狀態，是送水泵房水泵電機及其輔助設備的智能控制中心。

送水泵房變頻恒壓供水過程的控制是由多個獨立的泵組控制裝置以及真空引水裝置等，依據一定的程序相互協調作用來共同完成，它們之間的聯系和協調是通過PLC柜來實現的，每個控制裝置內在的聯鎖關系由其內部電路去執行。在自動恒壓供水模式下，這幾個控制裝置的協調工作過程就構成了恒壓供水設備的工藝控制過程，這幾個控制裝置在工作中協調質量的好壞及合理性（優化運行）將會直接關系到恒壓供水工作時的品質。

3.2.2PLC監測下列物理量數據和設備運行狀態信號：

供水泵電機運行的：電流、電壓、頻率、開停機時刻、累計運行時間；

反沖洗汽水泵電機運行的：電流、電壓、頻率、開停機時刻、累計運行時間；

出廠水實時壓力；瞬時流量、累積流量；

出廠水水質各種參數（水溫、PH值、濁度、二氧化氯含量）；

變頻器的工作狀態和故障報警；

清水池水位、濾池水位；

廠區遠紅外高清視頻監控傳輸和電子圍欄報警；

PLC對模擬量的監測是通過配置的模擬量輸入模塊實現的，PLC對諸如電量、累積水量等累積量的采集是通過其DP通訊方式完成的。

3．2.3PLC控制功能

PLC以處于「自動方式的受控裝置（變頻柜以及水泵等設備）為控制對象，使各受控裝置能自動地按工藝流程和控制動作要求工作（運行和停止），自動控制的總目標是按照預定的程序協調控制這些受控裝置的運行，實現目標壓力值可調的自動恒壓供水。PLC的控制還具有優化控制功能，包括自動對泵的合理、科學調配，通過適當的控制算法，PLC總是選擇最合適的泵組投運和停機，保持機組和聯動系統的最佳運行狀態。

隨著社會的進步和要求的提高，欲實現全廠自動化只需配置以太網通訊模塊，通過工業以太網方式和工廠自動化網絡連接，與上位監控微機及其他網絡終端通訊即可。

PLC控制柜配置了10.4’的中文信息觸摸屏，以文字、圖形、曲線等形式顯示各類數據、狀態和故障、參數越限報警等信息。無需物理按鈕，操作員通過輕觸屏面觸摸面板，向設備發出各類各型指令，觸摸-感應顯示能使操作者直觀、全面地通過圖形控制監視所有的受控設備，及時發現和解決問題。

3.2.4、設備制造要求

送水泵房PLC主站使用落地柜式，外形尺寸2200mm×600mm×600mm，面板上安裝10.4’中文信息觸摸屏

3.2.5、元器件選型要求

①．控制站PLC選用SIEMENS S7—300系列產品，配10.4’中文信息觸摸屏；

②．低壓電器選用施耐德公司的產品（建議）。

3.3、加氯和加藥分站

3.3.1系統說明

1．絮凝采用投加聚合氯化鋁溶解液，一個投加點，兩臺機械式隔膜計量泵（一用一備）和一臺減速攪拌電機組成加藥系統，。

2．消毒采用投加二氧化氯方式，由二氧化氯發生器組成消毒系統。兩個投加點，分別為濾前消毒（夏季高溫殺藻、微生物）和濾后消毒。

3.3.2技術要求

1．加藥系統運行采用半自動方式，配置一臺變頻器，根據源水的流量，出廠水濁度調節其電機的頻率從而控制投加量的大小；依據季節的變化、源水的濁度及相關經驗等綜合因素，手動調節沖程的大小。用時控開關控制攪拌電機的開停確保絮凝劑的濃度均勻。

2．加氯系統的二氧化氯發生器為全自動方式和閉環運行，本次方案考慮其已具備與主站PLC通訊的接口，具有兩種控制模式：遠程計算機控制，加氯機自動控制。

3.3.3設備制造要求

手動模式操作按鈕和狀態燈安裝在控制柜（2200mm×800mm×400mm）面板上，聚合氯化鋁的攪拌機的螺旋桿和葉輪采用食品級不銹鋼。

3.3.4、元器件選型要求

1．控制站PLC選用SIEMENS S7—200系列產品；

2．變頻器選用SIEMENS MM440系列產品；

3．低壓電器選用施耐德公司的產品（建議）。

3.4、取水泵房PLC分站

3.4.1系統說明

取水泵房PLC監測去水泵房設備、工藝參數和運行狀態，是取水泵房電機及其輔助設備的智能控制中心。

PLC監測下列物理量數據和設備運行狀態信號：

取水泵電機運行的：電流、電壓、頻率、開停機時刻、累計運行時間；

取水泵的瞬時流量、累積流量。

原水的各種參數（水溫、PH值、濁度、二氧化氯含量）；

變頻器的工作狀態和故障報警；

水庫水位、庫容；

取水口遠紅外高清視頻監控傳輸；

3.4.2、元器件選型要求

①．控制站PLC選用SIEMENS S7—200系列產品，配置以太網模塊；

②．和廠區通訊采用美國朗訊RG1100無線網橋。

§4.0軟件設計

4.1 中控室計算機監控軟件

4.1.1、軟件功能描述：

經過組態，監控計算機應具備以下功能：

1. 采集各工段的工藝參數、電氣參數及生產設備的運行狀態信息。

2. 根據采集到的信息，建立各類信息數據庫，根據工藝要求編程，自動進行調節和控制現場設備。也可以通過計算機對各類工藝參數值做出實時與歷史趨勢圖形，供調度員分析比較，以便找出水廠的最佳運行規律。同時分析各種事故原因，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益：

3. 監控計算機以人機對話方式指導操作，在自動狀態下，可用鍵盤或鼠標器對有關設備進行遠程控制（開停機操作）：

4. 監控計算機的彩色監視器（CRT）可顯示全廠平面圖及工藝流程的剖面圖，剖面圖上有動態的實時參數值顯示、機泵狀態顯示和事故報警信息顯示等幾十幅可切換的動態畫面。

主要圖形有：

——水廠總貌圖

——水廠流程圖

——測量和控制儀表及設備定位圖

——加藥間動態模擬圖

——加氯間動態模擬圖

——清水池動態模擬圖

——濾池動態模擬圖

——建立在數字行政地圖上的供水區域管網路由詳圖（≧￠75管徑）

5. 顯示時、日、旬、月、季、年模擬量值運行曲線，歷史曲線。

6. 打印班、日報表、設備運行時刻表，事故報表，定時或隨機打印旬、月、季、年的統計報表。報表內容包括運行參數、水質分析、技術經濟分析等。每天的生產數據能自動進入數據庫制成生產圖表。并具備歷史數據查詢功能，機內存儲12個月以上的信息。

7. 計算機能監控和判斷生產流程測量模擬量值的越限和設備故障。發生故障時，故障信號應顯示在監控屏幕上，時間地點應保存在硬盤上，并打印出來。同時給出聲光報警提示。

8. 用戶登錄：運行人員必須輸入正確的用戶名和操作密碼進行登錄后才能進入系統。系統對不同的用戶賦予了不同的操作權限，分為操作人員權限和管理人員權限。操作人員只能進行設備操作和數據瀏覽，管理人員可進行設備操作、數據瀏覽、參數設定、用戶和密碼維護。

9. 實時工藝流程圖顯示：實時動態地顯示工藝流程圖，流程圖上包含各種設備實時運行狀況、各種實時工藝參數。出于計算機屏幕大小限制，不能在一幅畫面顯示水廠全廠工藝流程圖、所有設備狀況、工藝參數，采用多幅畫面進行流程圖顯示，通過鼠標點擊菜單或按鈕，進行流程圖顯示切換。大區域的實時動態畫面采用縱斷流程和平面流程相結合的流程圖顯示方式，局部實時動態畫面采用45度立體流程圖顯示方式。

流程圖中所有設備的運行狀態采用綠色表示：停止狀態采用本色表示；故障狀態采用紅色和本色交替閃爍表示。

流程圖中所有由PLC控制的設備均設置遙控/自動轉換按鈕，只在當設備手動/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，禁止人工遙控設備。當設備出現故障信號時，停止運行或禁止啟動這些設備。

10. 報警顯示：當出現任何報警時，提示運行人員報警點、報警類型、報警時間等多種信息，由運行人員進行確認，同時可通過報警匯總表瀏覽歷史報警，歷史報警 的內容包括各種報警信息、報警是否經過確認、確認報警的用戶、確認報警的時間等。報警出現時，報警打印機立即打印報警信息。

11. 實時趨勢、歷史趨勢：運行人員可通過菜單或按鈕進入實時趨勢畫面或歷史畫面，可選擇需要的工藝參數查看實時趨勢或歷史趨勢，可同時顯示多條實時趨勢，可對曲線進行放大或縮小，可任意選擇需要查看的時間段。

12. 參數設置：運行人員可通過菜單或按鈕進入參數設置畫面，對各種設定值進行修改，以適應當前的運行條件，保證出水水質。為了保證運行安全，具有權限的工程師才能對各種工藝參數設定值進行設定和修改。所有可以進行調整的參數均具備在線調整功能。

13. 事件記錄：系統發生的較大情況（如設備故障、越限報警、大型設備的啟停等情況）或操作人員對設備的操作、參數的調整。均通過事件功能記錄下這些情況和操作過程作為今后分析事故的基礎資料。事件記錄的內容包括各種事件信息、事件發生的時間等。

14. 報表處理：系統自動記錄各種工藝運行數據，將所有數據歸納匯總形成報表，報表可定時打印或召喚打印，運行人員也可通過菜單或按鈕進入報表畫面查看歷史報表。

4.1.2、部分上位機組態畫面

泵站顯示畫面；2、變配電站顯示畫面；3、加藥顯示畫面；4、參數集中顯示畫面；5、歷史報表畫面；6、歷史報警界面；7、開放標準數據庫；8、報警。

4.2 加藥加氯自動運行控制軟件

4.2.1聚合氯化鋁軟件

聚合氯化鋁藥液自動投加系統是通過原水濁度計算出千噸水耗藥率進而根據配水流量和配液濃度計算出投加到每組工藝池的藥量，最后通過PID調節控制計量泵的轉速達到藥量的準確投加。另外，為消除配液精度、水質變化、排泥變化、參數設置等的誤差，還需在藥液投加的過程中還加入了一定范圍內沉淀池出水坡度反饋的修正措施。當沉淀池出水濁度偏離設定點較高時，PID調節增加投藥量；反之，當沉淀池出水濁度偏離設定點較低時，PID調節減少投藥量。

4.2.2二氧化氯發生器軟件

二氧化氯發生器采用液晶屏觸摸程控-人機界面對話，以西門子S7-200型PLC為控制核心，實現對相關開關量和模擬量的采集以及相關設備的控制。以高品質液晶觸摸屏為本地操作員界面，實現部分操作、系統診斷、參數顯示、設定與修改等功能。本系統隨機提供RS485接口，PPI/MPI通訊協議，可直接作為西門子S7-300/400系列PLC的從站使用；也可以選配Profibus模塊，實現Profibus-DP/MPI通訊連接。滿足實時在線監測實現系統計量泵加藥量的自動控制和相關的監控保護功能。

4.3其他硬件性能選擇

4.3.1、LDY-S一體型電磁流量計可與顯示、記錄儀表、積算器或調節器配套，用來對流量進行檢測、積算、調節和控制。

4.3.2、BSZ系列散射光智能濁度儀，其光源與接收器均不與水面直接接觸，最大限度地把水樣對光源與接收器的污染減少到接近于零。屬在線連續檢測儀器適用于原水、濾前水和濾池反沖洗廢水的監控。NSZ系列散射濁度儀，主要用于低濁度水的連續檢測，對濾后水進行監控從而保證出廠水的水質。

4.3.3、PH-10M在線分析儀，測試范圍：0.00～14.00pH，精度：1pH；分析度0.01 pH，液晶顯示:312,CD 顯示器，藍色背光操作。

4.3.4、BST6800-GP電容壓力變送器主要用于測量液體、氣體或蒸汽的壓力，然后將所測的壓力值轉變為電流信號或電壓信號輸出（通常是4-20mA)。也可與HART智能手持器相互通訊，通過它們進行設定、監控等。同時，BST6800的智能壓力變送器可以把信號輸出至DCS系統、PLC或者二次儀表，用于監測或者調節。

4.3.5、KX501系列導壓靜壓液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經過溫度補償和線性校正。轉換成4-20mADC標準電流信號輸出。

KX501系列導壓靜壓液位變送器的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用極為方便。

4.3.6、水溫變送器：二線制傳送，輸出恒流信號（4-20mA）。抗干擾能力強、遠傳性能好；帶現場顯示的溫度變送器既輸出4-20mA的電流信號，又能在測溫現場讀到實測溫度，經操作人員帶來很大方便；

4.3.7、二氧化氯在線檢測儀:輸出恒流信號（4-20mA）,RS485信號通訊，對PH值相對較不敏感，受流速影響較小。

4.3.8、西門子PLC系統

篇9

關鍵詞：可編程控制器現場總線污水處理廠

一、引言

水是人類生活和國民經濟發展的不可或缺的重要部分，隨著科技水平的飛速發展和人類生活水平的巨大提升，對于潔凈的優質的水源的需求也不斷急劇釋放。為建設可靠、穩定、先進、經濟以及可擴展的合理的水處理自動化系統成為工程界和城市水行業營運管理部門共同關心的問題。微電子、通信、計算機技術的發展大大提高了水處理控制系統的信息化和智能化程度，與3C技術相結合的PLC以其卓越的可靠性、抗干擾性以及靈活的控制方式成為水處理自動化系統的核心控制器，其與開放的網絡通信系統一起，共同推動著水處理自動化系統的智能化程度的發展。

水處理行業主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統通常分為水廠調度系統、加藥間（加氯間）PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個控制站相對獨立工作，通過有線網絡進行通訊，將所有的數據信息送到水廠調度室進行處理，或將一部分數據通過調度系統以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來說，要根據污水水源地狀況來確定污水處理的工藝流程，由于污水處理工藝的不同而自控系統應用PLC的要求也有所不同。一般講，整個污水處理廠都有總控室和多個現場控制站，站與站之間通過控制器層網絡或信息層網絡相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網絡連接，這樣和現場控制站構成了集中管理，分散控制，高速數據交換的工廠級自動化網絡[1].PLC自控系統是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而，PLC網絡又是其中的重中之重，網絡的好壞直接影響到污水廠的正常運行。

二、系統構成

污水處理廠自控系統一般包括污水廠部分和廠外泵站部分。監控系統通訊網絡和PLC是污水處理自動化系統的核心組成部分，它們的性能對污水處理自動化系統會起到決定性的作用[2].根據污水處理自動化本身的特點和監控需求選擇合適的PLC及通訊網絡是保證污水處理自動化系統性能的重要因素。

通信網絡：

在污水處理自動化系統的結構上，國內在管理體制上主要采用三級管理，即監控總中心、區域監控分中心和監控站。由于監控站不直接對污水處理廠的外場設備進行直接控制，因此工程界按照系統結構的劃分把監控系統劃分為信息層、控制層和設備層。

第一層為信息層，主要負責大量信息及不同廠家不同設備之間的信息傳輸，工業以太網Ethernet為目前較常用的一種信息網絡，世界各大PLC生產廠商均支持工業以太網，并且他們在原有TCP/IP的基礎上，相繼開發出實時性更高的工業以太網，如歐姆龍和羅克維爾支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西門子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水處理廠自動化系統中以太網主要用于各個控制分站與監控中心的數據傳輸，包括各種傳感器數據等大量歷史數據信息。

第二層為控制層，主要采用現場總線組成隧道區域控制器網絡，其特點是由于采用了標準總線組網，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，能在總線上方便的掛接各種外場設備，有利于監控系統的擴展。目前，現場總線有40多種，在污水處理廠自動化系統中應用的現場總線主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網絡結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質，具體組網將在后面作出實例說明。

第三層為設備層，這一層用于PLC與現場設備、遠程I/O端子及現場儀表之間的通訊，它們有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已經成為工業界的標準總線而得到了廣泛的應用，而Profibus/DP雖然沒有成為標準，但是它的應該也相當廣泛。

值得指出的是，近來年以太網的廣泛應用使得人們把目光投向了現場總線上來，工業以太網是否最終將取代現場總線仍然是一個爭論的話題。然而，不論是Ethernet/IP還是Modbus-TCP/IP，以太網在一些重要的性能指標上仍然無法具有現場總線的特點和優勢。從本質上來講，以太網的載波幀聽沖突監測CSMA/CD的訪問方式，實時性并沒有現場總線采用的令牌總線和令牌環的訪問方式高，不論人們采用何種方式，如協議封裝、分時訪問控制等，都只能改善以太網的實時性，起不到本質的改變。在當前技術還未完全成熟之前，現場總線應用于控制層，是一個積極和穩妥的選擇。隨著以太網技術的不斷發展，今后其取代現場總線而用于控制層也是很有可能的。

監控分中心及上位監控軟件：

監控分中心一般將設置多臺SCADA工作站（工控機）。分別用于水廠調度系統、加藥間（加氯間）、濾站、送水泵房等監控，完成污水廠內各種設備的狀態顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，監控分中心還將設置了多臺服務器，為其它計算機提供支援和與監控總中心進行通信。

PLC的選擇：

施奈德（Schneider）、西門子（Siemens）、歐姆龍（Omron）、羅克維爾（Rockwell）、通用電氣（GE）是全球五大PLC制造廠商和整體方案的提供者，他們的產品面向各自不同的領域，其中在污水處理自動化系統的應用方面，又以羅克維爾、歐姆龍和施奈德的應用最為廣泛。

污水處理自動控制系統對PLC的性能提出了更高的要求，作為污水處理自動控制系統的核心控制器，其必須具備以下幾大功能特點：首先本身必須穩定可靠，并具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力；其次，控制分站本地控制器可以獨立承擔控制分區的基本控制任務，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換數據信息；再次，當某控制站的控制量出現變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區域的控制對象，比如泵或者加藥系統等做出相應的調整。因此，它必須至少有如下功能模塊，數據采集存儲處理功能（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現數據交換）；通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）。

必須綜合考慮整個監控系統的性能要求和自然條件以及運營周期對設備的要求進行選擇，尤其在極端氣候和惡劣環境狀況條件下或較大規模的污水處理廠，需要選擇性能更好的雙機熱備冗余的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列；區別在于Omron的雙系統是在一個底板上實現，而Siemens等是兩個底板通過光纖連接，會在一定程度上占用控制柜的空間，但他們的配置都很靈活，可以任意實現雙CPU雙電源、雙CPU單電源、單CPU單電源多種冗余結構。

在一般的環境狀態的時候或較小規模的污水處理廠，多采用標準的機型作為現場控制器，如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等；他們都支持工業以太網和多種現場總線，控制方式采用遠程帶CPU的智能分布式結構，系統開放性和兼容性強，豐富的I/O及高功能模塊，完全滿足污水處理自動控制系統對信號處理的要求。

三、應用案例

下面以天津咸陽路污水處理廠為例[3]，具體說明污水處理廠自動控制系統的組成，控制系統拓撲圖如圖一所示：

信息層：咸陽路污水處理系統因其分布面積較大，廠區內共有5個PLC分站：預處理系統分控主站PLC1、生物處理系統分控主站PLC2、污泥處理系統分控主站PLC3、出水及雨水系統分控主站PLC4和污泥消化系統PLC5，使用的CPU均為OMRON的CS1H-CPU66H.該功能層實現污水處理廠各單元過程所有過程參數、設備運行狀態及電氣參數的數據采集，單元過程及設備的控制，并通過OMRON網絡模塊CS1W-ETN21，和中央控制室通過赫斯曼太網交換機，組成100M光纖以太環網，向監控層傳送數據和接受監控層控制指令。在中控室中，作為工業以太網結點的系統數據服務器、兩臺工程師/操作員站計算機、打印機、UPS電源及監視屏等設備，其主要職能是進行系統中的信息交換與信息顯示及控制。該層通過上位監控軟件實現對主要工藝設備的控制和調度，對污水處理全過程中的工藝參數進行數據采集、監控、優化和調整，對主要工藝流程進行動態模擬和趨勢分析、實時數據處理和實時控制，在控制組態上實現各種常規與復雜的優化控制、專家控制、模糊控制等先進的智能控制。同時，功能強大與穩定的實時和歷史數據庫亦通過以太網成為上下層間的信息通道。污水廠中控室控制站還通過RIAMBView和信息中心、便攜計算機及廠外泵站（咸陽路泵站、密云路泵站）等處進行遠程通訊，RIAMBView具備遠程數據服務（最適合SCADA）功能，通過寬帶接收或發送相關數據，實現遠端對部分實時畫面、進程數據庫的訪問。

此外廠長辦公室計算機和數據庫服務器組成的局域網即構成了廠區管理層。通過關系數據庫和相關的管理軟件，為決策者提供了各項生產及運營的調度管理所必須的信息平臺。該層和過程監控層，與Internet接軌但有著較高的網絡安全防護功能，僅授權的用戶等級可對進程數據庫進行訪問。

控制層：控制器網絡（ControllerLink）是建立在一種令牌總線或者令牌環網絡通訊協議上的通訊機制，它通過PLC上的CLK模塊與其它站PLC上的CLK模塊或計算機上的板卡相配合，在板卡之內建立一個數據交換區。該網可以采用雙絞線通訊電纜或者多模光纜通訊，線纜其最大通訊速率為2M，最大距離達1km，光纜通訊速率為2M，最大通訊距離為30KM.本系統中，預處理系統分控主站PLC1包括進水泵房、沉砂池，同時通過控制器網絡總線串接到其下三個初沉池、初沉污泥泵房分站（PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3）；生物處理系統分控主站PLC2包括：鼓風機房、加氯間，同時通過ControllerLink總線串接到其下五個二沉池、曝氣池、回流泵房分站（PLC2-1、PLC2-2、PLC2-3、PLC2-4、PLC2-5）。所有控制器網絡子站所用CPU型號均為CS1H-CPU44H.

污水處理流程中的各檢測儀表均為在線式智能儀表，變送器均帶有數字顯示裝置并通過可編程序控制器（PLC）的接口傳送標準的模擬、數字信號。

系統特點：

1、高可靠與高穩定性：環形冗余以太網方案的出現則保證了系統更高的可靠性，單一點的鏈路中斷不會造成網絡通訊的中斷；而控制器網絡作為OMRON專用的，能在CS系列PLC或上位工控機之間建立靈活方便的傳送和接收大量數據的工廠自動控制網絡，與自控系統在通訊方面有極高的穩定性。充分體現了集中管理分散控制的原則，也保證了高可靠與高穩定性。與此同時，omron基于工業以太網的FINS（FactoryInterfaceNetworkService）通訊服務（FINS通訊服務功能），即使在通訊負擔較大的環境下，仍可保持高穩定性的通訊效果。除網絡部分外，自控系統通過下列技術與工程措施，也確保了系統的長期穩定可靠運性：整個系統選用符合工業級標準的成熟定型產品；PLC模塊具有自診斷（檢錯）與容錯功能；PLC控制柜內具有完善的抗干擾及防雷等技術措施；中控室及現地控制站設備均具備供電冗余功能；即使在上位機發生故障或通信中斷時，現地控制站亦可以在手動模式下獨立完成基本局部控制；

2、高擴展性：工業以太網具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數場合不需要改變現有的布線，只需更新網絡設備即可。同樣，如果將本系統主干網從100Mbps以太網提升到千兆以太網，只需升級網絡傳輸設備，而無需重新鋪設光纜；

3、開放性：系統對用戶是開放的。設備的增減、控制方案的選取、系統的擴縮與維護等，用戶都可以在廣泛的設備環境下便利地自己完成。所有硬件接口，軟件協議全部按開放性的標準設計、編制。此外OMRON串行口的協議宏功能，使得開發方不需要編寫專門的通信程序與第三方設備進行通信，原則上OMRONPLC能和任何帶RS-232C，RS-422或RS-485接口的設備進行通信。

4、操作的實用性：組太軟件和編程軟件都是全中文界面，豐富的圖畫功能，使用戶清晰的了解污水處理廠各工段的運行情況，故障報警點的分支細節，使操作員僅通過鼠標便可各種指令或換畫面；用戶還可通過上位機的網絡訪問網絡內任一節點的數據，梯形監控工具亦可以監控工業以太網甚至控制器網絡內各站PLC梯形圖程序，而不需要現場操作，實現真正的無縫連接。

四、結束語

當時我國污水處理廠自動化系統的設計和實施正處于一個成長的時期，系統的需求、設計、結構以及系統的控制仍然存在不完善的地方，同時技術的發展也給污水處理自動化系統的改進創造了條件和基礎，也使建設合理的監控系統成為可能。

從系統的需求來看，一方面要兼顧系統的穩定、可靠與可控，也要反映系統的先進、經濟與可擴展，同時也要使操作便捷與維護方便；另一方面，針對不同的區域條件和功能要求確定系統的規模和冗余度的大小，確定系統的合理集成方式、系統網絡的構成與拓撲結構形式以力求系統的可靠性、穩定性、先進性與經濟性的有機結合；從系統的設計來看，除考慮系統的規模和設計方法外，也要考慮新技術的應用，使整個系統既先進又實用；從系統的結構來看，當前我國普遍采用三級污水處理廠管理和分布式現場總線控制方式，事實上，主從式結構的現場總線如Profibus，由于系統的可靠性受主控制器的制約，并不適用于全分布式現場總線控制，采用對等的自愈網絡是今后的一個發展趨勢；從系統的控制來看，當前我國污水處理廠監控存在著只監不控，或監強控弱的現象，各種控制信息沒有得到很好利用，對于污水處理廠控制，要針對不同現象，采用不同的控制方法。

今后我國的污水處理廠監控系統的發展是，在原有基礎上，按照監測與控制適當分離、最大限度的集中監測、靈活機動的現場控制的總體思想，逐步改進，使得污水處理廠自動化系統的建設更趨合理。

參考文獻：

[1]喬叢等，關于國內污水處理及CASS工藝自動控制技術的初步探討，儀器儀表標準化與計量，2007.3

篇10

關鍵詞：污水處理；提升；泵自動化；控制系統

中圖分類號：U664文獻標識碼： A

前言

自來水生產過程中，沉淀池排泥、濾池沖洗等工藝會產生大量污水。過去，通常對這些污水做直接排放處理。隨著環保要求的提高，以及水資源成本的不斷增加，越來越越多的水廠建立了污水處理系統，對生產過程產生的污水進行回收利用， 根據筆者的調研，我國目前超過半數的城鎮自來水廠的污水處理都依賴于觀察法，依靠工人手動調節，很難實現完全自動化處理。污水處理不能完全自動化，一方面降低了污水處理的效率，造成了水資源不能充分利用；另一方面也容易對自來水廠供水的水質造成影響。

一、、子站自動控制系統

污水泵站的工藝流程大致相同，均為：地下管網污水泵站格柵機濾渣污水集水井提升泵房經過多級泵站提升污水處理廠。主要控制對象設備有：進出水閘門、格柵機、除污機、提升泵等。泵站自動化控制系統要求集數據采集、智能控制于一身，主要功能包括以下幾個方面：

（1）、控制方式

有手動、自動兩種控制方式，由控制柜上轉換開關切換。手動方式由控制柜上按鈕手動操作；自動方式由PLC控制。自動方式又分強制自動和遙控自動兩種，也在控制柜上按鈕手動操作切換，或通過主站遠程控制切換，強制自動由本地子站PLC全權控制，用于通訊出故障時，獨立運行。遙控自動為主站自動或手動遙控。

（2）、主要控制功能

根據集水井水位的變化控制泵的開、停。不出現低水位抽空泵，也不發生溢流；泵的開、停順序：循環開停機，即先開先停，循環運行；分南北池的泵站，分池運行時，兩池液位應能獨立控制，合池運行時兩池輪流開機；根據粗格柵前后時間周期和液位差控制格柵機的啟停；根據需要實現閘門啟閉機的控制，實現無軸螺旋輸渣機與粗格柵的聯動，同時實現對輸渣機的工作狀態的測控；最多開機臺數控制：以免造成管道溢流或泵站自回流的現象，有的泵站需限制開機臺數。最多開機臺數在強制自動方式，由子站PLC控制，在遙控方式由主站主機控制；緊急關總閘控制：當機房發生火災或管道破裂大量漏水等緊急情況，為防止事故擴大，主站可通過遙控方式關斷泵站電源總閘。

二、污水處理自動控制管理系統的設計與實現

（1）、系統運行模式

基于以太網的遠程自動控制系統，目前主要有兩種系統模式，分別是B/S模式和C/S模式。

1、B/S模式

所謂B/S模式，就是瀏覽器/服務器模式，這種模式無需開發專用人機交互軟件，借助于瀏覽器實現人機交互，但是服務器負荷較大。

2、C/S模式

所謂C/S模式，就是客戶端/服務器模式，需要專門設計的人機交互軟件，開發工作量較大，但是大大減輕了服務器的負荷，系統的穩定性有所提高。

鑒于上述兩種系統模式各有優缺點，本自動化控制系統采用兩種模式的結合模式，即系統前端借助瀏覽器實現人機交互，以此減輕整個系統的開發工作量；同時系統后臺增加一臺服務器，用于程序的響應與控制，將數據集中在另一臺服務器上，這樣既可以減輕服務器的負荷，同時又提高了系統的健壯性，提高了系統運行的穩定性和可靠性。

（2）、系統架構設計

污水處理自動控制系統的架構，主要從以下三個層次進行架構設計。

1、傳感器檢測層

傳感器檢測主要布置在最低層，也就是直接利用傳感器檢測污水處理設備的工作狀態參數以及環境參數，利用液位、流量、位移、限位等傳感器采集到的數據對污水處理的相關數據進行計算，實現對污水處理工藝的自動化監測。

2、網絡傳輸層

傳感器將采集到的監測數據，利用環型以太網進行傳輸，傳輸給PLC控制器。環型以太網采用光纖結構布置，在提高網絡通信實時性的同時也能夠提高網絡系統性能的穩定性。

3、數據信息管理層

數據信息管理層主要是通過基于windows系統開發的可視化人機交互界面實現數據信息的顯示、存儲、分析和打印等需求；另一方面，當數據出現異常或者機電設備出現故障時，該控制中心也能夠發出報警，同時依靠專家系統給出故障診斷結論和建議。

（3）、系統軟件設計

系統的軟件設計，主要包含兩個方面。

1、PLC程序的設計

PLC的程序設計主要是利用梯形圖進行程序開發。由于選用的是西門子的S7-200系列的PLC，因此在程序設計上可以選用STEP7軟件進行梯形圖的繪制。

2、數據管理層的可視化程序設計

數據管理層是基于Windows實現的可視化界面，能夠實現良好的人機交互。控制軟件主要是利用組態軟件（如西門子WinCC）設計人機交互界面，利用計算機的聯網通信能力實現與PLC的聯網數據交換，從而將最底層的傳感器檢測數據在可視化界面上顯示出來，以實現良好的人機交互的目的。

三、污水提升泵站自動化控制系統控制流程

（1）、污水泵的自動控制

每個集水井中都安裝了液位計和流量計等監測設備，通過這些設備可以對集水井里的污水進行監測。提升泵可以依據液位計的監測數據按照預定的方案開啟泵的數量。本系統由三臺提升泵、PLC、變頻器及變頻器切換接觸器等相關電氣組成。具體如下：第一，PLC控制系統，用一臺變頻器根據污水液位計的設置要求，通過變頻器切換接觸器對三臺提升泵電機分別進行軟起動、運行或停止。并控制變頻器的頻率以調整水泵轉速，進行污水流量的控制；第二，從低位設置到高位設置閥值分別是：1、停止所有泵的設置點，在這個液位以下所有的泵都會立刻停止運行；2、低液位設置點，再這個液位以下就會出現報警，并停止一些泵的運行；3、啟動第二臺泵的設置點；4、隨后是啟動第三臺泵的液位設置；5、以及高液位使得設置點，當污水高出這個液位時，系統就會發出高液位的警報。第三，通過變頻器軟起動提升泵電機，延長了水泵的使用壽命，減少了對電網的沖擊。同時在PLC的控制下進行泵的自動輪換開啟調控，在泵運行一定長的實際后，就會根據系統的設置停止運行，從而開啟另外一臺泵，保護泵的壽命，保證泵站的安全運行。第四，故障信號的識別控制，PLC可以自動識別警報和故障，進而更加情況開啟或者停止泵的運行。第五，采用手動開啟泵時，PLC根據手動功能按鈕操作進行單泵或多泵的起動、運行和停止。

（2）、格柵的自動控制

格柵前后也安裝了超聲液位計，從而準確的識別柵格前后的位差；格柵機根據前后液位差或設定的運行時間與運行周期自動運行，時間和周期均可根據進水雜質情況調整。具體如下：第一，PLC控制系統，可以根據時間設定和液位差來進行柵格的開啟或者停運。第二，柵格根據時間模式的設置來運行，當一天柵格運行時間達到設定值，就會自動停止，并啟動這臺柵格的下一次工作周期。柵格停止時間達到預設時也是相同。第三，液位差大于預設時，PLC就啟動柵格，相反，就停止柵格。

（3）、出水電動閥門控制模式

PLC自動控制模式下，操作員站或就地操作下達開、關閥指令。

四、運行狀態和分析

污水處理廠污水提升泵站采用一只變頻器通過切換接觸器分驅動三臺提升泵電機，減少了自動化系統的成本，降底了運行功率。自動化控制以來，具備良好的運行狀況。為污水處理廠科學管理、決策、調度打下了堅實的基礎。不僅大大的提高生產力，減輕了值班人員的工作強度，還為管理人員提供了科學可靠的相關管理數據依據。

五、結語

總而言之，污水處理關系到國計民生，污水處理廠污水提升泵自動控制系統是污水處理中的重要部分，為了更科學、高效、穩定的管理及運行污水處理泵站，建設智能化的泵站系統，隨著污水處理廠自動化系統的不斷升級，不斷完善，污水提升泵站自動化系統也成為污水處理廠進行自動化升級的發展趨勢，污水提升泵站自動化控制系統的優勢越來越明顯，泵站自動化控制系統必將在未來的污水提升泵站控制領域得到廣泛應用。

參考文獻

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[2]應劭霖.基于PLC的污水處理自控系統研究[D].江西農業大學，2012.