(沈陽(yáng)市給排水勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110023)

0 引 言

水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。從一開(kāi)始僅有常規(guī)儀表檢測(cè)，到加藥、加氯的局部自動(dòng)控制，直到九十年代，隨著可編程序控制器的大量推廣使用，水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)才真正建立起來(lái)。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)、生活用水的要求不斷提高。以前水廠的人工、半自動(dòng)水廠控制系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生活和企業(yè)運(yùn)作的需要，因此現(xiàn)代化的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)先進(jìn)的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠的安防監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程控制、信息管理。水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)在水廠的生產(chǎn)管理中發(fā)揮了舉足輕重的作用?，F(xiàn)代化的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)建立了企業(yè)信息的管理，供水生產(chǎn)中各種資源共享，使供水生產(chǎn)統(tǒng)一調(diào)度管理，提高管理水平及生產(chǎn)效率[1]。

1 控制方式

采用兩種控制方式，即現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制方式。由現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定控制方式，當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作時(shí)，可以在控制箱上手動(dòng)控制電氣設(shè)備的開(kāi)、停。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇自控位置時(shí)，可實(shí)現(xiàn)水廠水處理工藝過(guò)程的自動(dòng)控制[2]。

2 自控系統(tǒng)主站配置

水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為安全可靠，設(shè)備選型先進(jìn)，建設(shè)一個(gè)具有現(xiàn)代化控制水平的水廠?？刂葡到y(tǒng)選用集散型控制系統(tǒng)，即分散控制、集中監(jiān)測(cè)管理的控制方式。

水廠中心控制室主站設(shè)在辦公樓內(nèi)，主站負(fù)責(zé)全廠生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)度、控制、管理及信息處理，采集水廠水處理工藝在線檢測(cè)儀表參數(shù)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及電氣參數(shù)，水廠主要運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)送至調(diào)度中心。

通過(guò)水廠中心控制室主站的動(dòng)態(tài)畫面顯示全廠生產(chǎn)過(guò)程、變配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，而且還能對(duì)設(shè)備報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行顯示以及信息處理[3]。

在水廠中心控制室設(shè)大屏幕顯示墻是由多個(gè)液晶顯示屏單元拼接而成的一種超大屏幕顯示屏體、影像、圖文顯示系統(tǒng)。可看作是一臺(tái)可以顯示來(lái)自計(jì)算機(jī)VGA信號(hào)、多種視頻信號(hào)的巨型顯示屏，向顯示屏傳送視頻或者計(jì)算機(jī)VGA信號(hào)，顯示屏便能顯示清晰、色彩艷麗、高亮度的復(fù)雜全彩多媒體圖形影像信息。大屏幕顯示屏的宣傳表達(dá)能力極強(qiáng)、高檔、氣派、豪華，在省、市、縣級(jí)水廠的控制系統(tǒng)中得到廣泛的使用。

水廠水處理工藝過(guò)程控制的自動(dòng)化，由可編程序控制器自動(dòng)控制泵的開(kāi)、停，以及閥門自動(dòng)開(kāi)、關(guān)的實(shí)現(xiàn)。

2.1 中心控制室配置

設(shè)有微型計(jì)算機(jī)(工控機(jī))3臺(tái)、2臺(tái)打印機(jī)(一臺(tái)為彩色噴墨式打印機(jī)，另一臺(tái)為激光打印機(jī))、1套顯示墻(液晶拼接墻系統(tǒng))、2臺(tái)UPS(不間斷電源)、1臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、3塊以太網(wǎng)通訊卡、3套鍵盤及鼠標(biāo)、2套報(bào)警音箱、3臺(tái)22寸液晶顯示器、1臺(tái)計(jì)算機(jī)操作臺(tái)。本工程在中控室設(shè)有大型顯示模擬盤，可以模擬顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)，閥門的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)以及水廠工藝檢測(cè)儀表的參數(shù)。水廠自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，網(wǎng)卡速度為100 Mbps，數(shù)據(jù)總線采用雙重化結(jié)構(gòu)，保證控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｏ到y(tǒng)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器由六芯鎧裝光纜傳輸信號(hào)[4]。

2.2 自控系統(tǒng)編程軟件

包括系統(tǒng)程序軟件和應(yīng)用程序軟件?？刂葡到y(tǒng)軟件應(yīng)建立在Windows平臺(tái)上，系統(tǒng)軟件具有開(kāi)放性，即不僅有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，而且還具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和控制功能，以保證控制系統(tǒng)與通訊管理系統(tǒng)的可靠連接，控制系統(tǒng)組態(tài)靈活，并能夠建立數(shù)據(jù)、查詢、報(bào)表等功能。

2.3 自控系統(tǒng)畫面顯示功能

主站具有豐富畫面顯示功能，在主站彩色液晶顯示器及大屏幕顯示墻上顯示水廠水處理工藝儀表參數(shù)(即儀表流程圖)，并能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各主要水處理過(guò)程和重要技術(shù)參數(shù)，在工控機(jī)上能夠分窗口動(dòng)態(tài)顯示生產(chǎn)過(guò)程畫面。如水泵、閥門的開(kāi)、停狀態(tài)顯示。并能夠?qū)崟r(shí)顯示液位、流量、濁度、PH、余氯、壓力等儀表參數(shù)變化趨勢(shì)圖和棒狀圖等[5]。

3 管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)配置采用西門子成熟技術(shù)，控制中心采用Wincc冗余服務(wù)器軟件進(jìn)行監(jiān)控；符合國(guó)際或國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、操作維護(hù)簡(jiǎn)便；系統(tǒng)平臺(tái)軟件選用穩(wěn)定安全的主流操作系統(tǒng)，便于系統(tǒng)使用和維護(hù)；管理軟件的編制均選用符合國(guó)際軟件業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用高速實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)覆蓋全廠的綜合布線系統(tǒng)，為全廠搭建了一個(gè)高速的信息交換平臺(tái)，使全廠的生產(chǎn)過(guò)程信息、管理信息、物流信息、資金流信息以及外部交流信息能夠快速到達(dá)全廠各個(gè)信息點(diǎn)終端。防火墻為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外信息交換提供了安全保障。

管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由辦公計(jì)算機(jī)、視頻服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻、路由器等設(shè)備構(gòu)成。系統(tǒng)主要包括：生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)輔助決策子系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度管理指揮子系統(tǒng)、設(shè)備管理子系統(tǒng)、綜合辦公管理子系統(tǒng)等[6]。

4 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以安全、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)、可靠、實(shí)用為原則，選擇具有行業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平的軟硬件產(chǎn)品。使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有一定的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性；在配置上具有完整性、適應(yīng)性。根據(jù)水廠生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理、工藝流程、構(gòu)筑物位置分布相對(duì)集中的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用目前國(guó)內(nèi)外水行業(yè)中通行的基于可編程序控制器S7-300系列(PLC)的集散型控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成：中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制站、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元。

集散系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和易于擴(kuò)展；采用西門子PLC控制器能完成現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)采集、設(shè)備控制；觸摸式操作終端提供了良好的圖形顯示、友好的人機(jī)操作界面；同時(shí)PLC的極強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)能力使各站點(diǎn)之間能方便可靠地傳遞控制參數(shù)和狀態(tài)信息，模塊化設(shè)計(jì)使之可以靈活配置和適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

工業(yè)控制網(wǎng)采用冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、以光纖作為傳輸介質(zhì)，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制單元與現(xiàn)場(chǎng)分控站之間采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊。現(xiàn)場(chǎng)分控站與主控站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)控制設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)控制站、設(shè)備控制單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其上級(jí)、下級(jí)或同級(jí)的其它控制站控制單元的正常運(yùn)行。操作人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作終端對(duì)該控制站監(jiān)控范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行就地集中控制，或在中控室授權(quán)后就地更改設(shè)定本站的工藝控制參數(shù)。

5 自控系統(tǒng)分控站配置

5.1 凈水車間分控站

凈水車間共10組濾池，設(shè)1面開(kāi)謎利思控制柜和1面終端控制柜，開(kāi)謎利思控制柜內(nèi)設(shè)OP屏及配電控制元件，OP屏自帶CPU，可獨(dú)立就地操作，也可通過(guò)控制總線與自控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制。凈水車間分控站輸入的數(shù)字量約為402個(gè)，輸出的數(shù)字量約為269個(gè)，輸入的模擬量約為4個(gè)，所以凈水車間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊26塊、數(shù)字量輸出模塊17塊、模擬量輸入模塊1塊、存儲(chǔ)卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺(tái)、CPU(中央處理單元)1臺(tái)、電源模塊1臺(tái)、中央機(jī)架1個(gè)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)、以太網(wǎng)通訊模塊1臺(tái)、人機(jī)界面觸摸屏1臺(tái)。本站主要控制凈水車間濾池自動(dòng)過(guò)濾、自動(dòng)反沖洗。

5.2 二級(jí)泵站分控站

由于二級(jí)泵站輸入的數(shù)字量約為42個(gè)，輸出的數(shù)字量約為26個(gè)，輸入的模擬量約為14個(gè)，輸出的模擬量約為4個(gè)，所以二級(jí)泵站分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊3塊、數(shù)字量輸出模塊2塊、模擬量輸入模塊2塊、模擬量輸出模塊1塊、總線通信模塊6塊、存儲(chǔ)卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺(tái)、CPU(中央處理單元)1臺(tái)、電源模塊1臺(tái)、中央機(jī)架1個(gè)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)、以太網(wǎng)通訊模塊1臺(tái)、人機(jī)界面觸摸屏1臺(tái)。本站主要控制與收集二級(jí)泵站的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。

5.3 加氯間分控站

由于加氯間輸入的數(shù)字量約為28個(gè)，輸出的數(shù)字量約為6個(gè)，輸入的模擬量約為8個(gè)，輸出的模擬量約為2個(gè)，所以加氯間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊2塊、數(shù)字量輸出模塊1塊、模擬量輸入模塊2塊、模擬量輸出模塊1塊、UPS(不間斷電源)1臺(tái)、CPU(中央處理單元)1臺(tái)、中央機(jī)架1個(gè)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)、以太網(wǎng)通訊模塊1臺(tái)、人機(jī)界面觸摸屏1臺(tái)。本站主要控制與收集加氯間的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。

5.4 脫水車間分控站

由于脫水車間輸入的數(shù)字量約為34個(gè)，輸出的數(shù)字量約為13個(gè)，輸入的模擬量約為18個(gè)，所以脫水車間分控站配置：設(shè)數(shù)字量輸入模塊3塊、數(shù)字量輸出模塊1塊、模擬量輸入模塊3塊、存儲(chǔ)卡1塊、UPS(不間斷電源)1臺(tái)、CPU(中央處理單元)1臺(tái)、電源模塊1臺(tái)、中央機(jī)架1個(gè)、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)、以太網(wǎng)通訊模塊1臺(tái)、人機(jī)界面觸摸屏1臺(tái)。本站主要控制與收集脫水車間的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。

6 廠區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的高墻和人員巡視措施已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足目前要害場(chǎng)所安全防范及生產(chǎn)管理監(jiān)控的要求，因此建立廠區(qū)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是大、中城市重要水廠必不可少的管理措施之一。本工程采用周界防范與視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式，在中心控制室設(shè)視頻監(jiān)視終端，可以監(jiān)視廠區(qū)、廠區(qū)圍墻及廠區(qū)大門的安全狀態(tài)。在廠區(qū)圍墻及大門安裝電子圍欄和紅外對(duì)射，在廠區(qū)安裝紅外攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)廠區(qū)無(wú)死角視頻監(jiān)控和視頻報(bào)警功能。

7 結(jié)束語(yǔ)

水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、提高經(jīng)濟(jì)效益、降低電耗、提高安全生產(chǎn)、降低藥耗、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以生產(chǎn)過(guò)程的信息傳遞、集成、采集為主，與企業(yè)的生產(chǎn)工藝調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)控、自動(dòng)投加藥等技術(shù)緊密結(jié)合的生產(chǎn)自控系統(tǒng)。在水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循信息共享化、網(wǎng)絡(luò)化、合理化、滿足工藝要求來(lái)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

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