水厂自动化

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1、水厂自动化控制水厂自动化的发展现状我国水厂自动化在20世纪80年代得到了较大规模的发展，特别是随着外资的引入，大 量国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，建成了一批全引进的水厂，使我国水厂自动 化进程大大加快，自动化水平也快速提高。近年来，在我国一些发达地区，建成了少量测控 管一体化的现代化水厂，对推动水厂实现综合自动化功能起到了积极的促进作用。但由于历 史和现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市的水厂 特别是发达地区的大型水厂，自动化程度很高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小 型水厂，自动化程度较低，甚至还是空白。而且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然

2、其自 动化系统和设备与其他行业如化工、电力等相比并不差甚至更先进，但是，其功能并未充分 发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动， 甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。系统设计遵循先进性、实用性、可靠性、经济性、开放性的原则,满足供水工程生产管 理和水处理工艺对自动化控制的要求。实现“集中监控和管理、分散控制、数据共享”以 保证整个水厂的运行协调、一致。水厂全集成综合自动化系统包括:管理计算机系统、生产 过程自动化系统、仪表系统、安防及闭路监控系统。实现水厂生产过程的自动化，人力资源、 设备仪表、采购库存等生产要素的信息化，以及厂内生产调

3、度、行政办公、后勤管理、生产 环境监视的网络化和可视化，适应目前我国政府部门和经济部门正在推行的电子政务和电子 商务的需求,将水厂建设成一座具有高度自动化和信息化水平，管理方便的现代化供水企业。 管理计算机系统主要由办公计算机、视频服务器、数据服务器、WEB服务器、网络交换机、 防火墙、路由器等设备构成。系统主要包括:生产经营辅助决策子系统、生产调度管理指挥 子系统、设备管理子系统、综合办公管理子系统等。生产过程自动化系统由三层网络构成:中央监控系统、现场设备控制站、现场设备控制单元。 现代自来水厂自动化控制系统主要有水质检测技术、水处理控制技术、变频节能技术与综合 自动化系统四个方面。自动化

4、介入自来水行业是近年来水厂发展最显著的特点。伴随水厂自动化技术、系统控 制设备和机电仪表设备的发展，滤池自动化、投加自动化、泵站自动化、水质检测自动化技 术逐步成熟，电脑应用日益普及，这标志着自动化水厂在国内尤其是大中型城市已具备较好 的技术环境，已发展成为一项成熟的技术。事实上，90年代是国内水厂自动化产生实质性 效益的时期。水是人民生活和国民经济建设不可缺少的自然资源。随着工农业生产的发展和人口的增 加，对水的需求愈来愈多，同时对水环境的污染也愈来愈多，我国饮用水水源的污染现状已 十分严峻，特别是微量有机物的污染。水厂自动化的目的水厂实现自动化的根本目的是提高生产的可靠性和安全性，实现优质

5、、低耗和高效供水， 获得良好的经济效益和社会效益。变频恒压供水系统随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其 环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防 供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节 系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理 的节能型供水系统。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，无 论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无 法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频

6、恒压供水系统正向着高可靠性、全数字 化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设 备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求。泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率； 降低能耗，对国民经济有重大意义。目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负 载中占了相当大的比例。我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后， 工业自动化程度低。节能原理如图2.3所示，设用

7、户所需流量QX为额定流量的60%(即Qx=60%Qn)o当通过关小阀门来实 现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点移至E 点，这时，流量减小为Qe(=Qx);扬程增加为He;供水功率PC与面积ODEJ成正比。图 2.3 调节流量的方法与比较当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线，故工作点移向C点。这时流量 减小为Qe (=Qx)，扬程减小为He,供水功率PC与面积0DCK成正比。比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx 采集控制层：由车间控制中心和车间内的分控柜组成，负责在线水质参数的采集传 输、现场设备的自动控制，并上报到

8、水厂监控中心。 监控层：由服务器、数据库、工程师站、操作员站、以太网交换机等组成。接收各 个车间控制中心设备运行状态、告警信息，实时显示水厂工艺流程状态，对设备可 进行远程控制，同时建立水质特征污染物数据库，对原水处的实时光谱进行运算， 实现水质预警。在水厂自动化建设中，我们将遵循先进性、实用性、可靠性、经济性、开放性的原则， 满足供水工程生产管理和水处理工艺对自动化控制的要求。实现水厂生产过程的自动化，以 及厂内生产调度、行政办公、后勤管理、生产环境监视的网络化和可视化，以适应目前我国 政府部门和经济部门正在推行的电子政务和电子商务的需求，将水厂建设成一座具有高度自 动化和信息化水平，管理方

9、便的现代化供水企业。2. 变频恒压供水长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水、消防供水等方面技术一直比 较落后，自动化程度较低。传统的供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水 箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速供水等方式。分析研究发现，传统的供水方式普 遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重 影响了居民的用水和工业系统中的用水以及消防用水安全。随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其 环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防 供水中。变频恒压供水系统控

10、制流程图如下：图 2 变频恒压供水系统控制流程图变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统 的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节 能型供水系统。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是 设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比 拟的优势。变频恒压供水系统的另一大优势就是节能。下面我们以水泵的扬程特性通过调节流量方 法方式做一对比分析。如图3所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即Qx=60%Qn)。当通过关小阀门来 实现时，管阻特性将改变为曲线，

11、而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点移至E 点，这时，流量减小为Qe(=Qx);扬程增加为He;供水功率PC与面积ODEJ成正比。图 3 调节流量的方法与比较当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线，故工作点移向C点。这时 流量减小为Qe(=Qx)，扬程减小为He，供水功率PC与面积0DCK成正比。比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qxl 1Li nitcraoxc赫會況就i 陽上忆*h冲池谟毎恋一创鐸电桂斟 i F F F 一r -Jr r丽治K52 JJ，-夬q令ituus 習I S&DB1ASJJltsmtilcFK上竝联R57J?-*二郎平达

12、淇雄丸檸熄车掘割临均1 , - -CJWHCtrf$aj；上住扛rL-S-S (& |1C00ftSJja一1阳昨151 S3-!TF*13ft I由于自来水生产工艺主要具有以下特点:（1）各生产工艺段相对独立，单体设备多。（2）采集的数据量大，整个系统共有数字量输入、输出超过3000路，模拟量输入、 输出超过1000路，且工艺参数种类多，包括压力、流量、温度、差压、液位、电流、电压、 功率等，但上下游相关联的生产参数少。（3）自来水生产具有连续性、不可替代性和不间断性。（4）各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。根据以上特点，本系统选用Omron 的中小型PLC对各工艺段生产设备分散控制，

13、利用OMRON Protocol和Controller Link组 成网络，在各工艺段控制室和中控室设置上位机,构建人机界面讲行生产管理和对生产数据 进行后续处理。全厂控制网络如图二示。在取水及送水工艺段上，主要设备由多台大型的离心水泵和10KV高压直配电机组成， 每一电机由相应的高压配电柜控制，因此为每一面高压配电柜选用一台Sepam2000（施耐德 生产，专用于配电柜控制的小型PLC）进行数据采集和控制，每一泵阀在现场选用一台OMRON CPM2A用于数据采集和控制，通过RS422接口连成网络，由控制室的OMRON C200HG中型PLC 利用OMRON Protocol协议与它们通讯，对

14、其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量 的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开其维修而不影响其它设备的正常 生产。对于沉淀池排泥车的控制，由于排泥车在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控 制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1： N通讯，电台型号为 MDS-SCADA-24810,为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G2.4835GHz,支持标准 的异步通讯协议，工作稳定可靠,协议同样采用OMRON Protocol,软件用OMRON-CX-Protocol 编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以

15、较好地解决因控制设备 故障造成全部滤池停产而影响安全供水的问题。整个Controller Link网络由中继器分成两 段，主要是为了满足Con trollerLink对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。系 统中生产工艺所要求的全部参数都由PLC采集和控制，上位机只是人机界面和对生产数据进行后续处理，大大地提高了系统的可靠性。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产 设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，提高了可 靠性，是一种经济可行的方案。四、相关中小型PLC介绍1、OMRON C200HG其具有速度快、功能强、编程方便和运行可靠的特点，最大I/O

16、点 数达1184点，程序容量15.2K,指令执行时间为0.15p S0.6|j S,可支持各种通讯单元。2、OMRON CQM1H适用于分散控制的紧凑型PLC，I/O点数为512点，程序容量为7.2K, 支持各种内装板和Controller Link单元。3、OMRON CPM2A是为满足1060点I/O的系统控制操作而设计，能满足单体设备高效 控制要求，有效地代替继电器控制器和传感器控制器。4、Con trollerLink是OMRON提供的一种工厂自动化网络。它可以在合适的PLC和各 种微型计算机之间方便地、灵活地发送和接收大容量数据包，支持能共享数据的数据链接和 在需要时发送和接收数据的

17、信息服务，网络采用屏蔽双绞线电缆或光纤连接，最大传输距离 随波特率而变，在采用两层中继器的情况下，波特率在500kbit/s时，传输距离可达3Km， 最大支持62个节点。Controller Link网络是一种使用令牌总线通信的网络，这种总线型 拓扑结构具有最大的灵活性，易于扩充和维护，满足系统可扩展性的需求。由于采用了分布 式控制技术，可确保ControllerLink网络不会因某个站点故障而崩溃，提高了系统的稳定 性。5、OMRON Pro to col利用OMRON的通讯板，与连接在RS232或RS422/485的各种通用 组件(如各种牌子型号的PLC、现场仪表等)进行数据发送、接收的程

18、序，通过通讯协议支 持软件(OMRON-CX-Protocol)让用户自由编制，以PMCR指令就能够实行的原始通讯协议。五、程序结构本系统全部设备的控制都由PLC来完成，程序利用OMRON-CX-Programmer软件编制， 在上位机上通过Con trollerLink网络或串行口传送至PLC的CPU单元。在各工艺段及单体 设备其控制程序亦相对独立，部分相同的工艺采用子程序模式。对于部分要求较高精度的工 艺参数的控制，则利用PLC的PID指令进行闭环控制，已能满足生产要求。因此程序结构比 较简单，调试和维修方便。下面用水泵的开停和滤池的自动操作两个工序作说明。1、水泵的开停控制流程水泵的启动

19、和停止由操作人员在上位机发送指令，由PLC 一 步化完成操作。程序结构图如图三示。停泵监校乖痊2込L.世以泵电枷E、査泵出口液垃阀2.水泵定牯蕩肯零, O-Hfrl-水亜佯止迫回PL1监舱主程字2、滤池自动控制流程 过滤由多格滤池共同完成，对于每一格滤池，其工艺过程基本 相同，包括正常过滤和反冲洗状态，因此采用子程序的控制模式，程序结构图如图四示。秤呼缈:对t丽ti丁：丽亍i克:+:申円-徘卜田爲757产心”聲-主fl 丄上耳搁亦熨方ci；”冰淨込|T六、结束语本项目是由工业计算机和中小型PLC组成的集散型控制系统，利用了 PLC抗干扰能力 强、组网方便、适用于工业现场的持点，在上位机能实现对全厂生产设备的控制和工艺参数 的设置、调整与监测，满足大型自来水厂自动控制的要求。整个方案安全可靠、经济实用, 易于编程、操作及维修，在广东南海第二水厂得到良好的应用。(