水厂自动化范文

导语：如何才能写好一篇水厂自动化，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：PLC控制；水厂；自动化

引言

PLC，即可编程逻辑控制技术（Programmable Logic Controller），起源于上个世纪60年代末，是继继电器之后的主要机械设备控制技术，具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数、运算等多项功能，用数字化技术代替原有的机械设备控制方法，可以极大地提高控制信息输入、输出速度，提高机械设备的运行稳定性和工作效率，广泛应用于工业生产机械设备运行控制领域。自来水企业作为大型生产服务企业，机械设备使用规模很大，在自来水企业生产中使用PLC控制技术，是保障自来水正常、稳定、安全生产、供应的重要技术措施，也是自来水厂提高现代化水平，打造企业竞争力，实现可持续发展的必由之路。加强对PLC技术的深入研究，对于实现自来水企业自动化生产运行，具有极为深远的积极意义。

1 水厂自动化控制系统分析

自来水厂是重要的基础设施，是工业生产、居民生活的重要保障，是现代城市正常运行中不可或缺的组成部分。自来水厂的自动控制系统主要包括配电系统、出水泵房、沉淀池以及滤池等单元。这些单元通过控制室的计算机系统统一调度、管理，相关设备运行信息从一线传递到控制室，控制室以此做出指示并将指令发送给一线，有现场设备予以执行。下面，就对自来水厂的的自动化控制系统各项功能进行简要介绍。

1.1 自动化系统具有显示功能

自来水厂自动化系统可以将系统内主要机械设备的运行状态以指标形式显示出来，同时对生产过程中的主要工艺参数进行显示，以此使得技术人员对生产过程有着较为全面的了解和掌握，从而进行针对性的调整和操控。

1.2 自动化系统具有报警功能

针对生产过程中可能出现的异常情况，系统设置了相应的报警功能，一旦设备状况出现问题，偏离允许范围，报警系统会立即发出警报，提升相关部门人员处理，并显示出具体的报警信息和画面，存储在数据库中可以打印查看。

1.3 自动化系统可以实现一定程度的自我控制和操作

在实际工作中，中央控制室可以对生产流程中的机械设备，根据生产需求进行必要的调整和控制，并对PLC系统相关参数以及分控站的程序进行重新设定。

1.4 自动化系统具有可以对数据库进行有效管理

为了充分发挥PLC的优势，实现自动化控制目的，自来水厂自动化控制系统建立了生产数据库和事故数据库，分别对应生产过程中和事故处理过程中需要的相关数据的记录、存储、整理、分析以及使用。当工作需要时，系统会对指定的数据库进行管理，提存数据使用并做好相关数据，以实现数据库的动态积累。

1.5 自动化系统具有输出和打印报表功能

针对生产过程中的各项信息、数据，系统可以对其进行分析、整理，并以报表的形式输出打印出来，为管理者决策提供数据依据。

1.6 自动化系统具有通讯功能

总调度室和中控室之间具有专线联系，可以进行实时通信，以保证数据和信息的有效传递与沟通。

1.7 自动化系统建有WEB服务器

这一功能主要是为实现生产信息共享提供服务的。

2 自来水厂水处理流程

自来水厂生产中使用的自动化控制系统是为企业生产而服务的，所以受企业生产工艺流程影响很大，不同的工艺路线、处理方法、机械设备等都会使得自动化系统呈现出不同的特点。但万变不离其宗，我国自来水厂所采用的水处理流程大体上还是相同的，一般包括取水、制药、加药、混凝、沉淀、过滤、消毒和送水等环节。

水厂的水主要来自于湖泊、河流、地表水和地下水等。这些水源通过输送管道进入水厂时会带入大量杂质，必须经过必要的处理才能满足人们生产、生活使用要求。在水的处理过程中，第一道工序就是除去水中的大量杂质和有害物质，水中存在的悬浮物、胶体以及细菌等危害人类健康的有害成分都是需要清除、净化的对象。水厂取得水源后按照实际的生产需要采用合理的生产工艺，根据工艺参数等条件科学进行混凝剂的配制。在向水中加入混凝剂的同时还要通入氯气，利用氯气的消毒杀菌作用对水中的微生物、细菌进行处理。在药剂的作用下，水中杂质形成颗粒状的凝体，这个过程称之为混凝。在这一过程中，三氯化铝、硫酸铝等水处理药剂被大量使用。之所以使用含铝药剂，主要是因为铝具有很强的吸附能力，可以促进水中的杂质和悬浮物的聚集。实际使用过程中，水处理药剂溶解在水中后，析出大量铝粒子，在其作用下，许多常态下难以沉淀的杂质颗粒等形成絮粒状，并在重力的作用下向下沉淀，在将这部分沉淀与水主体分离，从而达到除杂的目的。水厂中主要使用沉淀池进行这一过程。水加入药剂后先导入沉淀池，进行沉淀，达到处理效果后再导入下一工序。随着生产时限的增长，沉淀池中沉淀的污物越来越多，必须使用石英砂等具有孔隙的颗粒物将它们排除过滤，并利用滤料层的粘附性拦截水中的悬浮颗粒。这一过程中，水中的细小杂质、细菌、有机物等都得到了较好的净化处理。但由于石英砂吸附的杂质不能自动消除，必须定期清洗，才能保证过滤层的工作效率和质量。在此之后，水还要进行必要的消毒处理，以清除水中残余的细菌病毒等，保证用水安全。最后处理好的水导入清水池汇中，向用户供应。

3 PLC控制在自来水水厂自动化控制的应用

3.1 使用PLC可以实现开关量的逻辑控制

逻辑控制是PLC技术的最基本功能。水厂的生产过程中存在大量的开关量，通过PLC对这些开关量进行有效的逻辑控制。在PLC问世之前，继电器是实现这一功能的常用技术，PLC出现后，可以更加简洁、高效、迅速的的实现逻辑控制、顺序控制以及单个设备的控制等多种功能。此外，在多个水厂生产流水线中，加矾、加氯等操作也可由PLC进行自动化控制。

3.2 PLC可以进行模拟量控制

在水厂生产过程中，温度、流量、压力、液位等是重要的生产参数，必须对其进行实时监测和控制。而这些参数控制的实现主要依赖于PLC的编程控制。PLC控制系统配置有配套的转换模块，模拟量可在编程控制器的作用下进行控制。

4 结束语

凭借着强大的技术优势，PLC在水厂自动化控制领域获得了广泛应用。随着生产规模的扩大，水厂自动化水平会越来越高，PLC的应用领域也会更加宽广，发挥的作用也会不断加大。各水厂要高度认识到PLC的重要作用，深入研究，不断探索，将PLC的作用发挥到最大，为经济发展和人们生活用水安全提供坚实的技术保障。

参考文献

[1]刘玉芹，刘敬文.PLC在长治污水处理厂中的应用[J].中国仪器仪表，2005（9）.

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1．水厂自动化的目的

对水厂实施自动化的根本目的认识不够全面或出现偏向，是造成一些水厂自动化系统未能充分发挥作用的一个原因。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、低耗和高效供水，获得良好的经济效益和社会效益。但是，有的水厂实现自动化是为了赶时髦，将其作为一种点缀；有的水厂是迫于形势，在大批水厂纷纷实现自动化的情况下，自己也不能不上；有的水厂使用的自动化功能过于复杂，特别是在考察自动化水平较高的水厂后，更是盲目地提高标准。这些不正确想法的存在，使水厂实现自动化的根本目的发生了偏向，造成了自动化设计不切合水厂实际，不注重生产过程特别是关键工艺环节的自动化，并忽略了在运行和管理模式方面的相应改革，从而导致自动化未能充分发挥作用，甚至建成后处于闲置状态。

2．水厂自动化的设计

2.1未解决的相关理论问题

在水厂自动化中，工艺理论对自动化提出的控制要求本身存在未解决的理论问题或理论不够完善，使控制未能达到规范化和最优化，系统运行达不到理想的控制状态，从而影响了自动化的实际运行效果。

（1）絮凝理论不够完善。加药系统是一个大延时、强耦合、干扰因素多的非线性系统，目前广泛采用的控制方法为：用原水流量按比例前馈调节计量泵的频率，用流动电流仪（SCD）反馈调节计量泵的冲程，从而构成加药复合控制系统。在有的系统中，虽然采用了智能技术如专家系统、自学习模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解决加药量优化控制的问题。

(2)加氯系统理论问题。在加氯系统中，传统的控制方法为：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反馈控制。由于影响加氯效果的因素很多，如水质、天气、水厂的具体工艺特点等。在有的系统中，虽然采用了一些其他控制方法，如采用双因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多参数非线性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解决加氯系统存在的问题。

(3)其他理论问题。如变频供水泵和定速供水泵的台数比例确定、变频供水泵的自动调节方法以及供水泵的科学调度等问题，理论上还未完全解决，管理上还有待进一步研究。

2.2技术规范和设计标准问题

到目前为止，我国在供水行业自动化控制方面，除《城市供水行业2000年技术进步发展规划》等少量规划性技术文件之外，尚无制定供水行业自动化控制方面的技术规范和设计标准，致使水厂在实施自动化过程中，技术上缺乏统一的规范性，设计上存在一定的盲目性和随意性，不同类型的水厂自动化分别应该达到的主要功能和主要技术指标不明确，影响了自动化系统配置的科学性和合理性。

2.3专著和文章问题

我国供水行业的自动化起步较晚，总体发展水平也不高，致使在供水自动化方面发表的文章数量有限，总体质量也不太高，出版的专著更少，既不利于在实施自动化时提供必要的理论指导和技术参考，也不利于行业内的技术交流和经验交流，影响了自动化知识普及和提高的速度。

2.4设计中存在的一些具体问题

水厂的生产过程是一个较为复杂的连续过程，对于其自动化系统的设计要求较高，涉及众多技术和设备，设计本身具有一定的难度，故在有些水厂自动化设计中存在的问题较多，影响了自动化功能的发挥，甚至影响了系统的正常运行。

（1）缺乏统一的发展规划。在有些水厂自动化设计中，对控制系统的持久性和未来发展规划一致性考虑不够全面，导致控制系统开放性和扩展性不够，造成系统很快落后于生产发展的需要。

（2）功能设置过于复杂。在有些水厂自动化设计中，由于片面追求高标准，致使功能设置过于复杂，而忽略了水厂的实际工艺情况和管理水平，使系统的故障率增高，而维护管理又跟不上，导致关键工艺的自动控制得不到保证。

（3）功能设置过于简单。在有些水厂自动化设计中，工艺过程的功能设置过于简单，达不到控制要求，特别是关键工艺的控制要求，造成虽有自动化系统，但关键工艺(如投药等)仍由手动完成的现象，失去了实现自动化的实际意义。

（4）设置过多的手动功能。有些设计为了在自动化系统故障时不影响生产，而设置了过多的手动操作功能，从设计上就将自动化系统置于可有可无的地位，既造成了设备的重复投资，也使生产人员产生了不正确的依赖心理，加上运行管理改革力度不够，出现了自控设备搁置不用而仍由人工手动操作的现象。

（5）设计人员水平不够。水厂的自动化设计涉及众多技术和设备，要求设计人员既要掌握先进的控制技术，又要熟悉生产工艺过程，同时对设备也要有相当的了解。

3．水厂自控设备存在的问题

设备方面存在的问题也是影响水厂自动化系统正常运行的一个主要因素，具体表现在如下几个方面：

（1）质量问题。

（2）配套问题。

（3）备品备件问题。

（4）检修和改造问题。

4．管理方面存在的问题

水厂自动化系统建立后，管理水平滞后是影响自动化功能正常发挥的一个重要因素。由于管理人员受自身素质和传统观念的束缚，未能在管理方面进行及时的调整和改革，导致管理水平落后，无法适应水厂自动化的发展需要。如何提高管理水平和管理人员素质是自动化水厂目前面临的一个重要课题。

（1）不注重设计、安装、调试过程的人员参与。很多水厂在建设自动化系统时，由于受人员和素质的限制，常采用交钥匙工程的方式，这样在建设时轻松省事，但后患无穷，由于没有自己的技术力量参与设计、安装、调试过程，导致投产后出现很多问题，影响了系统的实际运行效果。

（2）对自动化系统和设备不够熟悉。由于值班人员缺乏必要的技术知识，对自动化系统和设备不够熟悉或掌握不够，导致设备得不到正常的保养、调校和检修，造成仪表精度降低或设备故障；导致软件得不到必要维护和调整，造成因一些小软件故障得不到及时处理而影响系统正常运行；有的甚至出现误操作或引起人为故障。

（3）缺乏完善的自动化管理规程。水厂实现自动化后，其运行管理和维护管理已和传统水厂不一样，但不少水厂在这方面的改革力度不够，缺乏满足自动化生产需要的管理规程，如岗位职责、运行管理制度、操作规程和设备维护保养及检修规程等，致使运行管理满足不了生产需要，维护管理达不到要求。

（4）缺乏专业的、稳定的维护队伍。自动化系统和设备虽然具有较高的可靠性，但也会出现故障，需要维护人员尽快排除。同时，设计情况与实际运行情况不一定完全一致，即使与投入运行时一致，过一段时间后也会有所变化，另外经过一段时间的实际运行后，一般都需要对系统中存在的某些缺陷进行改进，以使系统更加优化，这就要求维护人员对自动化系统和设备进行必要维护和调整，特别是当生产工艺变化后，需要对控制系统进行相应修改和开发。但是，由于缺乏专业的、稳定的维护队伍，使一些小的软硬件故障得不到及时的修复和处理，渐渐由小问题变成大问题，甚至导致自动化系统瘫痪。

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关键词：水厂自动化系统防雷瞬间过电压

随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用，目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬间过电压的承受能力大幅降低，成为水厂受雷电损害的主要设备。所以对自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的，明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。

一、瞬间过电压的产生

瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。

1、一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：①直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEEC62.41)，而线对线无法控制。②以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上，最终损害设备。

2、当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。

二、瞬间过电压对电子设备的危害

瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。

通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能性不大，其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)。按国外资料统计雷电波侵入(感应)占计算机类设备雷击事故原因的85%，按成都市自来水总公司资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因的100％。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、I／O模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。

根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为一体且分散面广的特点，我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等四方面着手。

1、自控配电系统的防雷

当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部份。

水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置，但自控设备的电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些措施的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有些有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，如《图一》，从而加在自控设备上的残压高，至少高于避雷装置的启动电压，一般为峰峰值2-2.5倍(单相残压不低于800V)，极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。

由上述，用单一的器件或单级保护很难满足要求自控设备对电源的要求，所以对电源防雷应采取多级保护措施。具体级数根据各自实际情况而定，《图二》为自来水司水厂采用的三级保护方案。(原有的高压避雷器保留)

第一级在变压器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高(920-1800V)。第二级在各控制站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量居中，启动电压居中(470-1800V)。隔离变压器的安装非常重要，它能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效。末级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，其残压低，响应时间快。

有条件尽可能以从总配电柜开始将自控系统的电源线单独布排。各级避雷器应尽量靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正的全反射。各级启动电压可据系统而定，但末级应尽量达到箝位输出。国内和国外的各系列电子避雷器均有较好的性能，其原理图如图三。有些还增加了放电管、雷击计数器、避雷器漏电流检测电路，其使用、检测很方便。自来水司水厂采用电子避雷器后其自控系统一般不会在再遭受过电压损坏。

2、通讯线、天馈线避雷

自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线(如DH+、MB+)，并且一般在安装时都是穿管直埋(或电缆沟)铺设，所以雷电在此处的感应电压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常电压一般为正负5V、12V、24V、48V等)，故损害也很大。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，在选用避雷器件时一般都不采用氧化物避雷器，因为它的分布电容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理。通常避雷器原理如《图四》，其中箝位二极管残压很低，若额定电压为24V，则残压在于24-30V之间。选用此类避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的防雷器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有信号反射的现象。避雷器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷的最好方法当然是采用光纤网络。

水厂与上级部门及水厂之间的无线电通讯一般距离近，功率低，其连接线都采用同轴电缆。所以对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器(直击雷防护见后)。我们知道，雷电波能量主要集中在工频和几百赫的低端，与有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开的有效手段就是采用高通滤波器，在选用这类产品时，应据通讯频率和传输功率而定(天线应置于构筑物避雷网45°角内，否则须有相应接地措施)。目前国内市场上的同轴电缆避雷器就是利用这一原理。

3、控制站构筑物的防雷

总控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表，大多数还有电台和天馈线，是全厂生产监控、调度中心，在装修中大量采用了铝、铁等金属材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均压等电位屏蔽措施。

控制站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，只安装避雷针效果不好，因为水厂构筑物高度虽低，但地势空旷，临近水源，所以极易遭受各方向的各种形式的雷击。控制站所在构筑物的接地电阻须小于10欧。

有天馈线或通讯铁塔的应安装避雷针，并置于构筑物避雷网45°角内，避雷针以及通讯铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。如只采用构筑物钢筋结构接地，因为在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证，雷击时其均压要求不能保证而易在构筑物内出现强磁场。构筑物外墙上的所有金属门窗应接入构筑物的接地网。

前面已述，雷电的危害途径主要通过感应而进入自控系统，所以避雷针、带、网的引下线应尽量多设几条，使雷电电流有更多的分流途径，以减小每条线上的泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽量置于远离避雷网导地金属体。

4、合理接地

防雷的最终措施是"泄放"，因而对"接地"切不可轻心。一般厂内的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。

计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地(小于4欧)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小2欧)，安全保护地(小于4欧)。在安装时难以分开(特别是对PLC系统)，对这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值，至少小于2欧。

目前水厂的三大接地网一般是分开设置的。虽然也有采用部分联合接地的，但我们认为，在水厂还是分开设置较好，原因有以下几点：

l、水厂构筑物大多数在修建时未考虑计算机等弱电设备，且其接闪地和设备地本身已分开设置。

2、一个水厂内，为普通用电设备供电的高、低压配电系统中，都采用一个接地系统，由于用电的复杂性，在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd)，必然使计算机接地电位抬高到IdRd，从而可能造成反击。

3、新增计算机、PLC系统时，若要与构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地，其接地电阻小于0．5欧较安全，这样一方面造价太高，在某些地质条件下很能难做到，另一方面对旧地网(特别是老水厂)处理时比较困难。

地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位，地网分开，则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以，地网之间的距离SK当涉及自控系统接地时应大于10M。在接地线引入室内时，若与其它地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。

5、避雷器的选型及安装布线

要发挥良好避雷功能，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象；具有低"通过"电压(将瞬间过电压降到设备能承受的范围)；能承受高电流(二次感应电流一般不会超过10000A)；反复使用寿命长且具有状态显示。电源避雷须提供相对地、中对地及相对中的全面保护作如《图5》。

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关键词：水厂自动化控制 仪表系统 技术分析

中图分类号：TU991.62 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0092-01

在网络信息技术、电子技术的不断发展下，工业建设在自动化方面也取得了显著的成绩，各种检测传感器、自动化感应部件、回路自动调节器等得到了广泛应用。通过对水厂进行自动化控制不仅可以有效降低一次性的采购成本，并且可以降低日后的维护工作量，提高水厂运行的稳定性。

1 水厂自动化控制系统的设计思路

在设计水厂自动化控制系统时，按照“集中管理、分散控制、共享数据”的基本原则进行设计，保证计算机信息系统有良好的独立性。一般使用PLC+IPC自动控制模式进行集散式控制，由于PLC具有良好的扩展性、结构比较紧凑、价格也比较低廉，是目前使用比较广泛的控制器。水厂集散控制系统设计时，要将集中检测作为设计重点，并通过分散控制进行辅助。在对水厂的位置和设施情况进行分析后，分别使用独立就地控制、实时监控、远程监控三种控制措施。在水厂生产过程中，要做好实时监控工作[1]。远程监控主要设备，对水处理构筑物进行就地控制。通过分三个等级进行控制，有效保证了水厂控制的安全性。水平自动化控制网络主要分为三层，在实际设计时，可以根据生产要求和工艺要求进行安排。根据需要设置送水控制站、取水控制站、PLC控制站、加药加氯控制站、反冲洗控制站等。

2 控制系统的构成

2.1 中控系统

中控系统主要由监控计算机、生产管理计算机、激光打印机构成，使用iFIX组态软件作为监控计算机的应用软件，可以将生产线的水池水位、电机、加药设备等所有生产线的模拟画面显示出来。将中控室的电脑远程接入到系统中各个设施中，并且可以将水处理工艺布置图、水厂设备工作状态、水厂设备动态参数、测量仪表数据、设备报警信号等显示出来，并且控制系统可以通过编程对系统参数进行调整。此外，中控室还可以利用相关软件对水厂的数据进行监控和收集，并深入分析和计算检测数据，从而对运行参数进一步进行调整。DCS集散控制系统可以利用I/O模块远程控制PLC键，通过PLC监控站的显示器可以监测到供水站的实际操作情况，并可以对储液罐的液位、仪表运行的具体参数、管道的流量等进行采集分析。中控室通过对这些上限参数和下限参数进行控制，实现远程控制的目的。

2.2 取水房控制系统

取水房控制站主要对水泵机组的实际运行情况以及机组的运行参数进行监控，并且取水泵房中的吸水井中安装了水位计，可以时刻监视水库水位的基本情况。根据送水泵的实际运行情况、清水池的水位情况、水管网压力情况、用水高峰的时间段确定水泵机组的开启或停止。在机组设备良好、配电线路良好、出水电动阀良好并且处于关闭的状态时，才可以自动运行。取水泵房控制系统主要作用是对设备的运行状态参数、设备的运行情况进行监控，并且及时和送水泵房的控制站进行信息互通，记录和备份好设备的运行情况。

2.3 送水房控制系统

送水房控制系统主要是用来对小水泵和大水泵的运行参数和运行工况进行监控，并且将流量计、压力表、余氯分析仪、浊度计、PH计等设备安装在出厂管线上。此系统主要用来对出厂水的卫生情况进行检测。在运行时，需要有完好的机组设备和配电系统，并且吸水井要达到设计水位才可以实现正常运行。

2.4 反冲洗泵房控制站

反冲洗泵站主要由滤池反冲洗水泵、滤池鼓风机构成，反冲洗泵站主要用来对反冲洗水管管路上的开度信号、阀门开关、手动新型号自动信号等进行检测；对水位数据进行收集，并和中心控制站进行信息数据的传输。在进行控制时，除了可以安排操作员使用就地箱进行控制，还可以使用PLC来进行控制。可以将操作终端作为人机接口，并利用PLC控制各个设备。此外，操作人员可以利用操作终端对参数进行设定和修改。

3 自动化控制系统的实现

3.1 主控制界面的实现

自动化控制系统使用服务器和客户端的运行模式，通过桌面将系统图标打开后就可以进入到首页。用户的权限不同，显示操作功能也不同[2]。进入系统后，可以配置水处理设备，对水厂一期和二期的滤池控制情况车沉淀池控制情况进行控制和检测。

3.2 取水泵房的监控实现

取水泵房操作界面可以将泵房中机组的具体情况完全显示出来。例如阀门的开闭情况、机组的数量情况、真空泵的运行情况、真空泵的水压情况和水位情况等。利用取水泵房的操作界面可以全面了解泵房中水泵的实际运行情况，并及时调整水泵的运行状态。

3.3 加药间的监控实现

水从滤池通过后，基本不再浑浊了。此时，需将药剂加入到原水中来杀死水中的细菌，从而使水的质量达到饮用标准。加药间的加药的监控系统可以将加药量、水的实时流量、水中氯的余量、水的浑浊度清晰的反应出来，自动加药系统可以根据具体的流量情况，对加药量进行控制，并且将加药池的水位和运行情况显示出来，在遇到特殊情况影响水质时，可利用操作界面调整系统中的设备。

3.4 预警监控的实现

自动预警系统主要是为了保证系统的稳定运行，当接入系统的任何一个设备的运行数值超出设计的安全范围值，系统会自动发出预警，并提供解决方法。相关数据会一直保存在系统中，以便及时优化、总结水厂的运行数据。

4 结语

通过在水厂中对此自动化控制系统进行运用，有效提高了生产的安全性，供水的稳定性得以提升。可以对各类设备进行实时监控和自动化运行。在监控中心就可以观测到设备的生产指标和运行情况，对所有出现问题的环节进行了记录和反馈。此外，工作人员的作业效率也明显提升，管理人员可以根据监控中心的数据调整和分析水厂的运行情况，一些耗时、耗力的操作由计算机代替，劳动效率显著提升。

参考文献

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数字技术应用于水厂电气自动化中的优势主要体现在两方面，即：第一，在标准化及开放式的平台下所建立的编程接口，可使数字技术的使用寿命得以延长，并缩短编程周期，进而使数字技术应用范围不断扩大。第二，数字技术的普及与发展已逐渐渗透到人们的工作与生活中，为人们的相互交流提供平台。例如，西门子公司所推出的PCS7自动化控制系统，简化了繁琐的资格认定，操作人员无需利用维护工具便可在短时间内进行数据的更改。

2数字技术在水厂电气自动化中的创新

2.1智能终端技术的利用

水厂电气自动化过程中，可通过光纤连接的方式，利用智能终端以及间隔层采集与控制相应的数据，从而使电气自动化中数字技术的可靠性得到提升。另外，电气自动化能够实现有效的运作主要得益于标准的程序接口。因此，将TCP/IP作为办公通讯的标准，能够帮助ERP与MES实现连接，进而为用户提供完善的程序接口。例如，数据交换可在软件与硬件中进行，并优化智能结果，提高通讯质量。

2.2GOOSE虚端子技术的利用

GOOSE虚端子技术将设计与装置做出一定的改变，使二次回路得到改良，更具便于调试且易理解的优点。GOOSE技术应用过程中，通过测控装置与智能装置实现信息的交换，并以此控制开关及主变、母联及母线以及全站线路等，而且其中的跳合闸能够对测控遥控装置及联闭锁的间隔层进行保护。因此，GOOSE虚端子技术通过对二次回路的改良使非电量信息更便于操控。另外，GOOSE与MMS双网配置也实现了结构清晰、层次分明、简捷方面的优良性能，集中了相关结构组屏，在主机与二者之间以通信管理的方式实现测控遥控、联闭锁以及跳闸保护。如图2。

2.3对程序代码控制的强化

程序代码的控制是数字技术中的主要技术，主要利用程序代码向电气设备传达指令。但在程序代码控制方面，很多操作人员的意识不强，无法对相关指令进行有效地下达与操控，很大程度上使水厂电气设备运行效率受到影响。因此在实际操作过程中，当下达相关指令后，技术人员应进行检测数据向计算机传输的工作，若需进行具体的操作，可直接进行干预，确认设备中的开关与闸刀设计能够保证系统具有良好的运行状态，这样系统能够自行完成所有操作。

3结论

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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.

关键词：水厂自动化；设备管理；自控设备

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

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0270-01

1 水厂自动化的目的

对水厂实施自动化的根本目的认识不够全面或出现偏向，是造成一些水厂自动化系统未能充分发挥作用的一个原因。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、低耗和高效供水，获得良好的经济效益和社会效益。但是，有的水厂实现自动化是为了赶时髦，将其作为一种点缀；有的水厂是迫于形势，在大批水厂纷纷实现自动化的情况下，自己也不能不上等等。

2 水厂自动化的设计

2.1 未解决的相关理论问题

2.1.1 絮凝理论不够完善。加药系统是一个大延时、强耦合、干扰因素多的非线性系统，目前广泛采用的控制方法为：用原水流量按比例前馈调节计量泵的频率，用流动电流仪（SCD）反馈调节计量泵的冲程，从而构成加药复合控制系统。由于凝聚作用本身有多种理论，决定加药量多少的水质成分因素在理论上还不够完善，如原水浊度、温度、pH、污染因素以及非胶体颗粒干扰因素等参数变化都对SCD有很大影响，而在SCD反馈调节方法中，只采用了反映水中胶体稳定度的参数ζ电位来代表全部水质因素，因此该控制方法并不完全符合生产实际。

2.1.2 加氯系统理论问题。在加氯系统中，传统的控制方法为：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反馈控制。由于影响加氯效果的因素很多，如水质、天气、水厂的具体工艺特点等，而且后加氯存在时间滞后问题，同时对控制方法和投加氯氨存在的问题目前有不同的看法，特别是对水射器安装位置和余氯取样位置的规范化确定目前尚无完整的理论，从而使加氯系统不够规范，实际运行效果也不是十分理想。

2.1.3 其他理论问题。如变频供水泵和定速供水泵的台数比例确定、变频供水泵的自动调节方法以及供水泵的科学调度等问题，理论上还未完全解决，管理上还有待进一步研究。

2.2 技术规范和设计标准问题 到目前为止，我国在供水行业自动化控制方面，除《城市供水行业2000年技术进步发展规划》等少量规划性技术文件之外，尚无制定供水行业自动化控制方面的技术规范和设计标准，致使水厂在实施自动化过程中，技术上缺乏统一的规范性，设计上存在一定的盲目性和随意性，影响了自动化系统配置的科学性和合理性。而在其他行业，如水电行业，国家有关部门早已经颁布了相关的技术规范和设计标准，这对该行业的自动化设计和实施起到了积极的促进作用。

2.3 设计中存在的一些具体问题 ①缺乏统一的发展规划。②功能设置过于复杂。③功能设置过于简单。④设置过多的手动功能。有些设计为了在自动化系统故障时不影响生产，而设置了过多的手动操作功能，从设计上就将自动化系统置于可有可无的地位，既造成了设备的重复投资，也使生产人员产生了不正确的依赖心理，加上运行管理改革力度不够，出现了自控设备搁置不用而仍由人工手动操作的现象。

3 水厂自控设备存在的问题

3.1 质量问题 水厂中有些设备容易出现质量问题，如碱度计、氯氨测定仪、溶解氧测定仪、浓度测定仪、压差变送器、加氯机、计量泵等，这些质量问题有的是设备本身的质量不过关，有的则是安装或维护质量达不到要求，但均影响了自动化系统的正常运行。

3.2 配套问题 在有的水厂自动化系统中，设备如传感器、测量仪表及执行机构本身并无质量问题，而是精度不够或稳定性达不到系统要求，即与系统配套不合理，也是影响自动化系统正常运行的一个原因。

3.3 备品备件问题 有些设备发生故障后，由于缺乏备品备件而一时无法修复，这对进口设备尤为明显。如果由原产品供应商修理，则时间长、费用高，特别是有的产品已更新换代而根本无法得到备品备件，造成了这些设备的检修十分困难，从而导致这些设备长时间处于瘫痪状态，影响了自动化系统的正常运行。

3.4 检修和改造问题 对于部分进口设备如网络设备，由于外商对通信协议和通信软件的公开性不够，且本身的技术要求也较高，既增加了这些设备的维护和检修难度，也降低了自动化系统的开放性，影响了系统的正常更新和改造工作。而且很多进口通信设备较难与国内设备互联，致使更新和改造困难，从而降低了自动化系统的合理性和统一性。

4 管理方面存在的问题

4.1 不注重设计、安装、调试过程的人员参与 很多水厂在建设自动化系统时，由于受人员和素质的限制，常采用交钥匙工程的方式，这样在建设时轻松省事，但后患无穷，由于没有自己的技术力量参与设计、安装、调试过程，导致投产后出现很多问题，影响了系统的实际运行效果。

4.2 对自动化系统和设备不够熟悉 由于值班人员缺乏必要的技术知识，对自动化系统和设备不够熟悉或掌握不够，导致设备得不到正常的保养、调校和检修，造成仪表精度降低或设备故障；导致软件得不到必要维护和调整，造成因一些小软件故障得不到及时处理而影响系统正常运行；有的甚至出现误操作或引起人为故障。

篇7

关键词：中小型水厂 技术改造 自动化控制 体会

一、振华水厂简介

振华水厂于1994年底投产，规模：6万立方米／日，属中型水厂，担负着开平市城区大部的自来水供应，其供水水质及安全性对整个城区都有着重要的影响。

工艺流程：

该厂生产控制方式为现场手动控制方式，投药、加氯的准确度、连续性，滤池反冲洗、二级泵站供水的安全可靠性都受到相当大的制约。为适应《城市供水行业2000年技术进步发展规划》要求及人们对水质和供水安全性要求的提高，1999年5月我水司与有关高校科研人员及自控专业公司合作对该水厂进行了自动化改造。经改造后的生产实践证明，效果相当不错，说明中型水厂自动化改造是必要和可行的，具有一定的推广价值。

二、自控系统改造设计思路

2.1 系统组成

本自动控制系统主要由中央控制室两台计算机（Pentium Ⅱ/450，内存96M）、模拟屏及现场两套PLC（SIMATIC S7－300，CPU314）组成，控制规模DI160点、DO96点、AI24点和AO12点。采用DCS（Distribute Control System）系统，为中央控制室集中监控、PLC分散控制和现场操作台手动控制的三级控制。PLC软硬件主要由西门子公司提供，使用 Windows NT 4.0操作系统构成C／S结构，分别以STEP7和WinCCV4.0为编程与监控软件。整个系统采用MPI多点接口网络，PLC框架采用内部总线，PLC与计算机之间采用RS－485通讯接口，两套PLC站通过专用双绞线联接，如图1所示。

其中，二级泵站PLC监控泵站电机、水泵、真空泵及阀门工作状态，监测调速泵频率、运行时间、电流、电压、电源有功功率、耗电量、机泵阀开关量状态及出厂水水质指标；而中控室PLC同时监控加矾、加氯、过滤、反冲洗和反冲洗水池补水系统的设备运行工况，监测混合SCD值、滤后水余氯及原水水质指标。

2.2系统功能

监视功能

模拟屏以直观的表达方式，通过色彩和动态显示数据，形象表示出制水生产全过程。监控计算机可以对生产进行全面监控，并对投药、加氯、滤池及送水泵站各系统以立体图和平面图表现相应的工艺流程、设备运行工况以及仪表参数。此外还具有历史数据分析和报表系统功能，自动生成7种不同类型生产报表，并可随时进行修正和打印。

自动控制

自动控制分为人工和自动方式，前者是把输出模拟量固化，后者则通过预设参数实现优化控制，控制单元对设备检测部份传来的信号进行运算，将结果送至设备执行部分。

故障诊断

PLC外部控制电路和Ⅰ／O接线系统的故障检测诊断，由用户程序找出最佳矛盾逻辑状态组，及时发现故障点，开启报警并记录。通过启动“报警置位”功能复位，消除故障。

2.3 改造后净水工艺控制方式

（1）加矾系统

改造前采用重力与泵压联合投加：矾液从高位矾池流入矾泵，经提升至高度与矾池项约相平的缓冲罐，然后应用重力投加。受原水管道压力变化影响，在水质水量发生变化时，凭经验人为调节造成滞后和不准确。

改造后，加矾系统采用隔膜可控容积计量泵、变频调速电机和美国 Mition RoySC5200－E4WJOOO游动电流检测仪（简称SCD仪），见图2。其中，以原水流量为前馈量控制电机频率，流量越大，频率越大，转速也就越高，确保原水流量发生阶跃变化时控制系统响应速度和稳定性；以SCD仪检测混合SCD值为反馈量控制计量泵冲程。水厂集中采用中控室PLC内部PID控制器，实现PID控制算法。

加矾系统在原水流量计和SCD仪的自动监测下，实现频率和冲程双点调节，最大限度扩展控制范围，适应了原水水量和水质大幅度变化，并可克服原水管道压力变化影响，保证了混凝效果。

（2）加氯系统

改造前只有滤后加氯，投加量偏差多少依据一小时后检测耗氯量、余氯值来估计，再手动改变加氯机开度，调节氯气流量，调节粗糙，反馈过慢，致使加氯不够可靠。

改造后，滤后加氯采用复合环控制，并增加反应前加氯系统。

反应前加氯按原水流量比例投加，属开环控制。滤后加氯以原水流量为前馈量，以滤后水余氯为反馈量进行投加，属闭环控制。

应当说明的是滤后加氯流量信号仍取之于原水流量，是因为原水流量与滤后水流量不等情况很少，且有余氯仪检测反馈。这种前后反馈复合环控制加氯技术保证后加氯系统稳定性和可靠性，也适应水量和水质变化。

（3）滤池系统

原系统过滤时靠肉眼判断滤池水位高度，手动调节进水阀和滤水阀门，造成水位忽升忽降且各滤池水位高度不一，滤速不均。

改造后，保持进水阀全开，以超声波水位仪和角度转换器分别监测滤池水位和滤水阔开度，执行PID指令后，送出开度控制信号，实现恒水位过滤。如图3所示。

过滤到一定周期进行自动反冲洗。为简单起见，反冲洗省去按阻塞值条件控制，当过滤能力下降并形成一定水头差，值班人易发现水位突破恒定水位并不断上升，由此进行强制反冲洗。另外，反冲洗水池自动补水，以液位计反馈液位高度信号控制水泵启停，同时保留原靠浮球到达限位作为水泵停止信号的控制，两者并用确保反冲洗水池满水后水泵自动停止，以免事故发生。

（4）二级泵站系统

改造前，四台型号一致大泵和一台小泵都是定这泵。手动控制出水阀门开度来调节供水压力，浪费能量且不适应管网压力变化。改造后，利用压力变送器的压力反馈，一号大泵进行变频调速，达到恒压力供水目标，如图4所示。

变频器最佳输出频率范围为40Hz至49Hz，当达到设定极限50Hz时，变频器会自动跳闸，并发出警报。在实践中，以一号变频调速泵与其它定速泵的不同并联组合，使变频调速在最佳变频范围进行工作。

三、运行效果及体会

3.1 运行效果

（1）加矾和加氯两套系统均实现了优化控制，确保了水质的提高。出厂水浊度一般在1.0NTU以下，余氯值在0.4～0.7mg/L之间，达到Ⅰ类水司水质标准，其它指标均符合或优于国标。另外，自控监测仪表一般都有灵敏度高、准确性好和易于维护的优点。

（2）自动化控制，大大降低了工人的劳动强度，提高工作效率。同时，也提高了净水生产的稳定性、连续性与供水的安全性，符合供水行业现代化生产技术的发展要求。

（3）降低了能耗、药耗。

利用调速泵与定速泵不同并联组合来适应不同供水需求，在满足管网压力逐时变化前提下提高效率，节约了电能。我们对调速大泵和一台定速大泵并联运行与两台定速大泵并联运行作出比较，节能约为10％左右。不仅节约电能，而且经统计节约矾药约10％。

如表1所示。

3.1 体会

中小型水厂规模小，自动化改造的投资成本相对较高，因而需要在保持技术先进的前提下寻求自控系统的可行性简化。如用集成在CPU内的MPI进行简单联网，以STEP7用户接口简单组态等。

对中小型水厂自动化技术改造在我国尚属尝试阶段，应用不多，本项目注重设计与实际情况的紧密结合。例如，本厂的原水进水采用计量堰计量时一般会出现水面波动较大的现象，我们通过设置挡板以消除计量堰水面紊动，确保水位和流量信号检测准确；反冲洗水池抽水泵真空判断原以在真空表内设定固定真空值为准，为适应清水池水位大幅度变化要求，特改用在真空管路内水位提升浮球取得真空形成信号等。另外，进口自动监测仪表需稳定安全的工作环境才能正常发挥作用。对此我们在相关仪表前加设缓冲排气筒，出厂水经气水分离后依靠重力流向仪表，相对稳定、平缓，使仪表正常工作。

水厂生产实现自动化控制，改变了传统的生产运行方式，促进了净水处理技术水平的提高，经过一年多的实际运行证明，改造是成功的，达到了我们预期目的，提高了投药加氯的准确、连续性，提高了供水安全性，降低了药耗。当然，改造工程本身存在某些局限性，我们将精益求精，在生产实践中个断完善，使经济效益和社会效益双丰收。

参考文献

[1]　SIMATIC S7-300可编程序控制器，西门子（中国）有限公司出版社，1996

篇8

关键词：自来水厂；自动化控制；框架

中图分类号： TU991.35 文献标识码： A

§1.0自动化控制的水厂功能要求

1.1、取水泵站功能控制要求

1、取水泵站电机的运行电压、电流、频率在线显示和控制（频率）。

2、消毒液（剂）投加设备的运行工况和投加量的在线显示及控制。

3、取水瞬时流量、累计流量的在线显示。

4、原水的水温、PH值、浊度等的在线显示。

5、原水的水位和库容（视要求）在线显示。

6、取水口和取水泵站的远红外线高清视屏监控。

1.2、厂区功能控制要求

1、供水泵站电机的运行电压、电流、频率等的在线显示和控制（频率）。

2、清水池液位显示和取供水机组的联动控制。

3、滤池的液位显示和反冲洗机组（汽、水）及排污阀的联动控制。

4、絮凝剂（液）、消毒剂（液）投加设备的运行工况和投加量的控制。

5、供水管网的实时压力、瞬时流量、累计流量的在线显示。

6、供水的水温、PH值、浊度、余氯或二氧化氯含量等在线显示。

7、建立在数字化供水区域行政地图上的管径≧￠50的管网路由详图（按颜色区分管径、标明进排气阀、排污阀和闸阀的位置、标注￠50管末端的供水户数，视需要未来可扩展至自然村的管网细部图）。

8、管网路由图上的主干支节点（供水区域内的￠110管及以上的分支点）的实时压力、瞬时流量、累计流量等的在线显示（远程GSM卡传输）。

9、记录水厂运行的历史数据，按要求（年、季、月、旬、日、时）打印数字报表图表和分析曲线。

10、存储主干支数据采集节点的运行数据，数字建模，通过计算、对比、分析能够对突发异常数据（管网压力的突降和流量的突增）进行声光报警。

11、厂区无盲区的远红外线高清视屏监控、电子围墙护栏等安全防范系统。

§2.0硬件的设计依据和控制方案选择

2.1、设计依据

1、国家标准、行业标准和企业生产标准。

2、自来水厂的功能控制要求。

2.2、控制方案选择

1、控制形式

在自动化领域，具有多种实现一体化控制功能的形式，比较成熟的具有以下三种形式：

① 基于PC的控制系统

② DCS分布式控制系统

③ 上位机+PLC控制系统

2、方案比选

①基于PC的控制系统：是在计算机硬件的基础上通过各种接口板卡扩展其与被控对象的连接能力，实现输入/输出功能，由于其功能过度依附于个人计算机，而个人计算机的各种防护能力不能达到工业级应用环境和平均无故障时间的要求，因而只能用于环境较好、对可靠性能要求不高的场所，其具有明显的成本优势。

②DCS分布式系统：有全集成的结构，由同一厂商提供现场控制单元、上级监控单元，并且软件、硬件一体化，具有高度集成和协调能力，具有很大的运算能力，可以控制多路复杂系统，但其可靠性不如PLC系统高，工程造价也较昂贵。

③“上位机+PLC控制系统”：将采用分布式系统的思想，将控制与监视基本分离，由具有最高安全性能的PLC系统负责采集现场信号，并且实现输出以驱动现场执行机构，相对于个人计算机而言，PLC具有耐最差环境的优点，同时由于其严格的封装特性和独特的执行程序方式，具有更高的可靠性，现在绝大部分知名品牌的PLC主机的平均无故障运行时间都在100，000小时以上，由于微电子技术的不断发展，CPU时钟频率不断提高，PLC的实时性和运算能力不断增强。在大多数应用场合，PLC都可以通过自身的CPU部件处理各种输入/输出信号，进行各种简单/复杂的逻辑运算，并能进行各种开环、闭环控制，完全发挥其就地控制单元（现场级控制）的能力。与PLC配套的上位机系统实际上具有两个功能：一、人工干预PLC自动运行程序的功能，在某些特殊的情况下对现场执行设备进行“不合规则”的调控；二、监视、存档、报警等功能，上位机通过取出PLC中的数据，结合计算机的软硬件特性，对数据进行精细化处理和分析，得出更有价值的判断和结论。在这个系统中，PLC起到了承上启下的作用：由它对现场设备进行管理，计算机通过与PLC通讯来间接了解设备运行状态、对设备进行操作，这样充分发挥了PLC可靠性高的优势。

2.3、方案确定

针对乡镇自来水厂工程功能要求和水厂的专业技术人员短缺，值班、职守人少和运行环境的湿度大温度高等特点，笔者决定采用计算机监控系统HMI/SCADA系统加PLC控制的全自动监控方式。整个系统采用纵向三级系统HMI/SCADA中控室监控系统、LCU控制系统、现场控制系统，三级系统由高到低垂直分布，呈树状结构。

HMI/SCADA控制中心系统，通过工业以太网与下一级设备（LCU就地控制系统）相联系。通讯介质为单模光缆，通过环型连接构成冗余网络，网络中任意一个节点出现故障不至影响其它节点之间的正常通讯。系统选用两台高性能计算机和两套软件组成冗余监控模式，任意一台机器出现故障，不至影响系统正常运行。

LCU控制系统居于三层系统中间层，起承上启下的作用，向下管理现场分散设备，向上与HMI/SCADA系统通讯，因此，要求具有很高的可靠性。同时，要具有可独立工作的能力，在HMI/SCADA系统出现故障或者脱机的时候仍能正常工作。基于以上考虑，LCU控制系统选用高性能的PLC系统。PLC系统向上通过工业以太网与控制中心相联系，向下通过I/O模块的硬接线方式与现场设备相联系。I/O模块的硬接线方式是传统的PLC模式，在通讯结构上实际上是一种星型模式，相对于智能设备的总线型通讯模式具有两个方面的优点：一是对现场设备的支持能力强，大多数现场设备均能通过这种方式融入控制系统，而总线型设备级网络需要现场设备配置智能模块，管理总线通讯接口，而当前状况是仅部分现场设备（或者部分品牌的现场设备）支持总线通讯接口；二是通讯抗故障能力强，由于星型网络每个点都与上级控制层直接硬接线，因而任意一个现场设备损坏或者任意一条通讯线路损坏都不会对其他设备或者线路产生影响。而总线型通讯是一条总线加上多个设备点的总线分支器构成的，因而在总线损坏或者总线分支器出现故障时，其后的所有设备均不能正常通讯。现场控制系统即为系统最前端设备：包括各种传感器/变送器、控制电箱柜、各种开关、按钮和接触器、继电器线圈等。其功能有：一是把现场的“状态” 传送到上一级系统，二是把上一级控制系统所做出的“决定”（通常依据“状态”而来）实现到现场设备上。

§3.0控制站点的分布

自来水厂自动化控制系统设立：中控室控制站、一座PLC主站（送水泵房）、二座PLC分站（加氯和加药间、取水泵站）。PLC主站与中控室控制站用以太网进行通讯，PLC主站与加氯加药间PLC分站以DP总线进行通讯，PLC主站与取水泵房PLC分站可用DP总线进行通讯或用无线网桥（远距离）。

3.1、中控室控制站

中控室设有1台监控计算机，操作系统采用WINDOWS2000 PROFESSIONSL版，组态软件采用PLC厂家的最新工控组态软件，组态点为1024，完全版。要求软件能在WINDOWS系统软件平台上可靠运行，并具有良好的动态监控画面组态功能、丰富的组态图库和数据处理功能。其功能配置应满足水厂监控的所有需要，如事件信号、测量值的归档，操作权限的设置，在线调试、远程访问等。

监控应用软件采用在组态软件的基础上开发的动态图形软件，图形形象逼真，操作界面友好简便，故障诊断可靠，数据库功能完善。

3.2、送水泵房PLC主站

3.2.1系统说明

送水泵房PLC主站监测送水泵房设备、工艺参数和运行状态，是送水泵房水泵电机及其辅助设备的智能控制中心。

送水泵房变频恒压供水过程的控制是由多个独立的泵组控制装置以及真空引水装置等，依据一定的程序相互协调作用来共同完成，它们之间的联系和协调是通过PLC柜来实现的，每个控制装置内在的联锁关系由其内部电路去执行。在自动恒压供水模式下，这几个控制装置的协调工作过程就构成了恒压供水设备的工艺控制过程，这几个控制装置在工作中协调质量的好坏及合理性（优化运行）将会直接关系到恒压供水工作时的品质。

3.2.2PLC监测下列物理量数据和设备运行状态信号：

供水泵电机运行的：电流、电压、频率、开停机时刻、累计运行时间；

反冲洗汽水泵电机运行的：电流、电压、频率、开停机时刻、累计运行时间；

出厂水实时压力；瞬时流量、累积流量；

出厂水水质各种参数（水温、PH值、浊度、二氧化氯含量）；

变频器的工作状态和故障报警；

清水池水位、滤池水位；

厂区远红外高清视频监控传输和电子围栏报警；

PLC对模拟量的监测是通过配置的模拟量输入模块实现的，PLC对诸如电量、累积水量等累积量的采集是通过其DP通讯方式完成的。

3．2.3PLC控制功能

PLC以处于「自动方式的受控装置（变频柜以及水泵等设备）为控制对象，使各受控装置能自动地按工艺流程和控制动作要求工作（运行和停止），自动控制的总目标是按照预定的程序协调控制这些受控装置的运行，实现目标压力值可调的自动恒压供水。PLC的控制还具有优化控制功能，包括自动对泵的合理、科学调配，通过适当的控制算法，PLC总是选择最合适的泵组投运和停机，保持机组和联动系统的最佳运行状态。

随着社会的进步和要求的提高，欲实现全厂自动化只需配置以太网通讯模块，通过工业以太网方式和工厂自动化网络连接，与上位监控微机及其他网络终端通讯即可。

PLC控制柜配置了10.4’的中文信息触摸屏，以文字、图形、曲线等形式显示各类数据、状态和故障、参数越限报警等信息。无需物理按钮，操作员通过轻触屏面触摸面板，向设备发出各类各型指令，触摸-感应显示能使操作者直观、全面地通过图形控制监视所有的受控设备，及时发现和解决问题。

3.2.4、设备制造要求

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

3.2.5、元器件选型要求

①．控制站PLC选用SIEMENS S7—300系列产品，配10.4’中文信息触摸屏；

②．低压电器选用施耐德公司的产品（建议）。

3.3、加氯和加药分站

3.3.1系统说明

1．絮凝采用投加聚合氯化铝溶解液，一个投加点，两台机械式隔膜计量泵（一用一备）和一台减速搅拌电机组成加药系统，。

2．消毒采用投加二氧化氯方式，由二氧化氯发生器组成消毒系统。两个投加点，分别为滤前消毒（夏季高温杀藻、微生物）和滤后消毒。

3.3.2技术要求

1．加药系统运行采用半自动方式，配置一台变频器，根据源水的流量，出厂水浊度调节其电机的频率从而控制投加量的大小；依据季节的变化、源水的浊度及相关经验等综合因素，手动调节冲程的大小。用时控开关控制搅拌电机的开停确保絮凝剂的浓度均匀。

2．加氯系统的二氧化氯发生器为全自动方式和闭环运行，本次方案考虑其已具备与主站PLC通讯的接口，具有两种控制模式：远程计算机控制，加氯机自动控制。

3.3.3设备制造要求

手动模式操作按钮和状态灯安装在控制柜（2200mm×800mm×400mm）面板上，聚合氯化铝的搅拌机的螺旋杆和叶轮采用食品级不锈钢。

3.3.4、元器件选型要求

1．控制站PLC选用SIEMENS S7—200系列产品；

2．变频器选用SIEMENS MM440系列产品；

3．低压电器选用施耐德公司的产品（建议）。

3.4、取水泵房PLC分站

3.4.1系统说明

取水泵房PLC监测去水泵房设备、工艺参数和运行状态，是取水泵房电机及其辅助设备的智能控制中心。

PLC监测下列物理量数据和设备运行状态信号：

取水泵电机运行的：电流、电压、频率、开停机时刻、累计运行时间；

取水泵的瞬时流量、累积流量。

原水的各种参数（水温、PH值、浊度、二氧化氯含量）；

变频器的工作状态和故障报警；

水库水位、库容；

取水口远红外高清视频监控传输；

3.4.2、元器件选型要求

①．控制站PLC选用SIEMENS S7—200系列产品，配置以太网模块；

②．和厂区通讯采用美国朗讯RG1100无线网桥。

§4.0软件设计

4.1 中控室计算机监控软件

4.1.1、软件功能描述：

经过组态，监控计算机应具备以下功能：

1. 采集各工段的工艺参数、电气参数及生产设备的运行状态信息。

2. 根据采集到的信息，建立各类信息数据库，根据工艺要求编程，自动进行调节和控制现场设备。也可以通过计算机对各类工艺参数值做出实时与历史趋势图形，供调度员分析比较，以便找出水厂的最佳运行规律。同时分析各种事故原因，改进管理方法，保证出水水质，提高经济效益：

3. 监控计算机以人机对话方式指导操作，在自动状态下，可用键盘或鼠标器对有关设备进行远程控制（开停机操作）：

4. 监控计算机的彩色监视器（CRT）可显示全厂平面图及工艺流程的剖面图，剖面图上有动态的实时参数值显示、机泵状态显示和事故报警信息显示等几十幅可切换的动态画面。

主要图形有：

——水厂总貌图

——水厂流程图

——测量和控制仪表及设备定位图

——加药间动态模拟图

——加氯间动态模拟图

——清水池动态模拟图

——滤池动态模拟图

——建立在数字行政地图上的供水区域管网路由详图（≧￠75管径）

5. 显示时、日、旬、月、季、年模拟量值运行曲线，历史曲线。

6. 打印班、日报表、设备运行时刻表，事故报表，定时或随机打印旬、月、季、年的统计报表。报表内容包括运行参数、水质分析、技术经济分析等。每天的生产数据能自动进入数据库制成生产图表。并具备历史数据查询功能，机内存储12个月以上的信息。

7. 计算机能监控和判断生产流程测量模拟量值的越限和设备故障。发生故障时，故障信号应显示在监控屏幕上，时间地点应保存在硬盘上，并打印出来。同时给出声光报警提示。

8. 用户登录：运行人员必须输入正确的用户名和操作密码进行登录后才能进入系统。系统对不同的用户赋予了不同的操作权限，分为操作人员权限和管理人员权限。操作人员只能进行设备操作和数据浏览，管理人员可进行设备操作、数据浏览、参数设定、用户和密码维护。

9. 实时工艺流程图显示：实时动态地显示工艺流程图，流程图上包含各种设备实时运行状况、各种实时工艺参数。出于计算机屏幕大小限制，不能在一幅画面显示水厂全厂工艺流程图、所有设备状况、工艺参数，采用多幅画面进行流程图显示，通过鼠标点击菜单或按钮，进行流程图显示切换。大区域的实时动态画面采用纵断流程和平面流程相结合的流程图显示方式，局部实时动态画面采用45度立体流程图显示方式。

流程图中所有设备的运行状态采用绿色表示：停止状态采用本色表示；故障状态采用红色和本色交替闪烁表示。

流程图中所有由PLC控制的设备均设置遥控/自动转换按钮，只在当设备手动/自动转换开关处于自动时，遥控/自动转换按钮才可用，当遥控/自动转换按钮处于自动时，禁止人工遥控设备。当设备出现故障信号时，停止运行或禁止启动这些设备。

10. 报警显示：当出现任何报警时，提示运行人员报警点、报警类型、报警时间等多种信息，由运行人员进行确认，同时可通过报警汇总表浏览历史报警，历史报警 的内容包括各种报警信息、报警是否经过确认、确认报警的用户、确认报警的时间等。报警出现时，报警打印机立即打印报警信息。

11. 实时趋势、历史趋势：运行人员可通过菜单或按钮进入实时趋势画面或历史画面，可选择需要的工艺参数查看实时趋势或历史趋势，可同时显示多条实时趋势，可对曲线进行放大或缩小，可任意选择需要查看的时间段。

12. 参数设置：运行人员可通过菜单或按钮进入参数设置画面，对各种设定值进行修改，以适应当前的运行条件，保证出水水质。为了保证运行安全，具有权限的工程师才能对各种工艺参数设定值进行设定和修改。所有可以进行调整的参数均具备在线调整功能。

13. 事件记录：系统发生的较大情况（如设备故障、越限报警、大型设备的启停等情况）或操作人员对设备的操作、参数的调整。均通过事件功能记录下这些情况和操作过程作为今后分析事故的基础资料。事件记录的内容包括各种事件信息、事件发生的时间等。

14. 报表处理：系统自动记录各种工艺运行数据，将所有数据归纳汇总形成报表，报表可定时打印或召唤打印，运行人员也可通过菜单或按钮进入报表画面查看历史报表。

4.1.2、部分上位机组态画面

泵站显示画面；2、变配电站显示画面；3、加药显示画面；4、参数集中显示画面；5、历史报表画面；6、历史报警界面；7、开放标准数据库；8、报警。

4.2 加药加氯自动运行控制软件

4.2.1聚合氯化铝软件

聚合氯化铝药液自动投加系统是通过原水浊度计算出千吨水耗药率进而根据配水流量和配液浓度计算出投加到每组工艺池的药量，最后通过PID调节控制计量泵的转速达到药量的准确投加。另外，为消除配液精度、水质变化、排泥变化、参数设置等的误差，还需在药液投加的过程中还加入了一定范围内沉淀池出水坡度反馈的修正措施。当沉淀池出水浊度偏离设定点较高时，PID调节增加投药量；反之，当沉淀池出水浊度偏离设定点较低时，PID调节减少投药量。

4.2.2二氧化氯发生器软件

二氧化氯发生器采用液晶屏触摸程控-人机界面对话，以西门子S7-200型PLC为控制核心，实现对相关开关量和模拟量的采集以及相关设备的控制。以高品质液晶触摸屏为本地操作员界面，实现部分操作、系统诊断、参数显示、设定与修改等功能。本系统随机提供RS485接口，PPI/MPI通讯协议，可直接作为西门子S7-300/400系列PLC的从站使用；也可以选配Profibus模块，实现Profibus-DP/MPI通讯连接。满足实时在线监测实现系统计量泵加药量的自动控制和相关的监控保护功能。

4.3其他硬件性能选择

4.3.1、LDY-S一体型电磁流量计可与显示、记录仪表、积算器或调节器配套，用来对流量进行检测、积算、调节和控制。

4.3.2、BSZ系列散射光智能浊度仪，其光源与接收器均不与水面直接接触，最大限度地把水样对光源与接收器的污染减少到接近于零。属在线连续检测仪器适用于原水、滤前水和滤池反冲洗废水的监控。NSZ系列散射浊度仪，主要用于低浊度水的连续检测，对滤后水进行监控从而保证出厂水的水质。

4.3.3、PH-10M在线分析仪，测试范围：0.00～14.00pH，精度：1pH；分析度0.01 pH，液晶显示:312,CD 显示器，蓝色背光操作。

4.3.4、BST6800-GP电容压力变送器主要用于测量液体、气体或蒸汽的压力，然后将所测的压力值转变为电流信号或电压信号输出（通常是4-20mA)。也可与HART智能手持器相互通讯，通过它们进行设定、监控等。同时，BST6800的智能压力变送器可以把信号输出至DCS系统、PLC或者二次仪表，用于监测或者调节。

4.3.5、KX501系列导压静压液位变送器是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转成电信号。经过温度补偿和线性校正。转换成4-20mADC标准电流信号输出。

KX501系列导压静压液位变送器的传感器部分可直接投入到液体中，变送器部分可用法兰或支架固定，安装使用极为方便。

4.3.6、水温变送器：二线制传送，输出恒流信号（4-20mA）。抗干扰能力强、远传性能好；带现场显示的温度变送器既输出4-20mA的电流信号，又能在测温现场读到实测温度，经操作人员带来很大方便；

4.3.7、二氧化氯在线检测仪:输出恒流信号（4-20mA）,RS485信号通讯，对PH值相对较不敏感，受流速影响较小。

4.3.8、西门子PLC系统

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关键词：可编程控制器现场总线污水处理厂

一、引言

水是人类生活和国民经济发展的不可或缺的重要部分，随着科技水平的飞速发展和人类生活水平的巨大提升，对于洁净的优质的水源的需求也不断急剧释放。为建设可靠、稳定、先进、经济以及可扩展的合理的水处理自动化系统成为工程界和城市水行业营运管理部门共同关心的问题。微电子、通信、计算机技术的发展大大提高了水处理控制系统的信息化和智能化程度，与3C技术相结合的PLC以其卓越的可靠性、抗干扰性以及灵活的控制方式成为水处理自动化系统的核心控制器，其与开放的网络通信系统一起，共同推动着水处理自动化系统的智能化程度的发展。

水处理行业主要分为净水处理和污水处理两大部分。净水厂控制系统通常分为水厂调度系统、加药间（加氯间）PLC控制站、滤站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各个控制站相对独立工作，通过有线网络进行通讯，将所有的数据信息送到水厂调度室进行处理，或将一部分数据通过调度系统以无线（或有线）通讯的方式送到城市的调度中心。对于污水处理来说，要根据污水水源地状况来确定污水处理的工艺流程，由于污水处理工艺的不同而自控系统应用PLC的要求也有所不同。一般讲，整个污水处理厂都有总控室和多个现场控制站，站与站之间通过控制器层网络或信息层网络相连，然后全部连接到总控室，总控室的多台计算机、工作站和图形站都用信息层网络连接，这样和现场控制站构成了集中管理，分散控制，高速数据交换的工厂级自动化网络[1].PLC自控系统是水处理厂的控制核心部分，对其合理的选型和设计，对污水厂能否高效、自动化的运行非常重要。然而，PLC网络又是其中的重中之重，网络的好坏直接影响到污水厂的正常运行。

二、系统构成

污水处理厂自控系统一般包括污水厂部分和厂外泵站部分。监控系统通讯网络和PLC是污水处理自动化系统的核心组成部分，它们的性能对污水处理自动化系统会起到决定性的作用[2].根据污水处理自动化本身的特点和监控需求选择合适的PLC及通讯网络是保证污水处理自动化系统性能的重要因素。

通信网络：

在污水处理自动化系统的结构上，国内在管理体制上主要采用三级管理，即监控总中心、区域监控分中心和监控站。由于监控站不直接对污水处理厂的外场设备进行直接控制，因此工程界按照系统结构的划分把监控系统划分为信息层、控制层和设备层。

第一层为信息层，主要负责大量信息及不同厂家不同设备之间的信息传输，工业以太网Ethernet为目前较常用的一种信息网络，世界各大PLC生产厂商均支持工业以太网，并且他们在原有TCP/IP的基础上，相继开发出实时性更高的工业以太网，如欧姆龙和罗克维尔支持的Ethernet/IP，施奈德支持的Modbus-TCP/IP以及西门子支持的ProfiNet等。由于Ethernet的信息量大，因此在污水处理厂自动化系统中以太网主要用于各个控制分站与监控中心的数据传输，包括各种传感器数据等大量历史数据信息。

第二层为控制层，主要采用现场总线组成隧道区域控制器网络，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便的挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。目前，现场总线有40多种，在污水处理厂自动化系统中应用的现场总线主要有ControllerLink、LonWorks、Inetrtbus、Profibus、Can和Modbus.他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质，具体组网将在后面作出实例说明。

第三层为设备层，这一层用于PLC与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间的通讯，它们有DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等，其中DeviceNet已经成为工业界的标准总线而得到了广泛的应用，而Profibus/DP虽然没有成为标准，但是它的应该也相当广泛。

值得指出的是，近来年以太网的广泛应用使得人们把目光投向了现场总线上来，工业以太网是否最终将取代现场总线仍然是一个争论的话题。然而，不论是Ethernet/IP还是Modbus-TCP/IP，以太网在一些重要的性能指标上仍然无法具有现场总线的特点和优势。从本质上来讲，以太网的载波帧听冲突监测CSMA/CD的访问方式，实时性并没有现场总线采用的令牌总线和令牌环的访问方式高，不论人们采用何种方式，如协议封装、分时访问控制等，都只能改善以太网的实时性，起不到本质的改变。在当前技术还未完全成熟之前，现场总线应用于控制层，是一个积极和稳妥的选择。随着以太网技术的不断发展，今后其取代现场总线而用于控制层也是很有可能的。

监控分中心及上位监控软件：

监控分中心一般将设置多台SCADA工作站（工控机）。分别用于水厂调度系统、加药间（加氯间）、滤站、送水泵房等监控，完成污水厂内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，监控分中心还将设置了多台服务器，为其它计算机提供支援和与监控总中心进行通信。

PLC的选择：

施奈德（Schneider）、西门子（Siemens）、欧姆龙（Omron）、罗克维尔（Rockwell）、通用电气（GE）是全球五大PLC制造厂商和整体方案的提供者，他们的产品面向各自不同的领域，其中在污水处理自动化系统的应用方面，又以罗克维尔、欧姆龙和施奈德的应用最为广泛。

污水处理自动控制系统对PLC的性能提出了更高的要求，作为污水处理自动控制系统的核心控制器，其必须具备以下几大功能特点：首先本身必须稳定可靠，并具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力；其次，控制分站本地控制器可以独立承担控制分区的基本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换数据信息；再次，当某控制站的控制量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的控制对象，比如泵或者加药系统等做出相应的调整。因此，它必须至少有如下功能模块，数据采集存储处理功能（实现集中和独立工作方式，尤其是在独立控制时能与相邻控制器实现数据交换）；通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）。

必须综合考虑整个监控系统的性能要求和自然条件以及运营周期对设备的要求进行选择，尤其在极端气候和恶劣环境状况条件下或较大规模的污水处理厂，需要选择性能更好的双机热备冗余的PLC，如Schneider的2Quantom系列、Rockwell的2ControlLogix、Omron的CS1D系列、Siemens的S7-417系列；区别在于Omron的双系统是在一个底板上实现，而Siemens等是两个底板通过光纤连接，会在一定程度上占用控制柜的空间，但他们的配置都很灵活，可以任意实现双CPU双电源、双CPU单电源、单CPU单电源多种冗余结构。

在一般的环境状态的时候或较小规模的污水处理厂，多采用标准的机型作为现场控制器，如Schneider的Quantom140系列、Rockwell的ControlLogix、Omron的CS1系列、Siemens的S7-400系列等；他们都支持工业以太网和多种现场总线，控制方式采用远程带CPU的智能分布式结构，系统开放性和兼容性强，丰富的I/O及高功能模块，完全满足污水处理自动控制系统对信号处理的要求。

三、应用案例

下面以天津咸阳路污水处理厂为例[3]，具体说明污水处理厂自动控制系统的组成，控制系统拓扑图如图一所示：

信息层：咸阳路污水处理系统因其分布面积较大，厂区内共有5个PLC分站：预处理系统分控主站PLC1、生物处理系统分控主站PLC2、污泥处理系统分控主站PLC3、出水及雨水系统分控主站PLC4和污泥消化系统PLC5，使用的CPU均为OMRON的CS1H-CPU66H.该功能层实现污水处理厂各单元过程所有过程参数、设备运行状态及电气参数的数据采集，单元过程及设备的控制，并通过OMRON网络模块CS1W-ETN21，和中央控制室通过赫斯曼太网交换机，组成100M光纤以太环网，向监控层传送数据和接受监控层控制指令。在中控室中，作为工业以太网结点的系统数据服务器、两台工程师/操作员站计算机、打印机、UPS电源及监视屏等设备，其主要职能是进行系统中的信息交换与信息显示及控制。该层通过上位监控软件实现对主要工艺设备的控制和调度，对污水处理全过程中的工艺参数进行数据采集、监控、优化和调整，对主要工艺流程进行动态模拟和趋势分析、实时数据处理和实时控制，在控制组态上实现各种常规与复杂的优化控制、专家控制、模糊控制等先进的智能控制。同时，功能强大与稳定的实时和历史数据库亦通过以太网成为上下层间的信息通道。污水厂中控室控制站还通过RIAMBView和信息中心、便携计算机及厂外泵站（咸阳路泵站、密云路泵站）等处进行远程通讯，RIAMBView具备远程数据服务（最适合SCADA）功能，通过宽带接收或发送相关数据，实现远端对部分实时画面、进程数据库的访问。

此外厂长办公室计算机和数据库服务器组成的局域网即构成了厂区管理层。通过关系数据库和相关的管理软件，为决策者提供了各项生产及运营的调度管理所必须的信息平台。该层和过程监控层，与Internet接轨但有着较高的网络安全防护功能，仅授权的用户等级可对进程数据库进行访问。

控制层：控制器网络（ControllerLink）是建立在一种令牌总线或者令牌环网络通讯协议上的通讯机制，它通过PLC上的CLK模块与其它站PLC上的CLK模块或计算机上的板卡相配合，在板卡之内建立一个数据交换区。该网可以采用双绞线通讯电缆或者多模光缆通讯，线缆其最大通讯速率为2M，最大距离达1km，光缆通讯速率为2M，最大通讯距离为30KM.本系统中，预处理系统分控主站PLC1包括进水泵房、沉砂池，同时通过控制器网络总线串接到其下三个初沉池、初沉污泥泵房分站（PLC1-1、PLC1-2、PLC1-3）；生物处理系统分控主站PLC2包括：鼓风机房、加氯间，同时通过ControllerLink总线串接到其下五个二沉池、曝气池、回流泵房分站（PLC2-1、PLC2-2、PLC2-3、PLC2-4、PLC2-5）。所有控制器网络子站所用CPU型号均为CS1H-CPU44H.

污水处理流程中的各检测仪表均为在线式智能仪表，变送器均带有数字显示装置并通过可编程序控制器（PLC）的接口传送标准的模拟、数字信号。

系统特点：

1、高可靠与高稳定性：环形冗余以太网方案的出现则保证了系统更高的可靠性，单一点的链路中断不会造成网络通讯的中断；而控制器网络作为OMRON专用的，能在CS系列PLC或上位工控机之间建立灵活方便的传送和接收大量数据的工厂自动控制网络，与自控系统在通讯方面有极高的稳定性。充分体现了集中管理分散控制的原则，也保证了高可靠与高稳定性。与此同时，omron基于工业以太网的FINS（FactoryInterfaceNetworkService）通讯服务（FINS通讯服务功能），即使在通讯负担较大的环境下，仍可保持高稳定性的通讯效果。除网络部分外，自控系统通过下列技术与工程措施，也确保了系统的长期稳定可靠运性：整个系统选用符合工业级标准的成熟定型产品；PLC模块具有自诊断（检错）与容错功能；PLC控制柜内具有完善的抗干扰及防雷等技术措施；中控室及现地控制站设备均具备供电冗余功能；即使在上位机发生故障或通信中断时，现地控制站亦可以在手动模式下独立完成基本局部控制；

2、高扩展性：工业以太网具有向下兼容性。对于双绞线或光纤介质，如果将传输速度从10Mbps提升到100Mbps，在大多数场合不需要改变现有的布线，只需更新网络设备即可。同样，如果将本系统主干网从100Mbps以太网提升到千兆以太网，只需升级网络传输设备，而无需重新铺设光缆；

3、开放性：系统对用户是开放的。设备的增减、控制方案的选取、系统的扩缩与维护等，用户都可以在广泛的设备环境下便利地自己完成。所有硬件接口，软件协议全部按开放性的标准设计、编制。此外OMRON串行口的协议宏功能，使得开发方不需要编写专门的通信程序与第三方设备进行通信，原则上OMRONPLC能和任何带RS-232C，RS-422或RS-485接口的设备进行通信。

4、操作的实用性：组太软件和编程软件都是全中文界面，丰富的图画功能，使用户清晰的了解污水处理厂各工段的运行情况，故障报警点的分支细节，使操作员仅通过鼠标便可各种指令或换画面；用户还可通过上位机的网络访问网络内任一节点的数据，梯形监控工具亦可以监控工业以太网甚至控制器网络内各站PLC梯形图程序，而不需要现场操作，实现真正的无缝连接。

四、结束语

当时我国污水处理厂自动化系统的设计和实施正处于一个成长的时期，系统的需求、设计、结构以及系统的控制仍然存在不完善的地方，同时技术的发展也给污水处理自动化系统的改进创造了条件和基础，也使建设合理的监控系统成为可能。

从系统的需求来看，一方面要兼顾系统的稳定、可靠与可控，也要反映系统的先进、经济与可扩展，同时也要使操作便捷与维护方便；另一方面，针对不同的区域条件和功能要求确定系统的规模和冗余度的大小，确定系统的合理集成方式、系统网络的构成与拓扑结构形式以力求系统的可靠性、稳定性、先进性与经济性的有机结合；从系统的设计来看，除考虑系统的规模和设计方法外，也要考虑新技术的应用，使整个系统既先进又实用；从系统的结构来看，当前我国普遍采用三级污水处理厂管理和分布式现场总线控制方式，事实上，主从式结构的现场总线如Profibus，由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总线控制，采用对等的自愈网络是今后的一个发展趋势；从系统的控制来看，当前我国污水处理厂监控存在着只监不控，或监强控弱的现象，各种控制信息没有得到很好利用，对于污水处理厂控制，要针对不同现象，采用不同的控制方法。

今后我国的污水处理厂监控系统的发展是，在原有基础上，按照监测与控制适当分离、最大限度的集中监测、灵活机动的现场控制的总体思想，逐步改进，使得污水处理厂自动化系统的建设更趋合理。

参考文献：

[1]乔丛等，关于国内污水处理及CASS工艺自动控制技术的初步探讨，仪器仪表标准化与计量，2007.3

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关键词：污水处理；提升；泵自动化；控制系统

中图分类号：U664文献标识码： A

前言

自来水生产过程中，沉淀池排泥、滤池冲洗等工艺会产生大量污水。过去，通常对这些污水做直接排放处理。随着环保要求的提高，以及水资源成本的不断增加，越来越越多的水厂建立了污水处理系统，对生产过程产生的污水进行回收利用， 根据笔者的调研，我国目前超过半数的城镇自来水厂的污水处理都依赖于观察法，依靠工人手动调节，很难实现完全自动化处理。污水处理不能完全自动化，一方面降低了污水处理的效率，造成了水资源不能充分利用；另一方面也容易对自来水厂供水的水质造成影响。

一、、子站自动控制系统

污水泵站的工艺流程大致相同，均为：地下管网污水泵站格栅机滤渣污水集水井提升泵房经过多级泵站提升污水处理厂。主要控制对象设备有：进出水闸门、格栅机、除污机、提升泵等。泵站自动化控制系统要求集数据采集、智能控制于一身，主要功能包括以下几个方面：

（1）、控制方式

有手动、自动两种控制方式，由控制柜上转换开关切换。手动方式由控制柜上按钮手动操作；自动方式由PLC控制。自动方式又分强制自动和遥控自动两种，也在控制柜上按钮手动操作切换，或通过主站远程控制切换，强制自动由本地子站PLC全权控制，用于通讯出故障时，独立运行。遥控自动为主站自动或手动遥控。

（2）、主要控制功能

根据集水井水位的变化控制泵的开、停。不出现低水位抽空泵，也不发生溢流；泵的开、停顺序：循环开停机，即先开先停，循环运行；分南北池的泵站，分池运行时，两池液位应能独立控制，合池运行时两池轮流开机；根据粗格栅前后时间周期和液位差控制格栅机的启停；根据需要实现闸门启闭机的控制，实现无轴螺旋输渣机与粗格栅的联动，同时实现对输渣机的工作状态的测控；最多开机台数控制：以免造成管道溢流或泵站自回流的现象，有的泵站需限制开机台数。最多开机台数在强制自动方式，由子站PLC控制，在遥控方式由主站主机控制；紧急关总闸控制：当机房发生火灾或管道破裂大量漏水等紧急情况，为防止事故扩大，主站可通过遥控方式关断泵站电源总闸。

二、污水处理自动控制管理系统的设计与实现

（1）、系统运行模式

基于以太网的远程自动控制系统，目前主要有两种系统模式，分别是B/S模式和C/S模式。

1、B/S模式

所谓B/S模式，就是浏览器/服务器模式，这种模式无需开发专用人机交互软件，借助于浏览器实现人机交互，但是服务器负荷较大。

2、C/S模式

所谓C/S模式，就是客户端/服务器模式，需要专门设计的人机交互软件，开发工作量较大，但是大大减轻了服务器的负荷，系统的稳定性有所提高。

鉴于上述两种系统模式各有优缺点，本自动化控制系统采用两种模式的结合模式，即系统前端借助浏览器实现人机交互，以此减轻整个系统的开发工作量；同时系统后台增加一台服务器，用于程序的响应与控制，将数据集中在另一台服务器上，这样既可以减轻服务器的负荷，同时又提高了系统的健壮性，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

（2）、系统架构设计

污水处理自动控制系统的架构，主要从以下三个层次进行架构设计。

1、传感器检测层

传感器检测主要布置在最低层，也就是直接利用传感器检测污水处理设备的工作状态参数以及环境参数，利用液位、流量、位移、限位等传感器采集到的数据对污水处理的相关数据进行计算，实现对污水处理工艺的自动化监测。

2、网络传输层

传感器将采集到的监测数据，利用环型以太网进行传输，传输给PLC控制器。环型以太网采用光纤结构布置，在提高网络通信实时性的同时也能够提高网络系统性能的稳定性。

3、数据信息管理层

数据信息管理层主要是通过基于windows系统开发的可视化人机交互界面实现数据信息的显示、存储、分析和打印等需求；另一方面，当数据出现异常或者机电设备出现故障时，该控制中心也能够发出报警，同时依靠专家系统给出故障诊断结论和建议。

（3）、系统软件设计

系统的软件设计，主要包含两个方面。

1、PLC程序的设计

PLC的程序设计主要是利用梯形图进行程序开发。由于选用的是西门子的S7-200系列的PLC，因此在程序设计上可以选用STEP7软件进行梯形图的绘制。

2、数据管理层的可视化程序设计

数据管理层是基于Windows实现的可视化界面，能够实现良好的人机交互。控制软件主要是利用组态软件（如西门子WinCC）设计人机交互界面，利用计算机的联网通信能力实现与PLC的联网数据交换，从而将最底层的传感器检测数据在可视化界面上显示出来，以实现良好的人机交互的目的。

三、污水提升泵站自动化控制系统控制流程

（1）、污水泵的自动控制

每个集水井中都安装了液位计和流量计等监测设备，通过这些设备可以对集水井里的污水进行监测。提升泵可以依据液位计的监测数据按照预定的方案开启泵的数量。本系统由三台提升泵、PLC、变频器及变频器切换接触器等相关电气组成。具体如下：第一，PLC控制系统，用一台变频器根据污水液位计的设置要求，通过变频器切换接触器对三台提升泵电机分别进行软起动、运行或停止。并控制变频器的频率以调整水泵转速，进行污水流量的控制；第二，从低位设置到高位设置阀值分别是：1、停止所有泵的设置点，在这个液位以下所有的泵都会立刻停止运行；2、低液位设置点，再这个液位以下就会出现报警，并停止一些泵的运行；3、启动第二台泵的设置点；4、随后是启动第三台泵的液位设置；5、以及高液位使得设置点，当污水高出这个液位时，系统就会发出高液位的警报。第三，通过变频器软起动提升泵电机，延长了水泵的使用寿命，减少了对电网的冲击。同时在PLC的控制下进行泵的自动轮换开启调控，在泵运行一定长的实际后，就会根据系统的设置停止运行，从而开启另外一台泵，保护泵的寿命，保证泵站的安全运行。第四，故障信号的识别控制，PLC可以自动识别警报和故障，进而更加情况开启或者停止泵的运行。第五，采用手动开启泵时，PLC根据手动功能按钮操作进行单泵或多泵的起动、运行和停止。

（2）、格栅的自动控制

格栅前后也安装了超声液位计，从而准确的识别栅格前后的位差；格栅机根据前后液位差或设定的运行时间与运行周期自动运行，时间和周期均可根据进水杂质情况调整。具体如下：第一，PLC控制系统，可以根据时间设定和液位差来进行栅格的开启或者停运。第二，栅格根据时间模式的设置来运行，当一天栅格运行时间达到设定值，就会自动停止，并启动这台栅格的下一次工作周期。栅格停止时间达到预设时也是相同。第三，液位差大于预设时，PLC就启动栅格，相反，就停止栅格。

（3）、出水电动阀门控制模式

PLC自动控制模式下，操作员站或就地操作下达开、关阀指令。

四、运行状态和分析

污水处理厂污水提升泵站采用一只变频器通过切换接触器分驱动三台提升泵电机，减少了自动化系统的成本，降底了运行功率。自动化控制以来，具备良好的运行状况。为污水处理厂科学管理、决策、调度打下了坚实的基础。不仅大大的提高生产力，减轻了值班人员的工作强度，还为管理人员提供了科学可靠的相关管理数据依据。

五、结语

总而言之，污水处理关系到国计民生，污水处理厂污水提升泵自动控制系统是污水处理中的重要部分，为了更科学、高效、稳定的管理及运行污水处理泵站，建设智能化的泵站系统，随着污水处理厂自动化系统的不断升级，不断完善，污水提升泵站自动化系统也成为污水处理厂进行自动化升级的发展趋势，污水提升泵站自动化控制系统的优势越来越明显，泵站自动化控制系统必将在未来的污水提升泵站控制领域得到广泛应用。

参考文献

[1]于凤臣.污水处理中自动控制系统设计[J].科技资讯，2011(4)．

[2]应劭霖.基于PLC的污水处理自控系统研究[D].江西农业大学，2012.