滨海水厂自动化控制系统设计方案 叶万青 2004年8月27日

摘要： 关键词：中小型PLC 水厂自动化控制系统

滨海水厂自动化控制系统设计方案目录 前言 第一章 水厂自动化控制系统的发展现状； 第二章 生产工艺和控制要求； 第一章 水厂自动化控制系统的发展现状； 第二章 生产工艺和控制要求； 第三章 自动化控制系统的设计： 1.1对药剂的制备与投加的控制； 1.2对沉淀池虹吸吸泥机的控制； 1.3滤池自动化控制系统； 1.4恒压供水系统。 第四章 相关小型PLC的介绍与说明； 结束语

前言 随着科学技术的发展和人们对生活用水品质要求的不断提高，通过近几年来对水厂运行控制模型经验和控制参数的积累，水厂控制设备和检测仪表品种的丰富和可靠性大大提高，供水系统自动化控制技术在分散控制、集中管理系统上日益成熟，滨海水厂自动化改造将成为必然趋势。滨海水厂为年供水量在1500万立方米的小型水厂。主要负责大港油田的生产生活用水的供给，本文仅作为笔者对滨海水厂自动化控制系统建设方面提出的一点建议，以供参考。

第一章 水厂自动化控制系统的发展现状 水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直到九十年代，随着可编程序控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方便以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为：由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破，取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由功能划分改为以距离划分，可在中控室内监视水厂运行的全过程。

第二章 生产工艺和控制要求 1.1 滨海水厂采用工艺流程： 主要分为以下几个工艺过程如图1所示： 图1 滨海水厂工艺流程图 药剂的制备和投加 第二章 生产工艺和控制要求 1.1 滨海水厂采用工艺流程： 主要分为以下几个工艺过程如图1所示： 药剂的制备和投加 滤后加氯 混凝剂 前加氯 原水 供水管网 取水 混凝 平流沉淀 过滤 清水池 二级泵房 图1 滨海水厂工艺流程图

2.2 水厂的控制要求： （1）取水：将滦河水抽入净水厂； （2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的； （3）混凝：包括混合与絮凝，即滦河水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥； （4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥； （5）过滤：沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂； （6）送水：通过多台离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网； 2.2 水厂的控制要求： （1）、出厂水浊度小于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保证水质水量的同时，要求低药耗、低氯耗和低电耗； （2）、滤池要求采用恒水位运行，水位偏差不能大于±2.5cm，要能根据水头损失或运行周期自动进行反冲洗，且同一时间内只能有一个进行反冲洗；

第三章 自动化控制系统的设计 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，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，构建人机界面进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2示。

图2 全厂控制网络图 取水 上位机 Controller Link RS232 光纤 沉淀、滤池 上位机 光中址 C200HG 转换器 …共4台 …共7台 RS232 RS232 …共8台 中继器 Srpam 2000 Srpam 2000 CQM1H CQM1H C200HG C200HG C200HG AL 001 AL 001 CPM2A CPM2A RS232 电台 高压配 电设备 二期滤池控制 加药 上位机 送水 上位机 泵机控制 冲洗设备及一期滤池控制 Controller Link 中控 上位机 …共8台 RS232 RS232 C200HG C200HG C200HG C200HG 电台 CPM2A 电台 CPM2A RS232 RS232 加药设备控制 转换器 转换器 RS422 RS422 一、二期平流沉淀池吸泥机控制 …共13台 …共8台 Srpam 2000 Srpam 2000 RS232 RS232 AL 001 AL 001 CPM2A CPM2A 高压配 电设备 泵机控制 图2 全厂控制网络图

在取水及送水工艺段上，主要设备由多台离心水泵和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(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。对于沉淀池吸泥机的控制，由于吸泥机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2.4G~2.4835GHz，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Controller Link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。

1.1 对药剂的制备与投加的控制 1.1.1 自动加药控制： Primus227系列 机械隔膜计量泵 水厂在保证出厂水质的条件下降低药耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加药自动化控制，至今尚无行之有效的方法。经过多年运行的经验，滨海水厂已得出了一系列适合自身加药控制重要参数，其中流量比例可作为加药控制的主要参考依据，基本可以达到在保证水质的同时降低药耗的目的。 Primus227系列 机械隔膜计量泵

1.1.2 自动加氯控制： gs1401加氯机 DEPOLOX 3 plus 余氯分析仪 利用液氯杀菌是目前生产自来水的主要消毒手段。在工艺设计上，一般设前加氯（原水）和滤后加氯（滤池出水）两处加氯点。目前的加氯量控制方法： 前加氯通常采用流量比例控制加氯量； 滤后加氯采用流量比例、余氯反馈“复合环路”控制加氯量；滤后加氯是自来水消毒处理的主要环节，但由于在水中投加氯后，需要在清水池内至少有30分钟以上的接触时间，才能达到比较好的杀菌效果，也是一个滞后控制。为了解决滞后控制问题，将滤后加氯检测取样点移到清水池前，一般距加氯点10D（D为管径）。 gs1401加氯机 DEPOLOX 3 plus 余氯分析仪

1.2 对沉淀池虹吸吸泥机的控制： 以往常规的控制方法是，将吸泥机的运行状态及故障信号全部采用点对点方式送入PLC，PLC对它的控制信号也采用硬接点方式。这样一台吸泥机就有十几个DI/DO点，而吸泥机是一直在沉淀池上移动的，这就需要大卷的移动电缆或多极滑导，在室外环境下这些信号的传输不可能长期稳定，会引起误操作。滨海水厂每座沉淀池上都设有两台吸泥机，两座沉淀池共有四台吸泥机，并采用在吸泥机上设置一台小型PLC的方式，吸泥机受小型PLC控制，仅将吸泥机的运行、故障状态通过滑导送到加药分站内的主控PLC。这样，吸泥机的运行不会受错误信号的干扰，中控室又可以知道吸泥机的运行情况，如发现吸泥机故障，可立即派人员去维修。

1.3 滤池自动控制系统： 滤池是水厂关键的组成部分，也是控制最集中的地方。为了保证水厂净水工艺这一关键部位能正常运行，局部出现故障后不会因为某个阀门的损坏而影响整个滤池的自动运行及调节，我们在滤池上设置了多个小型PLC，每两格滤池由一个小型PLC控制。这样，某一部位的阀门等设备出现故障后，只会影响一个小型PLC，仅会使两格滤池退出自动运行状态，等待维修，而其余大部分滤格仍可正常自动运行。 1720D低量程浊度控制仪

1.4恒压供水系统： 恒压供水系统原理如图7所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及6台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。 通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。 同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#、5#、6#。

图7 恒压供水系统原理图 I/O I/O I/O I/O PLC控制器 PLD I/O I/O I/O I/O TC时间控制器 自动/手动 钟控允许 报警 I/O I/O I/O I/O PLC控制器 变频器 给定压力 PLD I/O I/O I/O I/O 压力传感 变频/工频 液位变换 备用选择 供水管网 1#泵 2#泵 3#泵 4#泵 5#泵 6#泵 液位电极 复位 下限 1#电机 2#电机 3#电机 4#电机 5#电机 6#电机 池底 图7 恒压供水系统原理图

1.4.1 工作原理 （1）运行方式 该系统有手动和自动两种运行方式： A、手动运行。按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-6#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。 B、自动运行。合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。 （2）故障处理 A、故障报警。当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。 B、水泵检修。为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次～96小时每次连续可调。

1.4.2 PLC控制系统 该系统采用的是欧姆龙可编程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。 FRENIC 5000P11S 变频器

图9 泵组切换示意图 图例： 1#泵启动： 2#泵启动： M1 M1M2 M2 M6M1M2 M1M2M3 M6M1M2M3 M6M1 6#泵启动： 3#泵启动： M5M6M1 M2M3M4 M6 M3 M2M3M4M5 M4M5M6MI M3M4M5M6 M5M6 M3M4 M4M5M6 M3M4M5 5#泵启动： 4#泵启动： M5 M4M5 M4 图例： N台泵运行切换到N-1台泵运行 M4 4#泵变频运行 N台泵运行切换到N+1台泵运行 M4 4#泵工频运行

泵组的切换示意图如图9示。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，如水压仍不满足，则依次启动4#、5#、6#泵，具体泵的切换过程与上述类同。 同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。 要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意： A、 变频转工频开关切换时间TMC 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。 B、上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。

1.4.3 恒压供水系统效果分析 在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；同时针对所用四台泵均已使用多年、需要定期进行检修的实际情况，增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质；变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。

第四章 相关小型PLC的介绍与说明 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点数达1184点，程序容量15.2K,指令执行时间为0.15μS~0.6μS,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10~60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、Controller Link 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。由于采用了分布式控制技术，可确保Controller Link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 Protocol 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。

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，满足滨海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。 水厂自动化控制系统的设计发展很快，需要我们不断地学习和研究。相信在不远的将来水厂自动化控制系统的设计会更加合理，更加完善。 由于本人水平有限，设计中一定存在许多不足，希望老师和同学们批评指正。