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引言
随着城市现代化建设的发展，环境保护、生活用水的要求更高了。以前老式水厂的人工、半自动水厂控制系统已经远远不能满足现代化生活和企业运作的需要，先进的计算机控制技术应运而生。通过先进的自动控制系统，可实现对水厂制水、污水处理、水软化、送配水等工程运作的监视和控制。以计算机技术为基础，辅以可编程控制器（PLC）组成分布式集散系统对水厂实现了全过程自动化和现代化管理。技术先进、设备可靠、运行稳定，tigao了供水质量，节约了人力，降低了成本。
通常水厂的处理工艺流程如下图1：
图1 水厂的处理工艺流程
为保证供水系统的安全可靠运行，达到优质供水节能降耗的目的，本文基于国内华南地区某大型水厂的实例，结合上面水厂的处理工艺流程，提出了一套基于罗克韦尔自动化产品及系统的水厂自动控制系统。
2 系统阐述
按照通常水厂的工艺实践，我们将取水和排污放在同一个取水分站控制，而混凝、反应、沉淀和消毒放在加药分站控制，过滤在滤池分站控制，送水在送水分站控制。
2.1系统构成
控制系统（图2）采用PLC+PC的监控方式，设置一个中心控制室主站与4个PLC控制分站（取水分站、加药分站、滤池分站和送水分站），有的现场分站下还挂有控制子站。控制子站与现场分站之间通过DH485总线形式通讯，现场分站之间以及现场分站与中心控制室主站之间以ControlNet形式通讯，中心控制室内的各计算机则通过高速以太网通讯。现场设备的控制分为手动与自动两种控制方式：手动时PLC监测设备的运行状态；自动时，PLC监控设备的运行。在自动状态下，现场分站还具有本站与远控两种控制方式：当处于本站控制方式时，现场分站PLC可以监控设备的运行，而中心控制室只能监测设备的运行状态；当处于远程控制方式时，中心控制室可以监控设备的运行。
图2 水厂自动控制系统框图
2.2 系统各站主要配置和功能
2.2.1 厂级控制层
（1）主控服务器计算机两套，以互为热备用方式工作，完成计算机监控系统的管理。
（2）操作员工作站设两套，每套工作站带两个显示器（双屏），两台工作站互为热备用方式，一台用于监控，一台用于监视。当监控工作站因故退出时，监视工作站可自动或手动升为监控站。采集到的数据送服务器、模拟屏和总厂的数据库系统。
2.2.2 现场控制层
厂房内设有四套分站控制单元，采用罗克韦尔的PLC-5/40设备。各分站控制单元分别完成各自监控对象的数据采集及处理，并向网络传送数据，接受上位机的命令和管理。单个控制分站具有独立的控制、调节和监视功能，配有键盘和监视器。当与上位机系统脱机时，仍可进行必要的控制调节和监视。分站控制单元由工控机和PLC及远程I/O等设备组成。整个系统的主计算机、分站控制单元及各辅助设备均通过罗克韦尔自动化的ControlNet网连接通信。
（1）取水分站
取水分站下挂两个子站，分别对取水吸水井上的格栅除污机进行控制，并接收吸水井上的仪表信号。吸水井上没有采用传统的差压检测仪，而是采用带有两个超声波探头的水位检测仪。该检测仪即可以检测吸水井格栅前后两个水位值，也可以将两个水位值作差值计算，输出水位差值。除污机的开停可以由水位差值来控制，也可以根据设定的时间周期来控制。格栅前后的水位差如果超过上限值，报警。
取水分站的主要控制对象除了吸水井以外，还有原水虹吸管抽真空系统，取水泵抽真空系统，取水泵，排水泵房及变配电系统。其中取水泵抽真空系统为进口设备，常保抽真空方式，它具有一套独立的控制系统，使取水泵内始终保持充满水的状态，设计中我们只将事故信号送至取水分站。将清水池水位信号送至取水分站用于控制取水泵的开停台数。
取水分站所检测的仪表信号有原水浊度、PH值、温度、清水池水位、取水吸水井水位及取水泵与电机温度、出口压力。
（2）加药分站
加药分站下挂两个控制子站，分别对设在近期和远期冲洗泵房的 用于加氯、加氨用的增压泵进行控制。
加药分站的主要控制对象除了增压泵以外，还有加矾系统、加氯系统、加氨系统、反应池排泥系统及配电系统。
加矾系统采用的是流动电流法混凝投药控制系统。在管道混合器后取样送入流动电流传感器即SCD中检测，作为反馈环节。在加药间内设置一台多功能控制柜，接收SCD输出的4~20mA信号和原水liuliang信号，经数据处理后控制计量泵的冲程与频率，从而调节加矾量。SCD设定值则根据待滤水浊度确定，这个设定值不是一个定值，它需要经过长期的生产实践经验和实际情况确定。
加氯系统包括前加氯与后加氯系统。前加氯是根据原水liuliang按比例投加；后加氯则根据滤后水liuliang进行投加，清水池余氯信号反馈调整。
加氨系统根据滤后水的加氯量按比例投加，一期没有安装。
反应池排泥系统具有现场手动和根据时间周期自动排泥两种控制方式。
加药分站所检测的仪表信号有：原水liuliang、待滤水浊度、清水池余氯、滤后水liuliang、SCD检测值、矾液池液位、计量泵出口压力及liuliang
（3）滤池单元
滤池分站的主要控制对象有平流沉淀池、气水反冲洗滤池、反冲洗泵、鼓风机、空压机及变配电系统。
滤池分站下挂10个单格滤池控制子站。每个控制子站控制一格滤池的过滤与冲洗。每格滤池装设一台超声波水位检测仪，用于控制该格滤池出水阀门的开度，使滤池在恒水位条件下工作。滤池的反冲洗可选择两种控制方式：单格滤池一步化控制和按过滤周期控制。滤池的冲洗程序为三段式冲洗：气冲、气水混合冲、水冲。在反冲洗泵、鼓风机房内共装设了三台冲洗泵，三台鼓风机，均为两用一备。气冲时两台鼓风机运行，气水混合冲时再加一台冲洗泵，水冲时仅两台冲洗泵运行。试运行期间，气冲时间为2分钟，气水混合冲时间为2分钟，水冲时间为6分钟，这些时间参数均为可调参数，通过长期的生产运行经验确定一个佳参数。
滤池分站所检测的仪表信号有：冲洗泵、鼓风机出口压力、滤后水浊度。
（4）送水分站
送水分站的主要控制对象是送水泵、送水泵抽真空系统、出厂水及变配电系统。
送水泵抽真空系统与取水泵相同。送水泵的开停台数由公司调度室发信号给中心控制主站，由中心控制主站给出开停泵信号，由送水分站PLC完成水泵开停过程。送水吸水井水位开关则控制送水泵全开全停及报警。
送水分站所检测的仪表信号有送水泵出口压力、送水泵及电机温度，出厂水压力、liuliang、PH值、浊度和余氯值。
2.2.3设备控制层
本层包含了虹吸、碳水、增压、加矾、滤格等14个小控制箱，采用的罗克韦尔的SLC5/02设备。所有这些辅助设备都直接挂在A-B的DH-485工业局域网上。各个设备之间可独立运行，也可通过网络接受命令并进行相应处理。该局域网所有的主机和站点都可以共享辅助设备的信息，所有设备的工作情况等信息都可以时间显示在上层的主机监控画面上。
3 系统配置及特点
系统的PLC软硬件都采用了罗克韦尔的产品，通讯软件采用RSLinx，梯形图编程软件采用RSLogix5和RSLogix500，人机界面采用Rockwell的RSView32来完成数据采集、记录、操作监控等任务，操作系统采用bbbbbbs中文NT系统，设置了用户安全管理体系，只有通过正确的口令和用户名才可能成功登录，系统软件自身采用实时数据库系统来进行分析和管理，数据库系统选用微软的SQLServer2000产品。
软件的各个功能块如下：
3.1 监控画面功能
（1）监控系统运行状态画面
画面显示监控系统继PLC和测量装置及主控工作站的工作状态和参数。
（2）电站所有需要监测的各种参数的实时和历史曲线图、棒型图画面。
（3）各种运行和管理报表及表格画面。
（4）水厂的平面图、动画等显示。
3.2数据采集和处理功能
系统可自动实时采集和处理来自各现地控制层及调度系统的数据。主要包括：机所有工作分站及子站的电气模拟量、非电气模拟量、脉冲量、开关量的采集，对这些数据进行处理和分析，处理后的数据以一定的格式存入实时数据库，形成实时数据库和历史数据库，以备系统调用和随时查询，并对监视的模拟量、开关量、脉冲量进行统计分析计算（含变位、越限等）作为历史数据存入历史数据库，并作为报表输出的主要数据来源。当出现异常事件记录和出现事故时，计算机监控系统根据目前的情况自动进行处理。
3.3 综合参数统计、计算与分析功能
计算机监控系统根据实时采集到的数据进行周期、定时或召唤计算与分析，形成计算数据库与历史数据库，帮助运行人员对水厂设备的运行进行全面监视与综合管理，可及时发现故障征兆，tigao单元运行的安全性。对现成的计算数据列出作为实时数据处理，存入相应的实时数据库和历史数据库，进行越限报警、启动相关处理程序等操作。
3.4 安全运行监视及事件报警功能
（1）主要设备安全运行实时监视
计算机监控系统可以使运行人员通过主机兼操作员工作站显示器屏幕对全厂主要设备运行状态和运行参数进行实时监视，包括状态变化监视、越限检查、过程监视、历史趋势分析和监控系统异常监视。
（2）事件报警
故障报警记录
计算机监控系统周期性扫描故障信号，故障发生时，立即响应并处理，记录故障发生时间（时、分、秒）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印故障报警语句，发出声光报警信号，按故障发生的先后次序排列，形成故障记录并存入数据库。故障记录表格为故障汇总记录表，可供值班人员查寻，并定时打印，也可召唤打印或显示。
参数越限、复限报警记录
计算机监控系统在设备运行参数超越其限值时，立即报警，越限值恢复正常值时，进行复限提示。参数越、复限时，记录发生时间（时、分、秒）、参数名称、参数值勤等信息，并显示打印故障报警语句，发出音响报警信号，形成全厂参数越看待线记录并存入数据库。
事件顺序检测
单元现地LCU自动检测本单元所监视的设备、继电保护和自动装置的动作情况，当发生状态变换时，对于事故信号自动产生中断，检测事件性质、发生时间，并顺序记录，上送电站控制层，计算机监控系统立即响应中为信号，记录事故发生时标（时、分、秒、）、动作设备器件名称、事故内容等信息，并显示、打印事故报警语句，发出声光报警信号，按事故发生的先后次序排列，形成事件记录并存入数据，可按设备进行搜索记录。
单元开、停机过程监视
单元开、停机时（命令发出），计算机监控系统自动推出相应单元的开、停机过程监视画面。画面包括：单元编号、自动/手动标记、开（停）机条件、用流程图表示的开（停）机步骤、每步操作的时间及总时间。实时显示全部开、停机过程中每一步骤及执行情况，并按设备实际动作状态自动改变步序框的颜色，以区分已操作、正在操作、待操作及操作受阻部位。并提示在开、停机过程受阻的受阻部位的原因，进行开环运行指导甚至闭环自动控制操作。
4系统的智能性分析
自控系统的实用性实际上要求系统有较高的智能度或容错能力。开发大型的专家系统是比较困难的，但可以将平常的运行经验加入控制程序中，即加入若干个智能点。譬如可以通过出口压力信号或电机电流判断反冲洗水泵是否出水(因离心水泵空转时的电流比正常运转时的电流小得多)；又如当程控打开某滤池的排水阀时，其全开行程开关未动作，但此时滤池水位突然下降，由此判断排水阀已打开而不必终止程序执行。这些智能点的加入使系统的适应能力大大tigao，PLC通过分析有限的信号量可以发现被控设备的故障。再譬如，可以通过计算液控蝶阀前后补油的时间间隙来判断其是否漏油，这种将运行人员经验化为智能控制的方法是传统继电控制或单回路调节仪表所无法比拟的。
5过程控制及远程手动操作
水厂过程控制(如对加氯、加矾、恒水位控制等)具有惯性大、纯滞后时间长等特点。理论证明，对于具有Ke
对于惯性大、纯滞后时间长的系统采用手动控制是很有效的，一个熟练的操作工人并不需要频繁的操作就能将余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通过网络进行手动操作，则该方式至少可以作为自动控制的一种后备或补充，使系统更加可靠、实用。这里的关键问题是怎样实现两种控制方式的方便切换。好的方式是直接利用PLC提供的PID指令进行控制，这样一方面可取消仪表的PID控制器，大大节约了费用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地实现自动和手动控制的无扰动切换，利用上位电脑的图形界面，值班工人可以很方便地执行这些操作。
1引言
石家庄润石水厂于1996年竣工投产，总设计日供水量30万吨，是90年代自动化程度很高的地表水厂。水处理工艺过程主要包括：取水、加药混凝、沉淀、过滤、加氯消毒、送水六个主要环节。
润石水厂的PLC采用的是美国SQUARED公司的产品，随着运行时间的增加，电子器件逐渐老化，故障率越来越高，并且由于当今电子技术的迅猛发展，现有自控设备已逐渐被淘汰，库存备件逐渐减少，备件价格越来越昂贵、供货周期不断加长，我们针对水厂制水过程的特点和对控制系统的功能要求，并根据该厂的具体情况，终决定采用罗克韦尔自动化的系列PLC和基于客户/服务器HMI组态软件RSViewSE 进行水厂可靠性的tisheng。
2 现场控制站及各自实现的功能要求
根据水厂生产工艺及设计要求，共有6个主PLC控制站，9个子PLC站构成控制系统，全部采用了罗克韦尔自动化的系列PLC，通过CONTROLNET与中控室进行通讯。
(1)取水管理站（PLC1）
用于取水管理站的工艺参数、设备状态的采集，根据工艺要求控制预加氯，通过无线通讯系统与水厂中控室通讯。
(2) 药物投加、沉淀池系统（PLC2）
现场仪表数据、设备状态的采集，控制投药系统、配药系统和沉淀池排泥阀。根据进水liuliang、原水浊度、温度进行加药系统的比例投加。
(3)滤池、加氯系统（PLC3）
自动完成滤池过滤与反冲洗过程控制，负责加氯过程的监测和控制。
(4)送水泵站（PLC4）
用于送水泵房、出水管线的工艺参数、水质参数、设备状态的采集，根据工艺过程要求对6台送水泵、出口阀、liuliang计等设备进行控制。
(5)中控室（PLC5）
通过系统网络通讯，采集接收各现场控制站检测到的主要工艺设备状况及报警信号，实现对各控制站点设备的远程控制。
(6)变配电系统（PLC7）
采集现场设备状态提供高压报警信号
(7)9个子PLC站
滤池PLC3A-3H：8个子PLC负责控制滤池的设备及现场数据采集
废水处理子PLC：实现污泥处理的自动运行
3 控制系统构成
3.1控制系统硬件
图1 润石水厂自控系统拓扑图
从图1看出，整个控制网络根据系统不同功能层次采用三种通讯方式。厂区主干网即6个主站PLC之间以及主站与子站之间通讯均采用ControlNET冗余网络（A、B两条并行网线），6个主站采用Contrologix系列PLC,8个滤池子站PLC及脱水间PLC采用Compactlogix系列PLC。，通过各自槽架上的ControlNET通讯模块1756-CNBR相连接（对于Compactlogix系列PLC，直接与CPU模块1769-L35CR连接），通讯时如果A网出现故障系统可以自动切换到B，无需人工设置。为保证信号的稳定和介质的抗干扰性，在有高电压及大电流的区段（PLC4至PLC7，PLC7至PLC3）选用光纤作为网络介质。在PLC3、PLC4、PLC7之间通过6套光纤适配器1786-RPA和光纤转发器1786-RPFM实现ControlNET同轴电缆与光纤的转接。
各主站的上位机通过以太网连接。各主站配置一台光纤收发器，并通过集线器与PLC背板上的以太网通讯模块连接1756-ENBT，连接上位机。为保证整个系统的稳定及满足增加客户端需求的可能，在中控室设置一台光纤接口交换机，与各站点上位机连接，并连接位于中控室的两台服务器。
在PLC2处理器下挂的I/O机架以及PLC1、PLC3A-H的触摸屏与控制器之间通讯同样采用了ControlNET网络冗余，保证通讯的可靠性。
中控室与黄壁庄取水口PLC采用DATA-LINC的SRM6100无线通讯产品交换数据。
以太网网络通讯速率为10/100M自适应，ControlNET网的通讯速度为5M/S，Controllogix和Compactlogix系列全采用CIP协议，该协议可以在以太网和ControlNET网上无缝路由，并且传输速度不会受节点的影响，时时保持5m/s的传输速度。图2、3分别示出设备的安装现场照片。
图2 泵房PLC设备安装现场
图3 滤池PLC设备安装现场
3.2控制系统软件
中控室是整个控制网络的核心，中控室可以对各个站点（加药间、脱水间、滤站、泵房、配电室、管理站）进行控制和操作，加药间、脱水间、滤站、泵房、配电室、管理站可以在自己的控制室控制所属范围内的设备。
整个控制系统采用RSViewSE的服务器-客户端的分布式应用，中控室设置两台HMI服务器，每台HMI服务器配置双以太网卡，分别用于与HMI客户端和ControllogixPLC进行通讯，HMI服务器采用DELL商用服务器，安装bbbbbbs 2003 或者bbbbbbs 2000 Sever操作系统。图4为采用RSView SE编制的人机交互界面。
图4 采用RSView SE编制的人机交互界面
三台HMI客户端位于加药间、滤站、泵房，用于从HMI服务器获得信息或向HMI服务器写信息，在HMI服务器中断后不需要重起RSViewSE客户端软件，可以继续使用系统。三台HMI客户端采用DELL工控机，安装 bbbbbbs XP或者bbbbbbs2000操作系统。
3.3控制系统功能
(1)现场数据采集与保存
对现场水质检测仪表、各种计量仪表的数据进行定时采集，并把它们保存到创建的SQL SERVER数据库中。
(2)现场设备就地与远程控制
现场设备分就地与远程控制两种控制模式，就地控制由各站点工作人员现场控制设备的启停，远程控制由中控室人员通过屏幕操作控制或由PLC程序顺序执行控制设备。
(3)送水泵恒压供水
送水泵站有3台定速泵，3台变频调速泵。自动控制状态下，PLC根据设定的出水压力，自动调节变频器的输出频率，从而控制变频泵的速度，达到节能降耗的目的，实现恒压供水。这是此次改造的亮点，利用Compactlogix产品的自身功能特点，替换了该厂花费几十万元附加配置的庞大设备，不仅美化了车间环境，比改造前节约近30%的电能损耗，受到水厂领导和广大职工的好评，具有良好的推广价值。
(4)实时数据查询与分析
利用RSViewSE软件对一些需要查询历史数据的参数绘制曲线图，数据定时采集，在线存储，记录周期可调，按一定的周期采样，数据采用先入先出的保留形式，保存一个月
(5)画面显示
各站点计算机显示的画面有水厂工艺流程总图、各PLC控制流程分画面、高压配电监控画面、设备操作画面、曲线图、调用菜单画面、报警画面、报表画面。工作通过调用这些画面可以全面地了解水厂的运行情况，并且很方便地对设备操作。
(6)报警功能
在任何时间和在任何显示页面均能在画面顶部显示出报警信息，包括报警内容、报警时间、报警地点。报警按级别高低分为三级，用红、黄、绿不同的颜色表示，并通过各自PLC柜的蜂鸣器给予声音报警，提醒工作人员迅速查看报警内容并找故障点。
(7)报表功能
本系统输出的报表有以下三种，即输水工艺参数日报表、输水工艺参数月报表、水厂工艺参数年报表。
4结束语
目前该系统已运行一年多，由于它有较高的可靠性、稳定性、以及灵活的可扩展功能，其性能完全能满足运行要求，对水厂的安全运行、tigao供水质量、节能降耗、优化管理等方面起到了至关重要的作用