SCADA系統(tǒng)和Aprol上位監(jiān)控組態(tài)軟件在凈水廠中的應(yīng)用

袁可

（西安全方科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

SCADA系統(tǒng)和Aprol上位監(jiān)控組態(tài)軟件在凈水廠中的應(yīng)用

袁可

（西安全方科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065）

1 引言

榆林市王圪堵水庫(kù)供水工程為榆橫煤化學(xué)工業(yè)園區(qū)工業(yè)用水提供供水水源，凈水廠規(guī)模為40萬(wàn)m3/d。凈水廠凈化工藝流程如圖1所示。

原水通過(guò)重力自流進(jìn)入配水井，然后依次是細(xì)柵格、孔板式混合裝置、小孔眼網(wǎng)格反應(yīng)池、小間距斜板沉淀池、均質(zhì)濾料濾池、清水池、送水泵房。凈水廠處理的污水經(jīng)過(guò)回流調(diào)節(jié)池、污泥調(diào)節(jié)池、污泥濃縮池、污泥脫水間依次進(jìn)行處理，泥水通過(guò)PAM加藥裝置加藥至脫水機(jī)進(jìn)行脫水得到泥餅和處理水，泥餅被外運(yùn)。

根據(jù)凈水廠凈化工藝流程特點(diǎn)和對(duì)控制系統(tǒng)功能的要求，和凈水廠的具體情況，最終決定采用貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的基于PCC的SCADA系統(tǒng)和Aprol上位監(jiān)控組態(tài)軟件。

圖1 凈水廠凈化工藝流程圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成（如圖2所示）

本凈水廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)由三層網(wǎng)絡(luò)組成，包括中控室管理站、現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制站、系統(tǒng)儀表檢測(cè)。

中控室管理站包括：配置二套實(shí)時(shí)服務(wù)器、一套WEB服務(wù)器、兩套監(jiān)控計(jì)算機(jī)（操作員站）、一套工程師站、一套DLP數(shù)字投影屏及用于與現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站相連的光纖網(wǎng)通訊接口適配器、報(bào)表打印機(jī)和事故報(bào)警打印機(jī)、不間斷電源（UPS）、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防火墻、各種上位機(jī)組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件。

工業(yè)控制網(wǎng)采用環(huán)型結(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。

現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制站包括：3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站（PLC1～PLC3）。PLC1控制站為變電站及送水泵房控制站，帶3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制子站（PLC1_1～PLC1_3）。PLC2控制站為濾站控制站，帶24個(gè)濾池現(xiàn)場(chǎng)控制子站（PLC2_1～PLC2_24）。 PLC3控制站為污泥處理控制站，包括脫水機(jī)系統(tǒng)配套帶來(lái)的兩套第三方控制單元?，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。

系統(tǒng)儀表檢測(cè)包括：對(duì)凈水廠工藝環(huán)節(jié)的水質(zhì)、水量等進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的儀表，如流量計(jì)、pH計(jì)、濁度計(jì)、游動(dòng)電流儀、超聲波液位計(jì)、水頭損失儀、壓力變送器等。

儀表采集的信號(hào)傳輸給PLC控制站，PLC控制站按照預(yù)編制的程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)邏輯控制，根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)設(shè)備的過(guò)程控制和反饋控制。并且中控室計(jì)算機(jī)通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)重要設(shè)備或機(jī)組的開、關(guān)、停和運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，監(jiān)測(cè)設(shè)備及儀表的運(yùn)行工況和運(yùn)行參數(shù)。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件

PLC控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站、控制子站、觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)等組成，考慮近遠(yuǎn)期的結(jié)合，因此選用模塊化結(jié)構(gòu)的PLC，預(yù)留遠(yuǎn)期增加設(shè)備所需的I/O模塊位置，新增構(gòu)筑物則能重新設(shè)置控制子站，掛接在同一工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制局域網(wǎng)上。PLC控制器支持工業(yè)以太網(wǎng)（100M/1000Mbps），網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為光纖環(huán)網(wǎng)。

PLC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，以便管理終端實(shí)時(shí)瀏覽生產(chǎn)運(yùn)行情況。

2.2 控制系統(tǒng)功能及控制方式

2.2.1 控制系統(tǒng)功能

（1）按控制程序?qū)λ牴に嚩蝺?nèi)的工藝過(guò)程、電氣設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)采集工藝參數(shù)，電氣參數(shù)及電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

（2）通過(guò)工業(yè)總線與中央控制室的監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。向監(jiān)控管理系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，并接受監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)出的開停機(jī)命令。

（3）在操作屏上顯示所轄工段的工藝流程圖、工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)HMI設(shè)定工藝參數(shù)，控制電氣設(shè)備。

（4）采集主要工藝參數(shù)：液位差、液位、流量、工藝管道壓力、pH、濁度等。

（5）與帶有通信接口的控制柜進(jìn)行通信，采集電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，向控制設(shè)備發(fā)送開停機(jī)命令。

2.2.2 控制方式

凈水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)控制方式采用現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)控制的三種控制模式。

（1）現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制模式：設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱或電氣柜上的“手動(dòng)/自動(dòng)”開關(guān)選擇“手動(dòng)”方式時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。

（2）遠(yuǎn)程遙控控制模式：即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“手動(dòng)/自動(dòng)”開關(guān)選擇“自動(dòng)”方式時(shí)，操作人員通過(guò)操作面板或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標(biāo)器或鍵盤選擇“遙控”方式并對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。

（3）自動(dòng)控制模式：現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“手動(dòng)/自動(dòng)”開關(guān)選擇“自動(dòng)”方式，且上位機(jī)控制模式界面的“遙控/自動(dòng)”設(shè)定為“自動(dòng)”方式時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行完全由各PLC根據(jù)凈水廠的工況及生產(chǎn)要求自動(dòng)完成對(duì)設(shè)備的運(yùn)行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。

控制方式設(shè)計(jì)為：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制優(yōu)先，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)控制?？刂萍?jí)別由高到低為：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控控制、自動(dòng)控制。由于手動(dòng)干預(yù)是操作人員的專有權(quán)利，所以過(guò)程連鎖在此模式下無(wú)效；而自動(dòng)控制模式下，安全連鎖是有效的，并限制操作的可能性，防止非正常狀態(tài)下運(yùn)行。離工藝過(guò)程越近的控制層具有更高的優(yōu)先權(quán)。

2.3 控制系統(tǒng)軟件

PLC控制站應(yīng)用軟件在貝加萊工業(yè)自動(dòng)化PLC編程軟件平臺(tái)Automation Studio上進(jìn)行開發(fā)。主要根據(jù)凈水廠工藝控制要求，將工藝語(yǔ)言的要求根據(jù)實(shí)際情況編寫為PLC可以執(zhí)行的編程語(yǔ)言，也就是PLC控制站應(yīng)用軟件，PLC根據(jù)預(yù)先編制好的應(yīng)用軟件對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂啤⒋?jí)控制、反饋控制等，使得凈水廠處理水到達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 PLC1控制站應(yīng)用軟件

PLC1控制站包括的工藝體有格柵配水間、絮凝沉淀間、加藥間、清水池、送水泵房、變電站及回流調(diào)節(jié)池。

（1）格柵控制采用液位模式+時(shí)間模式

細(xì)格柵超聲波液位差計(jì)測(cè)量細(xì)格柵前后的液位差值H，當(dāng)H大于設(shè)定的控制參數(shù)“啟動(dòng)液位差”設(shè)定值時(shí)，將先啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)，再過(guò)10秒后啟動(dòng)細(xì)格柵，當(dāng)H小于設(shè)定的控制參數(shù)“停止液位差”設(shè)定值時(shí)將先停止細(xì)格柵，再過(guò)60秒后停止螺旋輸送機(jī)。（液位模式）

細(xì)格柵在運(yùn)行完設(shè)定的“運(yùn)行時(shí)間”后停止，在設(shè)定的“停止時(shí)間”后啟動(dòng)，運(yùn)行完設(shè)定的“運(yùn)行時(shí)間”后再次停止，如此循環(huán)。螺旋輸送機(jī)和細(xì)格柵機(jī)的啟動(dòng)停止順序和液位模式一樣。

液位模式+時(shí)間模式：為兩種模式的疊加，一般情況下，格柵按照時(shí)間模式工作，當(dāng)液位達(dá)到“啟動(dòng)液位差”設(shè)定值時(shí)，如果格柵機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)則啟動(dòng)格柵機(jī)。

（2）絮凝沉淀池加藥間采用閉環(huán)模式

原水通過(guò)進(jìn)水配水井及進(jìn)水總流量計(jì)，根據(jù)進(jìn)水總流量的流量大小配比加藥量的比例系數(shù)，并且初步計(jì)算加藥量，同時(shí)因?yàn)檫M(jìn)水的濁度影響一定加藥量，以流量計(jì)算加藥量為主，以進(jìn)水前饋濁度加藥量為輔。原水和藥液經(jīng)過(guò)孔板式凈水混合裝置充分混合后，在絮凝池產(chǎn)生電導(dǎo)的絮凝物，游動(dòng)電流儀對(duì)絮凝池的絮凝物進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且將數(shù)據(jù)同絮凝度設(shè)定進(jìn)行比較，二者偏差的部分通過(guò)控制器計(jì)算后進(jìn)行相應(yīng)的加藥調(diào)節(jié)控制。同樣，當(dāng)絮凝池的水進(jìn)入沉淀池經(jīng)過(guò)沉淀后，在沉淀池的出口安裝的濁度儀對(duì)出水進(jìn)行濁度監(jiān)測(cè)，并將反饋值和預(yù)期出水濁度的設(shè)定值進(jìn)行比較，二者偏差部分通過(guò)控制器計(jì)算后進(jìn)行相應(yīng)的加藥調(diào)節(jié)控制，從而使得原水通過(guò)加藥、絮凝、沉淀工藝，使沉淀出水達(dá)到預(yù)期效果。此模型進(jìn)行了流量比例配比、絮凝度濁度二級(jí)串行反饋控制，使加藥量達(dá)到最好的狀態(tài)，節(jié)約了成本。示意圖如圖3所示。

圖3 絮凝沉淀池加藥間閉環(huán)模式示意圖

（3）送水泵房采用閉環(huán)模式

濾池處理的水進(jìn)入清水池，清水池連通吸水井，液位計(jì)用來(lái)測(cè)量并且顯示清水池和吸水井的實(shí)時(shí)液位，并且通過(guò)PLC將液位信號(hào)傳送至中控室計(jì)算機(jī)上，便于操作員觀察和監(jiān)控清水池吸水井的水位工況。吸水井的清水通過(guò)加壓泵送至用戶。在加壓泵的管道上安裝有壓力變送器及超聲波流量計(jì)，通過(guò)管道的壓力變送器進(jìn)行恒壓供水，保證用戶端的用水量。

2.3.2 PLC2控制站應(yīng)用軟件

PLC2控制站包括的工藝體有反沖洗鼓風(fēng)機(jī)及反沖洗泵房、24個(gè)單濾站等，PLC2控制站帶24個(gè)濾池現(xiàn)場(chǎng)控制單元（PLC2_1～PLC2_24）。

一個(gè)單池濾站的PLC控制站應(yīng)用軟件，根據(jù)工藝要求分為兩個(gè)階段，正常過(guò)濾階段和反沖洗階段。

（1）正常過(guò)濾階段（如圖4所示）

圖4 正常過(guò)濾階段示意圖

從沉淀池出來(lái)的水進(jìn)入濾池進(jìn)行過(guò)濾。濾池正常工作時(shí)，工作過(guò)程始終保持恒水位過(guò)濾。過(guò)濾恒水頭由可調(diào)節(jié)出水閥開度進(jìn)行控制。濾池水位測(cè)量值與水位設(shè)定值比較后控制濾池出水閥的開度，使濾池在恒水位條件工作。濾池的正常過(guò)濾操作可通過(guò)在中央集中控制室上位機(jī)進(jìn)行，也可通過(guò)PLC2現(xiàn)場(chǎng)控制子站人機(jī)界面進(jìn)行濾池的操作和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

（2）反沖洗階段

需要反沖洗的條件有兩種，一種人工強(qiáng)制反沖洗，一種當(dāng)設(shè)定恒水位過(guò)濾時(shí)，濾池的水位和濁度已經(jīng)超過(guò)了正常過(guò)濾的液位設(shè)定值或者濁度設(shè)定值，就需要自動(dòng)進(jìn)行反沖洗。流程圖如圖5所示。

圖5 反沖洗階段流程圖

? 第一種人工強(qiáng)制反沖洗：可通過(guò)上位機(jī)或者PLC2的現(xiàn)場(chǎng)控制子站人機(jī)界面進(jìn)行操作。

? 第二種自動(dòng)反沖洗：當(dāng)濾池中的液位計(jì)監(jiān)測(cè)到恒水位已經(jīng)超過(guò)正常過(guò)濾水位最大值，或者濾池中水的濁度已經(jīng)超過(guò)正常的濁度最大值，單濾池進(jìn)入自動(dòng)反沖洗階段。先關(guān)進(jìn)水閥，全開出水閥，待濾池水位下降到設(shè)定值時(shí)，開啟進(jìn)水閥，關(guān)閉出水閥，開排水閘板，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，開啟氣沖洗閥氣沖到設(shè)定時(shí)間，開水沖洗水泵，氣、水混合沖洗，到達(dá)設(shè)定值后關(guān)閉氣沖閥，停鼓風(fēng)機(jī)，開排氣閥，排掉水分配槽內(nèi)的空氣，經(jīng)過(guò)一個(gè)設(shè)定時(shí)間后關(guān)沖洗水閥，停反洗水泵，待水位降到設(shè)定值后，關(guān)排水閘板，開進(jìn)水閥，清水出水閥由水位信號(hào)控制，水位到達(dá)設(shè)定值后，開始恒水位過(guò)濾，反沖洗過(guò)程結(jié)束。在反沖洗過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了設(shè)備故障或者沖洗步序失敗，故障報(bào)警退出反沖洗狀態(tài)。

反沖洗過(guò)程中的每一個(gè)周期、氣洗時(shí)間、氣水洗時(shí)間、水洗時(shí)間均可以由操作人員根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況在中控室上位機(jī)或現(xiàn)場(chǎng)操作終端進(jìn)行設(shè)定和更改。

2.3.3 PLC3控制站應(yīng)用軟件

PLC3控制站包括的工藝體為脫水機(jī)房、儲(chǔ)泥池、排泥泵池、濃縮池、污泥調(diào)節(jié)池。

PLC3控制站應(yīng)用軟件主要內(nèi)容是泥水流入污泥調(diào)節(jié)池，再?gòu)奈勰嗾{(diào)節(jié)池流入污泥濃縮池，污泥濃縮池的上清液自流至回流調(diào)節(jié)池，均質(zhì)濾料濾池反沖水流入回流調(diào)節(jié)池，回流調(diào)節(jié)池的清水用泵打入配水井進(jìn)行重復(fù)利用。污泥濃縮池的污泥被污泥泵打入脫水機(jī)進(jìn)行加藥PAM脫水。

3 上位監(jiān)控組態(tài)軟件

本系統(tǒng)上位監(jiān)控組態(tài)軟件采用貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司的APROL過(guò)程控制系統(tǒng)，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的APROL系統(tǒng)是一個(gè)基于LINUX系統(tǒng)平臺(tái)，高集成、一體化、模塊化，具有現(xiàn)代理念的過(guò)程控制系統(tǒng)。

APROL系統(tǒng)程序可分為用戶級(jí)程序和后臺(tái)程序。用戶級(jí)程序主要是把參數(shù)輸入框、按鈕及其它控件組合在一起完成數(shù)據(jù)的輸入及觸發(fā)動(dòng)作。 通常后臺(tái)程序，或者無(wú)交互后臺(tái)程序，并不向屏幕輸出任何信息，后臺(tái)程序在啟動(dòng)后只負(fù)責(zé)固定的任務(wù)，即從配置文件讀取數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)服務(wù)是負(fù)責(zé)過(guò)程控制系統(tǒng)的配置及控制等級(jí)，同時(shí)它還控制系統(tǒng)任務(wù)的分配。

? 運(yùn)行系統(tǒng)（RUNTIME）是基于開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它是過(guò)程控制系統(tǒng)的“心臟”。 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中配置了系統(tǒng)所要監(jiān)視、收集和分配的過(guò)程數(shù)據(jù)。

? 操作員系統(tǒng)則是人機(jī)交互的接口。此程序可以監(jiān)視一個(gè)或者多個(gè)操作員站的運(yùn)行，并且通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤或者觸摸屏等外設(shè)操作。操作員站的數(shù)量是受以太網(wǎng)拓?fù)湎拗频摹?/p>

? 開發(fā)系統(tǒng)、運(yùn)行系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)聯(lián)合構(gòu)成了APROL系統(tǒng)。

以上的三個(gè)系統(tǒng)可以單獨(dú)安裝，或者全部安裝在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中。

監(jiān)控畫面組織與結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在該凈水廠已安全穩(wěn)定運(yùn)行多年，并獲得一致好評(píng)，運(yùn)行結(jié)果表明貝加萊工業(yè)自動(dòng)化基于PCC的SCADA系統(tǒng)和Aprol上位監(jiān)控組態(tài)軟件能充分滿足水廠對(duì)控制系統(tǒng)的要求，對(duì)凈水廠的安全運(yùn)行、提高供水質(zhì)量、節(jié)能降耗、優(yōu)化管理等方面起到了至關(guān)重要的作用。

[1] 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司. BR X20選型手冊(cè)[Z].

[2] 齊蓉. 可編程計(jì)算機(jī)控制器原理及應(yīng)用[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002.

[3] 葛敏輝. 現(xiàn)代水處理企業(yè)綜合自動(dòng)化方案[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2000 ( 2 ) : 30 – 32.

[4] 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司. APROL控制器配置及INA[Z].

[5] 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司. APROL參數(shù)管理及配方[Z].

[6] 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司. APROL操作員管理[Z].

SCADA System and the APROL Monitor Configuration Software in the Water Treatment Plant

本文通過(guò)分析凈水廠對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求，介紹了貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的基于PCC的SCADA系統(tǒng)和Aprol上位監(jiān)控組態(tài)軟件在凈水廠的成功應(yīng)用。

凈水廠；貝加萊工業(yè)自動(dòng)化；PCC；APROL

By analyzing the function requirements of control system in water treatment plant, this paper introduces the successful applications of the B&R industrial automation based on SCADA system and the APROL monitor configuration software in the water treatment plant.

Water plant; B&R Industrial Automation; PCC; Aprol

B

1003-0492(2016)03-0090-05

TP31

袁可（1985-），男，陜西寶雞人，電氣工程師，本科，現(xiàn)就職于西安全方科技發(fā)展有限責(zé)任公司技術(shù)部，從事水利、市政行業(yè)的電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)、開發(fā)及自動(dòng)化系統(tǒng)集成工作和研究。