浙江某凈水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斯東浩（浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

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浙江某凈水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

斯東浩
（浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

摘 要：本文結(jié)合某凈水廠的工藝流程，分析了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件及硬件設(shè)計(jì)選型。關(guān)鍵詞：工藝流程；計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；PLC

1 凈水廠概況

浙江某凈水廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，供水水源為水庫(kù)水，原水經(jīng)7kmDN800引水管道進(jìn)入凈水廠，供水系統(tǒng)為全程重力自流供水，出廠水經(jīng)消毒后重力自流至城區(qū)配水管網(wǎng)。

2 工藝流程

本工程凈水處理系統(tǒng)工藝流程為：源水來(lái)自水庫(kù)，依次進(jìn)入綜合池、V型濾池、清水池，經(jīng)處理后，輸送至城市管網(wǎng)。

本工程污水處理系統(tǒng)工藝流程為：綜合池產(chǎn)生的污泥排入排泥水調(diào)節(jié)池、提升至濃縮池濃縮后，進(jìn)入污泥脫水機(jī)房，脫水后污泥外運(yùn)。濾池的反沖洗水經(jīng)回用水池提升至綜合池回用。

本工程各類藥劑投加點(diǎn)：礬投加至管道混合器，石灰和高錳酸鉀投加至管道混合器前，粉末活性炭投加至折板反應(yīng)池中部，氯氣投加至管道混合器前、清水池進(jìn)水管和清水池出水管。

3 中央控制室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)

中央控制室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)于生產(chǎn)調(diào)度大樓的中控室，采用具有C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可支持B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)形式，并可以與上級(jí)系統(tǒng)和周邊系統(tǒng)鏈接，現(xiàn)場(chǎng)站與中央控制室之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。中央控制站主要完成全廠的數(shù)據(jù)通信和調(diào)度管理。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立在開(kāi)放的、可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，系統(tǒng)中的硬件和軟件都具有可靠性、開(kāi)放性和先進(jìn)性。操作員站采用基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的Windows 7操作系統(tǒng)，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2008操作系統(tǒng)。

3.1 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全廠控制網(wǎng)絡(luò)分三層。

第一層為信息層：由2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、2臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺(tái)WEB服務(wù)器、1臺(tái)工程師站、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等的基于IEEC802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)組成，在中央控制室設(shè)置1套100/10Mbps 24口工業(yè)以太網(wǎng)交換器，用超五類網(wǎng)線相連，形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

第二層為控制層：由中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)至廠內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)主站基于IEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)組成。

第三層為設(shè)備層：由現(xiàn)場(chǎng)控制主站至設(shè)備控制箱、現(xiàn)場(chǎng)儀表基于IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線或常規(guī)I/O組成。

3.2 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

服務(wù)器及控制計(jì)算機(jī)選用DELL產(chǎn)品。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)采用MOXA品牌，PLC和觸摸屏均采用施耐德公司的產(chǎn)品。

不間斷電源選用APC產(chǎn)品。

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)性能

（1）CPU：酷睿i5-4570（四核，3.20GHz Turbo，6MB）。

（2）內(nèi)存：DDR3 4GB。

（3）硬盤：SATA串行硬盤500G。

（4）光驅(qū)：光驅(qū)DVD±RW。

（5）顯示器：24寸寬屏液晶顯示器。

2 數(shù)據(jù)服務(wù)器技術(shù)性能

（1）CPU：英特爾至強(qiáng)六核E5-2630。

（2）內(nèi)存：4GB RDIMM，1600MT/s，低電壓，單列，x4帶寬。

（3）硬盤：300GB 15K RPM 6Gbps近線SAS熱插拔硬盤*4。

（4）光驅(qū)：DVD。

3 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)性能

（1）工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)產(chǎn)品，符合標(biāo)準(zhǔn)的IEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持STP/RSTP協(xié)議，可構(gòu)建快速冗余以太環(huán)網(wǎng)，單臺(tái)自愈時(shí)間≤30ms。

（2）帶有SNMP管理單元。

（3）支持Port-basedVLAN協(xié)議，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的子網(wǎng)劃分。

（4）支持QoS，對(duì)信息設(shè)定不同的優(yōu)先權(quán)。

4 UPS不間斷電源技術(shù)參數(shù)

（1）雙變換在線式。

（2）具有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力，至少要能夠達(dá)到125%的過(guò)載。

（3）具有人性化觸控式按鍵，清晰易懂的LED界面，可完整顯示UPS狀態(tài)、負(fù)載、電池容量、電池更換指示等詳細(xì)信息。

（4）能夠在130V～275V輸入電壓范圍內(nèi)正常使用。

（5）具備短路保護(hù)裝置，發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)，故障消除后自動(dòng)恢復(fù)。

（6）具備防雷擊保護(hù)裝置。

3.3 計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)監(jiān)控軟件采用亞控公司的King SCADA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在此平臺(tái)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)用戶所需的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工藝儀表采集到的數(shù)據(jù)，生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中狀態(tài)信號(hào)和電氣數(shù)據(jù)以及化驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他信息等，協(xié)調(diào)和管理全廠的生產(chǎn)調(diào)度，打印生產(chǎn)報(bào)表、繪制趨勢(shì)曲線圖，報(bào)警及事件記錄。

生成凈水廠的生產(chǎn)工藝流程、變配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖，反映生產(chǎn)工藝流程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、完成報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)曲線的存儲(chǔ)、顯示和查詢。生成各類生產(chǎn)運(yùn)行管理的班報(bào)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)表。

在線生產(chǎn)成本分析系統(tǒng)具有對(duì)任意一個(gè)或多個(gè)時(shí)間段的生產(chǎn)成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢、比較、分析等功能，為生產(chǎn)決策提供可靠依據(jù)。

4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用PLC控制器，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備的狀態(tài)信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求，實(shí)現(xiàn)凈水廠的過(guò)程控制、順序控制、連鎖控制、設(shè)備的開(kāi)機(jī)、停機(jī)等各種操作，完成凈水廠的自動(dòng)控制。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、高性能PLC及智能化儀表。集中管理生產(chǎn)過(guò)程中的信息，以實(shí)現(xiàn)整體操作、維護(hù)、管理和優(yōu)化；同時(shí)，也使得控制風(fēng)險(xiǎn)分散，提高系統(tǒng)可靠性。

4.1 控制系統(tǒng)站點(diǎn)分布

本工程在廠區(qū)設(shè)置5個(gè)PLC主站和11 個(gè)PLC濾池子站。

5個(gè)PLC主站分別為：綜合池PLC主站、反沖洗泵房PLC主站、脫水機(jī)房PLC主站、加藥間PLC主站、加氯間PLC主站，每個(gè)濾格設(shè)置一個(gè)濾池子站，共11個(gè)濾池子站。

PLC主站與SCADA服務(wù)器組成100M工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)。所有PLC主站按無(wú)人值守的運(yùn)行管理方式。

4.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理、工藝流程、構(gòu)筑物位置分布相對(duì)分散的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用施耐德電氣基于可編程序控制器（PLC）的控制系統(tǒng)。

每個(gè)控制主站采用施耐德電氣的Modicon Quantum熱備系統(tǒng)（CPU67160系列）。11個(gè)濾格子站，采用施耐德電氣的Modicon M340（BMXP342020系列）控制系統(tǒng)。

140CPU67160是Modicon Quantum系列最高端控制器，專用于雙機(jī)熱備冗余系統(tǒng)。CPU采用Pentium型芯片，主頻266MHz，內(nèi)置RAM，并提供兩個(gè)PCMCIA擴(kuò)展插槽，能夠很容易地滿足最大限度要求的程序擴(kuò)展和數(shù)據(jù)保存。存儲(chǔ)器容量可以用PCMCIA卡（存儲(chǔ)程序、常數(shù)、變量名和注釋，備份文件等）進(jìn)行擴(kuò)展。集成Modbus、Modbus Plus、TCP/IP（熱備端口）、USB等多種通信端口，便于與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。CPU上集成液晶顯示屏幕，用于顯示系統(tǒng)的運(yùn)行、故障、通信等狀態(tài)信息和設(shè)置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。帶有后備電池的SRAM，可以在控制器斷電的情況下保存應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。140CPU67160集成了100M的光纖通信端口，完成主備CPU模塊的數(shù)據(jù)同步。

Quantum CPU使用可擦寫存儲(chǔ)器技術(shù)，支持控制器的執(zhí)行存儲(chǔ)和指令集。這一最新的非易失存儲(chǔ)器技術(shù)，在不更換存儲(chǔ)器卡的情況下只需通過(guò)Modbus或 Modbus Plus即可實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)更新。

4.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

各PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)計(jì)具有下列功能：

（1）具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所屬監(jiān)控工藝流程范圍內(nèi)的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)（壓力、流量、液位）、水質(zhì)參數(shù)（溫度、濁度、PH值、余氯等），并對(duì)采集的上述參數(shù)進(jìn)行處理同時(shí)供上位機(jī)儲(chǔ)存、顯示。

（2）具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所屬監(jiān)控工藝流程范圍內(nèi)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行采集、處理同時(shí)供上位機(jī)儲(chǔ)存、顯示。

（3）具有全自動(dòng)控制或調(diào)節(jié)計(jì)量泵、水泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等設(shè)備。

（4）具有自動(dòng)進(jìn)行越限保護(hù)處理和設(shè)備故障自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)。

（5）具有可靠的安全措施，具有保護(hù)口令，防止越權(quán)修改程序。

（6）系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自檢功能和故障自恢復(fù)功能。能夠承受運(yùn)行中的各種干擾。

4.4 控制系統(tǒng)開(kāi)放性和可擴(kuò)展性

開(kāi)放性的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可以保證系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的生命周期，系統(tǒng)在投入運(yùn)行以后可能會(huì)有一些變化調(diào)整，因此系統(tǒng)必須具有靈活的結(jié)構(gòu)，具有良好的開(kāi)放性，在軟件和硬件的配置上能靈活增減。具有強(qiáng)大的系統(tǒng)維護(hù)和診斷功能，保證系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性是整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。PLC、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)控軟件等系統(tǒng)核心部件以及斷路器、開(kāi)關(guān)電源、繼電器、接線端子等易損件均選用工業(yè)級(jí)、抗干擾能力強(qiáng)，在凈水廠自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域有長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外知名品牌。整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際的安全標(biāo)準(zhǔn)，并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗腐蝕，適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，能夠承受工業(yè)環(huán)境的苛刻條件。

系統(tǒng)提供高度的在線維護(hù)性能。任何節(jié)點(diǎn)故障、離線或從系統(tǒng)中移去不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行，具有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外通信接口，便于與其他控制系統(tǒng)通信。

選用高質(zhì)量的設(shè)備搭建的系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，也將大大減少投運(yùn)后的維護(hù)工作量、并節(jié)約二次投入的資金，同時(shí)避免因系統(tǒng)故障導(dǎo)致的損失。

參考文獻(xiàn)

［1］史國(guó)生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［2］李道霖.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A