滨海水厂自动化控制系统设计方案

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
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。
C200HG
C200HG RS232
C200HG RS232 转换器 RS422
RS422
转换器
Srpam 2000
Srpam 2000
RS232 AL 001 AL CPM2A 001 …共8台 泵机控制
RS232 CPM2A
…共13台水及送水工艺段上，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。
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。
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。
1.1 对药剂的制备与投加的控制 1.1.1 自动加药控制：
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。
TC时间控制器
自动/手动
钟控允许
报 警
I/O
给定压力
I/O I/O
I/O PLC控制器 I/O
I/O I/O
PLD
变 频 器
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 复位
液位电极
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
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
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。
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。
RS232
CPM2A
…共8台 二期滤池控制
RS232 电台
…共7台 加药 上位机 高压配 电设备 送水 上位机
泵机控制 中控 上位机
冲洗设备及一期滤池控制 RS232 电台 CPM2A …共8台 一、二期平流沉淀池吸泥机控制 电台 RS232 CPM2A 加药设备控制
Controller Link
C200HG
Primus227系列 机械隔膜计量泵
1.1.2 自动加氯控制：
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）。
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#。