DCS系统在水厂自动化中的应用

DCS系统在水厂自动化中的应用
赵光华;曾旭峰
【摘要】介绍了水厂自动化技术的发展,并结合某水厂的要求详细论述了基于PLC 的DCS系统的功能特点,及系统的网络设计、硬件实现、控制程序的设计过程等,最后就系统的应用现状及待改进之处进行了讨论.
【期刊名称】《自动化与信息工程》
【年(卷),期】2005(026)003
【总页数】3页(P13-14,37)
【关键词】PLC;DCS系统;水处理自动化
【作者】赵光华;曾旭峰
【作者单位】中国科学院广州电子技术研究所;施耐德电气公司广州分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU99
我国水厂自动化技术经过几十年的发展，其水平和应用范围都得到了很大的提高。

特别是随着近年来半导体技术、网络技术、软件技术等高新技术的发展，使得PLC技术和现场总线技术都得到迅速提高，并被广泛应用于DCS系统中，使DCS 正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。

目前在水处理自动化领域广泛使用的DCS系统硬件组成形式是PLC+通信系统+工业级微机，以下结合某自来水厂的具体要求进一步探讨基于PLC的DCS系统的功能特点和设计过程。

在市场经济与信息时代的飞速发展中，企业内部之间以及与外部交换信息的需求不
断扩大，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，即利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。

本系统是集管控一体化的DCS系统，在硬件上采用目前
先进的 PLC系统技术和网络技术，在设计上充分考虑到交互性、实用性、可维护性、可扩展性等。

该系统主要实现以下功能：
（1）数据采集功能。

各现场级仪表和控制设备完成现场数据采集工作，并通过控制网络实现数据在整个控制系统中的传输和共享。

（2）监视功能。

系统各分站及中控室设置上位监控计算机，实时显示现场工艺流程和工况，使操作人员能及时获知现场情况。

（3）控制功能。

各分站设备通过PLC实现自动控制，使整个系统性能稳定，安全高效。

（4）管理功能。

上位监控机提供交互式人机界面，操作人员可实现对现场设备的控制，完成特定的操作要求，实现设备的管理；同时通过上位机提供的数据查询显示等功能，了解实时及历史生产情况，并可产生生产报表，实现了整个水厂的生产管理。

某水厂供水能力为40万吨/日，主要工艺流程如图1。

源水距水厂20公里，经取水机泵加压后通过源水管道送至水厂进行净水处理。

厂区内的生产流程可分为加药、反应和平流沉淀、过滤、送水四个部分，其中加药和滤池两个工艺环节对出水水质的影响非常大，因此其设计是整个水厂自控系统的关键。

加药工艺采用源水流量和SCD值前反馈控制方案，既有效地保证混凝效果，
使滤前水浊度保持在2～3NTU，又准确计算出投药量，节约投药成本。

滤池共有
6个滤格，每个滤格采用PID算法控制恒水位过滤，及根据相关条件触发反冲洗
工艺，保证滤后水质。

水厂自动控制系统是一个分布式控制系统，按系统结构进行垂直分解，分为设备层、
控制层、信息层，各层既相互独立又相互联系，每一层又可按水平分解成若干子集。

该系统采用Schneider电气公司Modicon PLC，根据系统实际要求结合工业控制网的技术特点，系统网络设计如图2。

信息层采用100M环形光纤工业以太网，以保证大量管理信息的传输速度；控制
层采用 MB+工业控制网，MB+是Modicon开发的针对过程控制的工业控制网，1Mb/s的传输速率，保证通信实时性；设备层采用开放现场总线协议 Modbus；由于系统取水分站与厂区有约20公里距离，还需考虑取水分站PLC与厂区系统的无线数据通信问题，无线通信采用 MDS数传电台实现，通过串口与PLC系统相连。

系统具体设备选型和硬件实现如图3。

程序流程如图4所示。

系统软件主要由PLC控制程序和上位机监控程序组成，各分站PLC控制程序之间及PLC与上位机之间通过网络交换信息。

上位监控机提供交互式人机界面，操作
人员通过上位监控机可实现对现场设备的监控，完成特定的操作要求。

PLC控制程序用梯形图编制，编程工具为Concept2.2。

各分站都设有手动和自动二种操作模式，其中取水泵站、和送水泵站根据设备的运行要求和实际生产的要求进行开环控制；加药分站和滤池分站采取反馈控制，加药流程采用流量比例前馈SCD值反馈控制方案，滤池恒水位过滤采用水位反馈PID调节控制。

上位机采用Intellution Dynamics自动化软件产品中的监控制软件iFix2.6，iFix
监控软件功能强大组态灵活，优化系统的管理。

服务器数据库管理系统采用Microsoft SQL Server 2000，Microsoft SQL Server 2000是性能优良、安全高效的网络数据库管理系统。

本系统设计考虑了系统的标准化、可移植性、可伸缩性等，目前系统已调试通过，运行良好，水质达到国家饮用水标准。

其中加药工艺中由于现场混凝效果受多种因
素影响，依靠原水流量和SCD值进行投药控制的方案还有待改进。

【相关文献】
[1] 郑文波. 控制网络技术.北京: 清华大学出版社, 2001:1～61
[2] 王常力, 廖道文. 集散型控制系统的设计与应用. 北京: 清华大学出版社, 1993.6: 1～212
[3] 于庆广. 可编程控制器原理及系统设计. 北京: 清华大学出版社, 2004.4: 226～280。