自来水厂自动化改造中的冗余设计

自来水厂自动化改造中的冗余设计

自来水厂是城市基础设施中的重要组成部分，随着经济的发展以及城市化进程的不断加快，城市自来水供水压力不断提高，安全、可靠的保障城市自来水供应是现今乃至今后一段时间内自来水厂工作的重点。在我国的自来水厂中有相当一部分由于建设的时间较早且后期并未进行过现代化改进使得自来水厂的自动化程度不高，自来水厂中的一部分工艺流程仍然采用人工来进行，从而使得自来水厂的潜能并未充分的予以挖掘，城市自来水厂的供水质量与供水效率都不稳定，因此，应当加强对于自来水厂的自动化改造从而使得自来水厂的工艺流程得以自动化，在确保自来水厂供水质量的同时提高供水的效率。

标签：自来水厂；自动化；PLC改造

前言

水是万物之源，在城市的供水体系中，由于一部分自来水厂建设的时间早使得自来水厂中的设备自动化程度不高从而极大的限制了自来水厂潜能和质量的发挥，因此需要加强对于自来水厂自动化程度的改造从而有效的提升自来水厂的供水能力与供水质量。在自来水厂的自动化改造中关键是要确保自来水厂自动控制系统的稳定性与可靠性，为实现这一目标在自来水厂自动化改造的过程中需要对控制系统中的一些系统部件进行冗余设计，在分析各部分冗余工作原理的前提下在提高工作系统可靠性的前提下来实现对于工作设备的选取。保障自来水厂控制系统的稳定性与可靠性。

1 自来水厂处理流程分析

在自来水厂的工作中，由于各厂所使用的水源不同使得各自来水厂所采用的饮用水系统和组成的工艺流程各有差异。在自来水厂的水处理系统中，通过使用取水泵房将河流、湖泊或是水库的水通过使用水泵输送至水池中，在水池中经过加药、絮凝以及沉淀、过滤等将水中的大部分杂质予以去除从而得到清水，完成处理后的清水输送至清水池而后使用高压泵泵送至城市供水管网。在自来水厂的水处理过程中对于加药采用的是前加氟和后加氯的方式，在水处理的过程中前加氯应当在配水井的入口处，而后加氟应当设置在清水池的入口处。同时对于水池中的杂质等应当配备有排污设备以便将水池中的沉淀物及时的予以排出。

2 自来水厂自动控制系统中的冗余设计的原理

在自来水厂的自动控制系统中的冗余切换方式可以分为热冗余、暖冗余和冷冗余三种形式，设计自动控制系统的冗余设计关键是依靠自动控制系统的可靠性模型的建立。热冗余主要指的是设计在控制系统中与控制系统联机运行在其未被激活的过程中并不参与系统的工作而当主系统出现故障时则冗余设计迅速接管控制系统的故障部分以保障系统的可靠运行。在自来水厂冗余部分的控制中采用的是多部并联的结构，通过冗余设计最大限度的提高自来水厂控制系统的可靠性

与稳定性。

3 自来水厂水处理综合自动化控制系统

3.1 自来水厂水处理控制系统的网络结构

自来水厂的自控系统采用的是“集中监控、管理分散控制”的集散型系统，对于自来水厂的自动控制系统主要由信息监控和现场监控两大部分组成。通过使用以太网来将主控部分的工控机与现场控制的PLC模块相连接构成一个完备的控制系统，如主控系统中的两台工控机同时出现故障，各分系统仍然能够独立的控制各分系统按照设定的工序进行生产，保障了自来水厂生产的正常进行，从而使得自来水厂自动化控制系统的稳定性与可靠性大幅增加。

3.2 自来水厂供电系统的冗余设计

在自来水厂的供电中按照国家的相关规定对于自来水上这种二级负荷单位需要采用两回路的供电方式，其中两回路分别来自于不同的变电站以确保供电系统的稳定性。这两路供电回路中一组作为主电路而另外一组则作为备用回路，各组回路都能够保障自来水厂的正常供电，同时在供电回路的负载容量上还应当考虑到今后新添加设备的供电保障，确保自来水厂的正常供电。同时对于自来水厂中特别重要的负荷还需要对相关设备配备应急电源以确保在设备故障发生时能够及时的对关键设备恢复供电，应急供电系统电源采用的是6kV双回路放射式接线方式，为自来水厂的供电提供可靠的电源支持。应急系统中所使用的UPS 主要目的是确保供电中断时重要控制设备的电力供应直至柴油发电系统能够正常工作。

3.3 自来水厂的信息监控管理层的冗余设计

在自来水厂的主控系统中采用的是2台中控设备，通过将厂长室工控机、工程师工控机以及化验室工控机等连接到2台交换机上以构成双星型的以太网，相较于环形以太网，双星型以太网在后续增加主站点时较为方便。将工业交换机上的2个端口设置为Trunk主干端口，建立并形成一个高速骨干链接，在提高骨干链接带宽的同时为系统的网络通信提供了可靠的冗余量。同时在工控机中配备有相同网卡IP地址设置的工业交换机并配合硬件侦测和负载均衡技术当侦测到通信网络故障时及时的切换到另外一条备用总线直至主系统的网络链接修复。主控室所采用的2台主工控机采用了双机热备的配置模式，2台工控机同时联网实现对于自控控制系统的监视和控制，在正常工作情况下，主机运行而从机处于监视状态并不参与工作，而从机监测到主机工作出现异常时主、从机将会迅速的切换以实现对于主控系统的控制，这一模式的实现原理如下：主机在正常工作时对主控系统的各项数据进行收集和处理而从机采用监视请求定期向主机发送请求与应答信号，如主机并未正常的进行应答则认为主机出现故障从而切断与主机的网络数据传输自动转入工作状态，自来水厂自动控制系统中的各设备的数据、产生的报警以及事件信息则改由下位机获取。同时，从机对主机的工作状态进行定时监控一旦监测到主机恢复工作则自动切换到待机状态。

3.4 自来水厂工业以太网的冗余设计

在自来水厂的工业以太网的设计中，将OSM模块设置为冗余环网使能态，将其中一个设置为冗余管理态以完成对于以太网的管理。正常情况下冗余管理器的其中一个冗余环口为断开状态，整个以太网呈现出线性结构，当监测到以太网环网故障时自动切换至另外一种环形线性结构保障系统的正常运行。

3.5 自来水厂的生产控制系统的冗余设计

根据自来水厂的生产工艺流程可以将水厂的生产划分为取水泵站、加氯加药站、絮凝、沉淀、过滤以及送水泵站等多个环节，通过对每一个站点的运行信息进行采集并将信息送入水厂自动控制中心并接收控制中心的管理，各站点的监控分站都具有独立的操作系统以便在控制系统发生故障时各分系统独立运行。对于可靠性要求较高的分站点可以使用西门子的S7-400H型PLC按照冗余的方式进行设计，在CPU、CPU同步模块以及连接线缆和电源模块等都需要设计成双重的器件以确保控制的可靠性。S7-400H型PLC的冗余设计采用的是“热备份”的主动原理，闲时从模块与主模块共同连线，当监测到主模块故障时从模块自动切换完成对于水厂分站的自动控制确保水厂能够正常工作。

4 结束语

自来水厂的自动化改造对于提高自来水的供水效率与供水质量有着极为重要的意义.文章在分析自来水厂供水特点的基础上对自来水自动化系统的冗余改造，确保自来水的正常供应有着极为重要的意义。

参考文献

[1]郭谋发，杨耿杰，丁国兴，等.基于IEC 60870-5-104及OPC的水电厂自动化系统[J].电力自动化设备，2007，27（10）：100-103.

[2]朱辰.现地控制单元在水电厂自动化中的应用和发展趋势[J].软件，2006（6）：30-34.

[3]袁生贵，方东，李小凯.基于Intouch软件的污水厂自动化系统监空软件[J].计算机系统应用，2011，20（2）：165-168.