(OA自动化)水处理厂自动化监控监测方案

（OA自动化）水处理厂自动化监控监测方案
技术文件
第一章设计方案及说明
1.1概述
1.1.1、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。

1.1.2、针对本项目的系统描述
高唐县南王水厂主要提取南王水库存水，经过净化处理，进入城市管网，初步设
计日供水约3万吨。

其基本流程见下图：
在整个水厂自动化控制系统设计中，我们根据水厂工艺的特点，遵循“功能和危险分散，监督和管理集中、数据共享”的原则，为水厂过程的各个阶段和工艺流程提出了具体的控制方式和要求，并通过监测生产现场工艺设备的运行状态、水质参数的变化，应用现场控制网络和测、控、管一体化技术，实现生产过程的自动控制，在保证安全生产的前提下获取最大的经济效益，同时达到高效、可靠和优化生产的目标。

1.2设计指导原则
为了保证自动化控制系统的先进性和适用性，本系统的设计遵循以下几条指导原则。

•GON法则
GON法则（GeneralPurposeComputerandNetwork，Off-the-SelfSoftware，andNameBrandEquipment），即采用通用型计算机及网络，成熟的软件产品和名牌设备。

这样配置的系统性能价格比最高，投运和收益最快，维护和扩展最方便。

•采用开放式和分布式系统结构
这种系统结构保证了交给用户的系统是一个伸缩性很强的系统，允许工程分期投资、分期建设，不必改动系统的基本结构就可以从小规模，扩展到最大允许配置，特
别适合建设周期较长的大型市政工程建设。

此外，分布式的系统结构将任务分布到各节点上，使风险分散，保障了系统的高可靠性，不会因为单个站点的故障而引起整个系统的瘫痪。

同时，由于任务的分散执行，使得系统的响应速度和处理复杂问题的能力大大增强。

•系统和过程控制软件的编制、修改简单方便
为使系统具有良好的维护性能和再开发能力，系统软件的编制、组态和修改必须简单方便，用户经过简单的培训就能独立进行系统的维护、改进和扩展工作。

•具有友好的人机界面，操作简单，输出信息形象生动
系统采用全中文菜单式操作界面，以鼠标作为主操作工具，能通过鼠标完成绝大部分的系统功能。

动态显示工艺流程及系统报警。

模块化组态设计，轻易实现人员培训及二次开发。

除以上需遵循的基本原则外，根据水厂的实际情况和招标书的要求，我们认为本系统设计中应统一考虑以下系统性能：
可靠性：整个系统采用模块化设计，分层、分布式结构，控制、保护、测量之间既互相独立又相互联系。

先进性：系统设计的立足点，为现场无人值守、总站少人值班。

设备装置的启停及联动运转均可由中心监控室操作控制。

经济性：系统有较高的性能价格比，主要设备全部选用在国际上有较高声誉的品牌产品，提高可靠性和性价比。

实用性：系统设计了多个控制层面，既考虑到日常工作的全自动化的一面，又考虑到事故状态的应急措施，既考虑到生产又考虑到检修。

1.3技术规范标准
本公司选用及制造的仪器设备均符合最新的国际标准且都取得相应质量认证，如ISO、IEC、UL、ANSI、NEMA、CSA、BS、JIS、JEM、DIN、NF等认证，同时该控制系统的设计和制造还参照如下的技术规范和标准：
•HG/T20638—20639《化工装置自控工程设计规范》
•CECS81—96《工业计算机监控系统干扰技术规范》
•GBJ42—81《工业企业通信设计规范》
•GB50168-92《电气装置安装工程电缆施工及验收规范》
•GBJ131-90《自动化仪表安装工程质量检验评定标准》
•GB8566-88《计算机软件开发规范》
•GB50174-93《电子计算机机房设计规范》
•GB/T12504-90《计算机软件质量标准保证计划规范》
•GB/T17544-1998《信息技术，软件包，质量要求和测试》
•GB/T14079-93《软件维护指南》
1.4设计依据
本方案的设计参照如下的资料文献：
•《引水预处理及配水工程设备采购招标文件和设计图纸》
•《给水排水设计手册》
•《建筑电气安装工程图集》
•《计算机软件开发规范》
•《电信传输手册》
•《SIEMENS电气工业控制与产品概括》
•《SIEMENS电气自动化系统产品目录》
•《SIEMENS300系列PLC选型样本》
•《SIEMENS电信产品目录》
•《MACH产品目录》
•《APCSmart-UPS不间断电源用户手册》
•《APCSmart-UPS不间断电源》
总体设计
设计目标
根据工艺流程及构筑物的地理分布，建立一套集中管理分散控制，具有世界先进水平、性能可靠、科技先进、效果卓越的现场监测、过程控制和计算机管理一体化的系统，实现“现场无人值守，总站少人值班”的目标，完成对整个工艺过程及全部生产设备的自动监测和控制。

设计思想
系统实现方式
随着自动控制技术和设备的飞速发展，摆在人们面前的控制选择也在增加，如软控制、混合控制以及其他新型的控制器结构体系等。

从控制技术的角度来说，水厂计算机监控系统通常有这几种实现模式：标准的DCS系统、PC+PLC模式、PC+I/O模式、PC+RTU模式等，每一种模式都有其特点，其中DCS的系统功能最强，适用于控制算法复杂、模拟量调节较多的控制系统；基于PC机组成的控制系统通过前端控制器或数据采集单元采集数据，利用PC机进行数据处理和控制算法的实现，系统构成简单，但可靠性较差；可编程序控制器PLC具有可靠、灵活、易学、易用、功能齐全等优点，并且品种齐全，适用于具有逻辑控制、顺序控制和批处理控制等许多复杂算法的系统，在水厂过程控制中更具有无可争议的优势，因此在本次监控系统中采用的是PC+PLC 模式。

系统功能
整个控制系统采用三级网络结构设计，即基于TCP/IP协议的高速以太网管理级、PLC控制网络的过程级以及现场设备的操作现场级。

其中现场级由MCC电气系统、就地控制柜和电量测试仪等组成，完成单一设备的运行控制及其状态参数的采集工作；过程级的控制网络则是由各个现场控制子站和监控计算机组成，主要任务是进行过程数据采集及处理，然后将生产过程的各种数据送到中心操作站，借助于监控软件和PLC 内的控制程序完成数据统计、分析及计算功能，从而实现对工艺过程的联锁保护及整
个生产过程的监控；建立在管理基础上的以太网管理级由监控计算机、服务器和部门管理计算机组成，对整个系统的数据信息进行管理，它把生产过程控制网络与全厂管理系统连接在一起，在完成数据交换、数据共享的基础上，实现测、控、管一体化。

✧就地手动控制：具有最高的控制优先级，现场转换开关切到手动后，由配电屏、控
制柜或操作箱上的控制按钮完成；
✧远程自动控制：是指由各现场PLC站的PLC控制器按照预先编制的程序对设备进
行自动控制，控制级别高于远程中央控制；
✧远程监控：是指操作人员在中控室对生产过程进行人工干预，调整设备的运行状态
而做出的操作控制。

通过操作人机界面上的按钮将控制指令下发给现场PLC控制站实施。

这样的设计使生产运行更加安全、可靠，如果上位机或网络发生故障，不会影响现场PLC站的工作，而且如果现场控制站PLC出现故障，操作人员也可以通过手动控制按钮完成设备的启停。

对于某台具体的设备来说，它的控制方式根据控制信号的来源分为手动、远控两种方式，手动控制的控制信号来自设备旁的控制按钮，远控的控制信号来源于PLC现场监控站输出的控制信号；中央监控管理站层的监控信号先通过网络传送至相应的现场PLC站，然后由PLC对设备发出控制信号达到监控的目的。

一般设备的监测参数主要有运行、故障、现场“手动/远控”转换开关位置指示，重要设备增加其运行监测参数提供更详细的工作状态，对于使用较频繁或有控制指标反馈的设备，PLC根据参数设定值自动完成设备的开停，对不经常使用的设备，PLC按照中控室操作人员的指令工作，所有被控设备均具有中控室监控计算机的远方手动功
能。

当设备处于远控方式时，PLC对所控的设备采取故障保护措施，设备处于手动控制方式时，由现场电气控制箱对设备采取故障保护，但是系统不论在哪一种控制方式，中央监控管理站都会监测到设备和生产的运行情况，出现故障报警提示，如果现场电气控制箱没有采取保护措施，系统将提示操作人员注意。

以上保证了系统控制设备之间应相对独立运行，现场控制站、测量控制单元发生故障时，不影响其上级、下级或同级的其它控制站控制单元的正常运行。

现场控制站和现场控制单元设置触摸屏作为就地操作终端，操作人员可对该控制站监控范围内的设备进行就地集中控制，或在中央控制室授权后可就地更改设定本站的工艺控制参数。

PLC控制系统在当人机界面或中控操作站计算机出现故障时，不影响PLC的自动控制和检测；现场设备的状态不发生变化。

系统通过组态软件自带功能，实现实时报警、报警汇总、实时趋势、历史趋势、系统管理、安全管理等功能。

系统通过从现场各控制系统采集到的工艺参数、设备运行参数，故障与报警信息等，通过ODBC功能存储到外部数据库当中，然后通过专业软件处理，实现报警分类查询，报表分类汇总等功能。

真正摆脱手动抄表、报警记录难以找到等组态软件无法解决的问题。

PLC选型
选型依据
目前市场上有许多PLC生产厂家的不同规格、不同型号的产品在不同领域获得应用。

每一种PLC都有自己的特点，但是总体来说欧美国家的产品性能、可靠性、易维护
性等性能指标要好于亚洲其他国家的产品。

通常选择PLC主要考虑以下几个方面的因素：
➢PLC产品整体性能是否满足构建系统的要求。

➢PLC可选产品的全面性及序列化、规模化程度。

➢PLC自身产品的上下兼容性。

➢PLC产品之间的通讯方式、组网方式的可靠性、开放性及数据交换的速率。

➢提供编程软件的易用性、实用性及开放性、可靠性。

➢提供与第三方产品的无缝连接。

➢PLC产品升级更新的时间周期。

➢生产厂家的技术支持、售后服务的实时性和可持续性。

➢PLC产品应用的广泛性及用户满意度。

PLC系统
经过对招标技术要求的仔细研究，和对多家PLC厂家的反复比较，我公司最终选用德国SIEMENS公司提供的PLC产品。

德国SIEMENS是一家全球性的企业，它致力于通过工厂自动化来帮助世界范围的公司管理变化的过程，是德国第一批在满足了由国际标准化组织指定的最全面最严格的所有ISO标准之后，获得ISO9001制造商认证的公司之一。

针对本工程的现场特点、系统规模和目前先进的分布式控制方式，考虑到系统的可靠性、易维护性、易扩充性、高性价比、结构的合理性以及招标要求等，在本系统中采用德国SIEMENS公司的SIEMENS300系列可编程控制器，结合SIEMENS网络，能很好地满足招标要求。

西门子电气公司作为全球电力与控制的领导者，拥有着悠久的历史和强大的实力，其业务涉及配电和自动化与控制两大领域，为能源与基础设施、工业、建筑及民用住宅等四大市场提供着系列齐全的优质产品、解决方案和服务。

SIEMENS，是具有强大处理能力的大型控制系统，可以满足大部分离散和过程控制的经济和灵活的硬件控制平台。

SIEMENS系统同时提供了IEC要求的全部5种编程方式：LD、FBD、SFC、IL、ST，将传统DCS与PLC的优势完美地结合于一体，同时具备了强大的过程控制功能和离散控制功能。

系统特点
由于信息技术的飞速发展，自动化控制系统更加趋向于网络化、信息化，从前面的分析可以看出，不论是系统的实现方式、网络结构，还是对设备的选型，我们都力求使控制系统具有开放、全分布、可互操作以及管控一体化的功能，即集计算机技术、信息技术和自动化技术为一体，详细地说，系统的主要特点有：
•采用分层分布式网络结构，并且网络协议使用了先进的生产者/客户模式来优化生产效率。

生产者/客户模式不仅使系统配置能力得到无限扩大，而且免去了大量复杂的编程工作，从而大大提高了生产效率。

•所有网络均为开放协议，而且都是国际标准，大大增加了用户选择产品的灵活性。

设计方案所用技术及设备具有良好的拓展性和开放性；各子系统设计完整，子系统具有良好的兼容性、一致性、延展性和开放性、工艺及控制流程。

•网络扩展性好、方便，仅在主干网上挂接所需要增加的I/O设备，便可由网络上任一相关的控制器进行控制而不影响整个网络通讯和其他系统。

配置系统时，I/O点
数、机架槽位的冗余量均已超过实际的25%。

•设计灵活，控制系统平台具有网络化背板结构、丰富的通讯能力。

根据工艺需要，任一控制器可灵活组态控制网络上的任何I/O设备，多个CPU可以共享本地和远程I/O数据。

•系统具有完备的自诊断能力。

PLC设备对PLC本身和I/O均具有自诊断能力；工控网络和计算机网络的通讯系统均有检验和应答功能以及自诊断功能确保通讯传输中的正确性。

•维护方便，所有模块均可带电插拔，即使CPU被拔出进行维护时，系统的其他部分包括网络通讯仍照常工作（该CPU所控制的模块已被其他站的CPU组态监控）。

•系统均是故障安全预制，任何一个区域的主机故障只引起该区域系统的关闭，不影响其他设备的运行。

•安全性设计，系统从编程到运行实行多层口令保护，保护系统免遭未授权操作以及应用软件遭到非法更改。

•过程控制方式灵活多样，就地、手动、中央监管相对独立。

•设备运行、过程控制、生产管理三位一体，保证数据的一致性。

•计算机设置WATCHDOG技术防止程序“跑飞”。

•系统设计了完善的电源系统（主、次极）、信号网络、设备等防雷和接地防干扰措施，保证人员安全和电气设备的安全正常运行。