自来水厂自动化解决方案

自 来 水 改 造 工 程 仪 表 及 自 控 系 统

自控方案

自来水厂改造工程项目组

二零一四年十月三十一日

1 自控系统建立的必要性

自来水生产过程中机械和电气设备必然产生磨损，因此在日

常生产过程中就需要时刻关注重要设备的运行状态。虽然水厂都配置了大量的设备维护人员，但通常情况下只有当维护人员到达现场后才能发现设备故障，且发现的往往都是比较严重的故障，会直接影响正常生产的开展。为了提高设备维护的主动性及时发现设备故障，维护人员需要一个平台来实时了解设备运行状态及运行参数。

综上所述，在水厂日常生产过程中为了更好实施工艺管理，需要建立一个能够直观反映实际生产状况的平台；为了更好地保障设备的正常运行，需要建立一个能够有效反映水处理过程中各重要设备状态及信息的平台。

水厂自控系统具备实时显示生产过程中工艺参数，重要设备运行状态及参数的功能，水厂自控系统的建立能够同时满足工艺和设备维护的需求，为水厂的日常生产的正常开展提供了一个平台。同时，自控系统不仅仅具有信息显示的功能还具备对设备进行远程操作的功能，同时PLC系统还能实现对风机、水泵的远程控制，实现自动投药、自动加氯及滤池恒水位控制及滤池自动反冲洗的功能。自控系统建立后，可以通过自控系统实现对生产现场风机、水泵及阀门的远程操作，并实时反馈设备的操作结果。不再需要运行人员到现场进行设备操作，可实现生产现场的无人值守。运行人员可以将注意力更多的集中到对生产流程的掌握和

控制，大大提高了劳动生产率。另外，自控系统能够将实时生产数据保存下来，并以趋势图的方式显示出来，便于运行人员及时查看历史生产状况。因此，自控系统的建立不仅满足了工艺人员和维护人员的需求，极大的提高了劳动生产率，同时也为生产管理的提升提供了有效的数据支持，在水厂的日常生产和管理中扮演了重要作用。

2 自动控制系统说明

随着工业网络日益发达，工厂控制的复杂多样性，对工业网

络要求也越来越高，普通的网络系统已经无法满足于现在自动化的发展趋势，。因此，建议将网络拓扑结构为光纤以太网环网结构，在这种网络拓扑结构下，每个子站都可通过两条不同的通道与中控室进行通讯，即使网络中的一处光纤受到损伤，也不会影响中控室与主站之间的通讯。

3 网络通讯拓扑

注：所有模块I/0设计均进行预留，如果暂缓实施，删减相应I/0模块。

4自动控制系统的构成

自来水改造工程仪表及自控系统按分散控制，集中管理的原则设置，全厂设一处中央控制室，管理全厂生产过程，在送水泵房、消毒间、滤池、加药间、污泥脱水间分别设置PLC控制站，PLC站组成光纤以太环网。各控制站负责处理局部的数据采集和控制任务。

自动控制系统具备以下功能：

1) 在线实时显示各工艺环节生产数据，并根据工艺的要求对生产过程中的异常数

据的严重程度进行不同方式的醒目显示及报警信息提示。 2) 实时显示水厂生产过程中各重要设备的运行状态及参数，将实际运行参数与设

备额定运行参数之间进行比较，对异常参数按照严重程度进行不同方式的醒目显示及报警系信息提示。

3)水位情况来对进水机泵进行调节的能力，从而实现进水流量调节的功能。

4) 根据进水流量及进水水质情况建立数学模型来实现投药系统的自动控制。

5) 采用PID调解实现滤池恒水位过滤；反冲滤池根据水位、滤料层上下压差、时间等参数实现运行—反冲洗—再运行的全自动过程；同时也可以实现在操作界面上进行人工强制自动反冲洗

6)加氯设备实现自动投加功能，前加氯根据原水进水流量比例投加，比例参数可在监控终端上进行手动调节。后加氯根据滤后水流量比例及余氯反馈值实现氯投加量自动调节。

7) 在线实时监测清水池液位。采用自动控制变频调节。

4.1 设备控制方式

水厂内主要的工艺设备设中央控制、现场控制两层控制模

式。中央控制由水厂中央控制室操作人员在工作站上完成，具有最低的控制优先级；现场控制则在现场触摸屏上操作完成，具有最高的控制优先级。

中央控制层设有“自动/手动”的两种控制方式，其中手动控制由操作人员在中央控制室内的工作站上进行设定和控制。 现场控制层设有“远程/就地”的两种控制方式，其中远程方式是由该设备或仪表所联接的PLC控制站进行控制，就地方式是由操作人员在现场触摸屏上进行手动操作和设定。通常情况下，采用远程方式进行控制，在控制系统维护或者检修期间，切换到就地方式由人工对设备进行操作，确保生产过程的连续进行。

5中央控制室

中央控制室（以下简称中控室）是整个控制系统的核心，集成了生产过程中所有实时数据（工艺参数及设备参数），能够对水厂的全部生产过程进行集中监视、管理及控制。同时，能够对生产过程中出现的各类报警信号进行分级醒目显示及报警信息提示，同时可记录重要历史生产数据，并生成相应的曲线便于工艺人员了解过往生产过程。

系统结构

中央控制室通过光缆环网与各PLC控制站进行通讯，中控室内设两台操作站计算机用于监控水厂的运行。操作人员通过监控工作站的人机界面监视生产过程，调整工艺参数，控制现场设备。

5.1 系统功能 5.1.1 运行监视

操作员通过操作站计算机对水厂的生产过程进行监视，包括各主要设备的状态、主要现场数据，如进出口水质、流量、液位、工艺参数、设备状态、电力参数、电量数据、事故报警、历史数据趋势等，用于全盘掌握水厂的生产过程。

5.1.2 数据管理

操作站计算机记录有各单体控制系统上报的现场数据，并对这些数据进行处理，形成历史数据库、生产报表、统计报表等。根据历史数据库，可以分析产品质量、能耗指标、成本指标等，并对设备的运行和维护周期进行管理。

5.1.3 报警处理

当水厂工艺过程或设备运行出现异常时，中控室立即响应，发出醒目提示及声、光报警提示信号：

醒目提示：当工艺参数或者设备参数发生异常情况后，根

据异常程度改变原有显示字体的颜色或闪烁显示，以便运行人员及时发现异常情况。

声报警：由安装于操作站计算机内的扬声器发声，声报警可在人工确认后消除；

光报警：操作站计算机屏幕上闪光显示报警内容，光报警在故障排除，运行恢复正常时自动消除。

报警类型包括：

1) 配电开关跳闸，保护装置动作；

2) 电源设备故障，发电机故障，频率过低过高； 3) 仪表设备工作异常；

4) 超高液位、超低液位、流量异常； 5) 工艺数据超限；

6) 设备工作异常、进线开关跳闸、保护装置动作； 7) 闸门、闸阀设备故障、操作超时、运行不到位； 8) 控制系统自检发现异常，状态逻辑错误； 9) 通信故障；

5.1.4事件处理

事件是指运行事件和重要的系统操作，事件登录按时间顺序排列，以下事件都要记入不可修改的事件登录薄： 1) 中控室和各单体控制系统的操作员登录；

2) 2) 控制命令和结果； 3) 3) 修改设定值； 4) ) 写入数据；

5) 全部的报警、确认和删除。

5.1.5 报表及打印功能

中控室自动生成客户化的日报表，阶段报表和事件驱动报表 (包括事件和报警文件)等。报表中有实时数据和统计数据，并可以插入说明文字。系统生成的文本，表格，图形，报表等内容均可在打印机上输出。

5.2 上位监控软件说明

在操作站计算机上安装上位监控软件，负责提供清晰、良好的人机界面，便于操作人员操作，包括监视全厂各工业设备运行状态、工艺参数，完成报警、历史数据、历史趋势曲线的储存、显示和查询。实时生成、打印各类生产运行管理报表。利用监控软件开发平台对软件进行应用开发。具体功能描述如下：

5.2.1 用户管理

在监控系统中，根据不同的用户设置不同的权限： 1) 工程师（系统维护人员）：超级用户，具有所有权限。 2) 操作人员：根据不同的操作人员设置不同的操作权限，操作

人员无法主动退出监控系统。

5.2.2 监视画面

为了便于直观观看整个厂的总貌和生产流程，实时显示检测到的数据，设计如下监视画面：

1) 全厂总貌图：显示全厂各工艺点分布情况以及重要水质参数、重要设备运行情况，点击各显示工艺点可以切换至其工艺点监视画面。

2) 生产工艺流程图：现场设备的图片，工艺流程图，设备简图，单线图等。画面包括数字、字符和图形符号，通常采用可变化的颜色、图形、闪烁表示过程变量的不同状态，所有过程变量的数值和状态动态刷新。 3) 实时数据显示：

4) 历史趋势图：用户可根据需要输入查询时间，以曲线的方式在历史趋势图上显示出来。

5) 系统报警图：显示当前所有运行参数报警，系统硬件故障报警，报警优先级和

状态通过不同的颜色来区分。报警内容包括：报警时间、报警设定值、报警名称、报警产生原因、报警维持时间以及报警优先级别等。

5.2.3 控制画面

根据不同的用户权限，不同的用户具有不同的控制功能。在监控软件的控制画面上即可设置工艺参数，也可对工艺设备进行启停操作，还可对故障设备进行标记，使其退出生产，待维修后，重新投入使用。

5.2.4 报表

根据用户要求设定报表格式，报表即可选择打印，也可定时打印。报表包括固定的生产报表和事件顺序报表、诊断报表、设备操作记录等。

6 PLC系统

按照控制对象的功能、设备量和所在地理位置划分，全厂共设置7座PLC控制站，分别安装在中控室、消毒间、一期滤池、加药间、污泥脱水、二期滤池、水泵房。PLC控制站配置10.4”彩色触摸屏，方便操作人员巡检，就地操作及设备调试。各PLC站监控范围如下：

CP1控制站设在送水泵房内，监控范围包括加氯间、送水泵房、清水池、吸水井设备及出水仪表。

CP2控制站设在消毒间内。

CP3控制站设在一期滤池，监控滤池处理情况。

CP4控制站设加药间内，监控范围包括加药间，提升泵房以及原水仪表。

CP5 控制站设在污泥脱水，监控污泥脱水处理情况。 CP6 控制站设在二期滤池，监控滤池处理情况。 CP7 控制站设在水泵房。

6 配置清单

PLC推荐采用国际知名品牌SIEMENS公司产品，S7-300是SIMATIC控制器中销售量最多的产品，它已成功地用于范围广泛的自动化领域。S7-300 的重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台。这就是说，S7-300 是用于集中式或分布式结构的优化解决方案。坚持不懈的创新和改革使S7-300这个广泛应用的自动化平台能持续不断的升值。

PLC1（中控室） 型号 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1 1 数量 234 8775 643.5 6084 4200.3 1928.16 5046.21 3032.64 3022.11 11349 6843.33 单价 0 234 8775 643.5 6084 8400.6 1928.16 10092.42 3032.64 3022.11 11349 6843.33 合计 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 模拟量输入模块2通道 6ES7 331-7KB02-0AB0 模拟量输出模块4通道 6ES7 332-5HD01-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出16点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 开关电源 PLC2（消毒间） 6ES73071KA020AA0 S8JC-Z15024C 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 模拟量输出模块8通道 6ES7 332-5HF00-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出16点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 6ES73071KA020AA0 开关电源 S8JC-Z15024C PLC3（一期滤池） 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 332-5HF00-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出32点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 6ES73071KA020AA0 开关电源 S8JC-Z15024C PLC4（加药间） 导轨 6ES7390 6ES7 1 1 1 1 1 1 3 1 2 1 1 1 1 1 3 1 1 1 7 8 4 1 1 1 2 1 1310.4 1310.4 157.95 157.95 0 0 0 234 8775 643.5 6084 4200.3 6684.21 3032.64 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 234 8775 643.5 6084 4200.3 3032.64 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 234 234 8775 643.5 6084 12600.9 6684.21 6065.28 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 0 0 0 0 702 8775 643.5 6084 29402.1 24261.12 12088.44 11349 6843.33 1310.4 315.9 0 0 0 0 234 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 模拟量输出模块8通道 6ES7 332-5HF00-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出32点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 6ES73071KA020AA0 开关电源 S8JC-Z15024C PLC5（污泥脱水） 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出32点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 6ES73071KA020AA0 开关电源 S8JC-Z15024C PLC6（二期滤池） 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 1 1 1 3 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 3 1 1 1 4 8 8775 643.5 6084 4200.3 6684.21 3032.64 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 234 8775 643.5 6084 4200.3 3032.64 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 234 8775 643.5 6084 4200.3 3032.64 8775 643.5 6084 12600.9 6684.21 6065.28 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 0 0 0 0 234 8775 643.5 6084 4200.3 12130.56 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 0 0 0 0 702 8775 643.5 6084 16801.2 24261.12 数字量输出32点 西门子10寸触摸屏 交换机 电源模块 开关电源 PLC7（取水泵房） 6ES7 321-7BH01-0AB0 6AV2124-0MC01–0AX0 6GK5204-2BB10-2AA3 6ES73071KA020AA0 S8JC-Z15024C 6ES7390 6ES7 导轨 390-1AF30-0AA0 CPU 6ES7 315-2EH13-0AB0 MCC存储卡 6ES7953-8LJ30-0AA0 以太网模块 6GK7 343-1EX21-0XE0 模拟量输入模块8通道 6ES7 331-7KF02-0AB0 数字量输入32点 6ES7 321-1BL00-0AA0 数字量输出32点 6ES7 321-7BH01-0AB0 西门子10寸触摸屏 6AV2124-0MC01–0AX0 交换机 6GK5204-2BB10-2AA3 电源模块 6ES73071KA020AA0 开关电源 S8JC-Z15024C 4 1 1 1 2 1 1 1 2 3 1 1 1 1 1 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 234 8775 643.5 6084 4200.3 3032.64 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95 12088.44 11349 6843.33 1310.4 315.9 0 0 0 0 0 8775 643.5 6084 8400.6 9097.92 3022.11 11349 6843.33 1310.4 157.95