plc控制系统在自来水厂的应用.doc

Premium PLC在自来水厂的应用

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摘 要：本文简单介绍了 Premium PLC和Magelis触摸屏在衡水 谋水厂的应用，以及自来水处理的工艺过程，着重介绍了在这个过程中PLC控制系统的组成，系统配置、选型及系统功能，该系统实现了自来水生产过程中的自动控制，具有操作简便，可靠性高的特点，很多岗位可以实现无人操作，为水厂的无人值守（或少人值守）打下了基础。

一 概述
在河北省美丽的衡水湖畔，栖息着大量的候鸟，这是国家级湿地及候鸟保护区，大面积的湿地和清澈的湖水不仅使这里成为生机盎然的自然保护区，也使衡水地区的市民有了清洁优质的水源， 谋水厂就是衡水市引湖入衡工程的杰作，这个计划最终供水能力达到20万吨/日（一期工程10万吨/日）的水厂位于距衡水湖10公里的河北省衡水市内。水厂建成后可以极大地改善衡水市的自来水供应，是一项造福衡水市民的工程。
本项目由中国市政工程华北设计研究院进行总体设计， PLC控制系统全部采用 的Premium系列产品和Magelis人机界面产品，我们 公司负责仪表和PLC控制系统的配套及盘台柜的设计与成套；上下位应用软件的开发和调试；整个控制系统的有线通讯和无线通讯网络的建立、连通及调试等工作。
是国内最早引进PLC技术的公司，是 在中国最早的合作伙伴之一，从1982年，Modicon PLC引进中国开始， 人就开始了长期的将PLC技术在国内进行推广应用的工作，成为中国研究PLC应用技术的先锋，也是Modicon PLC技术应用方面最有实力的公司之一，在对施耐德PLC产品在中国的推广和应用方面做出了巨大的贡献。
在执行 谋水厂项目的过程中就充分地体现出了 公司的技术实力，解决了很多现场
调试中出现的问题，顺利地完成了调试任务。
谋水厂的仪表及自动控制系统包括以下几部分：

1. 取水泵站和初次加氯仪表及控制系统；
2. 水厂加药间（絮凝剂、助凝剂配药、加药）仪表及控制系统；
3. 水厂加氯间仪表及控制系统；
4. 水厂送水泵房仪表及控制系统；
5. 水厂滤站仪表及控制系统（我们负责中控室上位画面制作及相关数据采集）；
6. 中控室与10km外取水泵房之间无线通讯用PLC系统；
7. 污泥脱水系统（二期建设）
针对每一个控制系统有一个现场触摸屏用于本系统的控制；中控室的上位机操作站通过全厂的有线和无线通讯网络实现对全厂的生产过程及设备进行远程监视和控制。
二 水处理的过程
1. 自来水处理的任务
自来水处理的任务是改变原水的水质以满足饮用水水质的要求。
衡量水质好坏的一个重要的指标是水的浊度，对于不同的用途，有不同的标准。
管网水浊度标准：
国标及水司
供水量m3/d
浊度指标
最大
允许值
国标5745-85

3
5
一类水司
>100万
1
2
二类水司
>50万
2
3
三类水司
>10万
3
5
四类水司
<10万
3
5
衡水市自来水公司属于三类水司，执行三类水司的标准。
2. 常规水处理工艺
常规水处理工艺一般由以下过程组成：
取水（前加氯）——加药（配药、加药）——混合——絮凝（反应池）——沉淀（沉淀池）——过滤（滤池）——消毒（加氯）——恒压送水
3. 药剂的配制与投加
加药控制——加药间内除向溶解罐内投加絮凝剂为人工外，其它操作均可自动运行；
加药系统中设置游动电流检测仪检测投加药剂后的胶体电位，与原设定的电位值相比较后给出控制参数；
该控制参数用以控制计量泵的运行，即随时修正计量泵的转数以改变投药量，从而达到最佳混凝效果。
4. 混合与絮凝
混合的目的是使药剂均匀迅速地扩散到所投加的水流中，形成矾花颗粒。
絮凝就是在外力作用下使具有絮凝性能的矾花颗粒相互接触碰撞，从而形成更大的絮粒，以适应沉降分离的要求。
5. 沉淀与过滤
沉淀池是让水中的悬浮物从水中沉淀出来，并排除这些沉淀物， 谋水厂的沉淀池为平流沉淀池，其出水浊度小于10NTU。沉淀后的水进入滤站进行过滤，过滤是指通过过滤介质截留水体中悬浮固体和其他杂质的过程，对大多数地表水处理来说，过滤是水厂最重要的关键性处理手段，对保证出水水质具有重要的作用。
6. V型滤池工作过程
a) 恒水位滤水过程——控制出水调节阀保持滤池中水位恒定；
b) 反冲洗过程——结束恒水位滤水过程，在反冲洗水、反冲洗气的共同作用下进行滤池清洗。
7. 加氯及控制
前加氯——作用为助凝、除藻。
控制原则：根据进水流量按比例投加。
后加氯——作用为消毒。
控制原则：根据进水流量和余氯负反馈控制加氯量（复合环控制）。
三 控制工艺描述
谋水厂的水处理工艺过程是由取水泵站将衡水湖取水口的水经过预加氯处理后用水泵通过地下管道送到10公里外的地表水厂进行加药、混凝、沉淀、过滤后，由送水泵房送入城市供水管网的，自动化控制贯穿于每个环节之中。
在水处理的过程中，对于所用到的各种设备，要实时检测其运行状态，并根据控制程序实现对其自动控制，涉及的设备主要包括：
水泵——高压水泵、潜水泵
阀门——电动阀、电动调节法、电磁阀
搅拌机——潜水搅拌机、通用搅拌机
滤网——旋转滤网、格栅
计量泵——加药
专用设备——刮泥桥、加氯机
其它——真空泵、空压机等
以水泵和阀门为例说明设备的监控参数：
1. 水泵的监控参数
手/自动——DI（开关量输入）描述水泵受控状态
故障——DI 表示水泵是否正常
运行反馈——DI 描述水泵的运行状态
启动——DO（开关量输出） 启动水泵的指令，对于高压水泵，有合闸指令和分闸指令两个DO。
温度检测点——电机A、B、C三个定子温度；还可选轴温检测；AI（模拟量输入）
2. 阀门的监控参数
谋水厂使用的阀门（闸门）大概包括三类：
a) 电磁阀
手/自动——DI描述电磁阀受控状态
开启反馈——DI电磁阀开启状态反馈
开启指令——DO开启电磁阀的指令
b) 电动阀（或闸门）
手/自动——DI描述电动阀受控状态
开阀到位——DI阀门全开反馈
关阀到位——DI阀门全关反馈
阀门故障——DI故障反馈
过扭矩——DI过扭矩反馈（部分阀门采用）

开阀指令——DO开启阀门指令
关阀指令——DO关闭阀门指令
c) 电动调节阀
手/自动——DI描述电动调节阀受控状态
阀门故障——DI故障反馈
关阀到位——DI阀门全关反馈
阀位反馈——AI阀门开度反馈
阀位指令——AO（模拟量输出）通过电动执行器控制阀门开度
3. 设备轮值
自控系统除了要控制上述设备按照工艺要求协调运行外，还要控制某些设备轮值工作，比如送水泵站的5台水泵，除了按照需要的管网压力确定送水泵的开启数量和组合方式外，还要记录每台水泵的运行时间，停止时间及故障状态，按时轮换工作水泵，避免某一台水泵长期运行，达到以最可靠、最经济的模式运行的目的。

四 系统组成

仪表自动化控制系统网络示意图：

仪表自动化控制系统主要由检测仪表及PLC控制站，触摸屏操作站和上位机操作站组成，控制系统的模拟量I/O与仪表相连实时检测各种数据，开关量I/O与设备控制柜相连监控设备的状态并按照逻辑控制程序控制设备自动运行。电力参数仪表通过RS-485串行通讯将各种电力参数送入系统。
仪表自动化控制系统分为如下几个子系统：
1. 取水泵站仪表及控制系统PLC1
2. 加药间仪表及控制系统（含加氯间仪表及远程站控制系统）PLC2
3. 滤站仪表及控制系统PLC3
4. 送水泵房仪表及控制系统PLC4
5. 污泥脱水控制系统PLC5
6. 中控室无线通讯用PLC系统PLC6
7. 加药间加药泵控制系统PLC7（Siemens S7-200系列PLC）
每个子系统独立控制各自的设备运行，各个子系统之间采用通讯的方式相连接，并连接到中控室上位机操作站。
PLC1——PLC6均选用Schneider Premium TSX系列PLC （TSXP57303M或TSXP57203M），PLC7为加药设备自带的Siemens S7-200系列，通过串口与PLC2进行通讯。
PLC2中使用了BUS X总线远程主框架模块TSX REY 200以解决加氯间与加药间距离超过100m的问题。
在每套PLC控制系统中还配置了用于现场操作工使用的触摸屏操作站——Shneider的Magelis人机界面产品——XBTF034110。

除上述PLC系统外，中控室还配置了三台上位机工作站，其中两台用于日常运行操作，另一台配备投影仪实现操作画面的大屏幕投影用于教学、展示和培训。
全厂仪表及控制系统PLC通过四种通讯方式实现系统的连通：

1. Modbus plus网络——控制系统PLC之间以及与中控室上位机之间使用MB+连接；
2. 无线电台的通讯方式——取水泵站距水厂10公里，采用无线电台与中控室PLC建立数据通讯，从而将取水泵站与地表水厂的控制系统联系起来，在水厂中控室不仅可以监视取水泵站PLC系统所控制的设备的状态，而且可以直接发出操作命令实现远程操作；

3. UNI-TE网络——每一台PLC与相应的触摸屏操作站之间的通讯采用UNI-TE的方式；
4. RS232/RS485串行通讯网络——PLC与电力智能仪表之间；施耐德PLC与西门子PLC之间是通过RS232/RS485串行通讯网络，使用Modbus协议实现的。
逻辑编程使用Schneider的TLXCDPL7PP41M PL7 Pro逻辑编程软件；触摸屏HMI人机接口使用XBTL1003E Magelis终端软件；中空室上位机操作站使用Intellution 的Fix监控软件。
五 系统功能
以我们开发的触摸屏工作站画面和中控室操作站画面为线索简述各个子系统的功能：
1. 取水泵站：
根据配水井和集水井液位自动确定几台大小不同功率的水源提升泵的开启数量和大小组合，并实现轮值工作。

2. 加药加氯：
实现自动配药、自动加药；自动加氯和切换氯瓶称

3. 反应沉淀池：
根据泥位控制吸泥机的工作，检测泥位，液位，控制排泥伐定时开启和关闭。

4. 滤站：
自动控制五个V型滤槽的过滤和反冲洗过程，控制公共部分的水泵和鼓风机实现反冲洗水反冲洗气的控制，以及各种阀门的自动控制，使滤槽依次轮流处于过滤和反冲洗的过程中。

5. 送水泵站：
根据管网压力及流量需求，自动确定送水泵的开启数量和组合方式，轮值工作。
以下为按设备划分的控制逻辑和过程
1. 水泵系统
a) 相互连锁的设备：
真空泵
电磁阀
水泵阀门
水泵——水泵后压力表
b) 启泵时的条件分为：
水位高于水泵泵壳
水位低于水泵泵壳
c) 启泵程序
水位高于水泵泵壳时：
启动水泵——水压达到零流量的封闭扬程时开启电动阀；
水位低于水泵泵壳时：
启动真空泵、开启真空管路电磁阀——真空罐达到高水位时关电磁阀、停真空泵——启动水泵——水压达到零流量的封闭扬程时开电动阀。
d) 停泵程序
关闭电动阀——停止水泵运行
2. 自动配药系统
a) 相互连锁的设备
溶药罐进水阀
溶药罐搅拌机
耐酸泵
溶液池进水阀
溶液池搅拌机
溶液池出液阀
液位计
b) 自动配药流程
溶解——溶药罐：
人工或机械投入定量固体药物——人工开启进水阀（启动配药流程）——到达某一液位开启搅拌机——到达高液位时关闭进水阀——保持一定时间停止搅拌机——溶药结束——等待溶液池液位处于低液位时开启耐酸泵将溶解好的药液提升到溶液池；
稀释——溶液池：
溶药罐到达低液位时关闭耐酸泵——开启进水阀——到达某一液位时开启搅拌机——到达高液位时关闭进水阀——保持一定时间后关闭搅拌机——根据条件开启出液阀向投加系统供药——在供药过程中周期性定时启闭搅拌机
c) 自动加药流程
定量投加
投加设备——隔膜计量泵；
需要输入的参数为：
胶体电位检测值
原水流量
对计量泵的控制指令为：
计量泵转速——变频器频率
计量泵冲程
计量泵轮值及冲洗
3. 吸泥机系统
a) 相互连锁的设备及仪表
行车
虹吸水泵
泥位计
b) 启动吸泥机的条件
泥位计读数达到设定值
c) 控制程序
泥位计读数到达设定值（AI）——启动虹吸水泵（DO）——收到虹吸形成信号（DI）后关闭水泵——启动行车前进（DO）——到达止点（接近开关或限位开关）（DI）——停止行车前进，启动行车后退（DO）——如此往复到达规定时间或循环次数后关闭行车。
4. 加氯系统
a) 相互连锁的设备及仪表

氯瓶秤及压力切换器
加氯机
增压泵
b) 设备的运行条件
加氯过程中始终保持增压泵不间断地轮值工作
c) 氯瓶秤及切换
1#氯瓶秤低限时：
开启2#切换器阀门——关闭1#切换器阀门——人工更换1#氯瓶阵列
2#氯瓶秤低限时
开启1#切换器阀门——关闭2#切换器阀门——人工更换2#氯瓶阵列
d) 加氯机的控制
前加氯机
送入水流量信号（AO）
监测加氯量反馈信号（AI）
按比例投加控制加氯机
后加氯机
送入水流量信号（AO）
送入滤后水余氯信号（AO）
监测加氯量反馈信号（AI）
按复合环方式控制加氯机
e) 增压泵的控制
加氯期间始终保持有增压泵运行
根据运行时间自动切换增压泵的运行状态保持轮值工作
5. 漏氯吸收装置
a) 相互连锁的设备及仪表
漏氯报警仪（低报警、高报警）
轴流风机
漏氯吸收风机
漏氯吸收碱泵
b) 设备的运行条件
低报警时启动轴流风机排风
高报警时启动吸收装置风机及碱泵
c) 自动控制程序
漏氯报警仪低报警时（ DI）
启动轴流风机向室外排风（DO）
低报警信号消失时延时一定时间关闭轴流风机
漏氯报警仪高报警时（ DI）
关闭轴流风机停止排风
启动吸收装置风机及碱泵（DO）
6. PLC系统的在线诊断
中空室上位机操作站不仅可以实现对全厂的被控设备进行监控，还可以对每一套PLC系统进行在线监控，详细反映PLC系统的运行状态，便于及时发现故障并排除。

六 应用总结
在控制系统的安装和调试过程中，我们运用 20余年来应用PLC所积累的经验，成功地解决了调试中出现的种种问题，顺利地完成了系统调试。
例如，在调试加药间与加氯间的BUS X总线远程通讯的过程中，出现了通讯不稳定，远程站断电会造成主机死机等不正常现象，经查安装过程完全符合Schneider的相关技术规范，我们经过细致的分析和判断，确定是长电缆的阻抗匹配问题，并巧妙地增加了几个匹配电阻，系统终于稳定可靠地工作了。
通过各方的共同努力，我们完成了控制系统的集成与调试，不仅为Schneider 自动化产品的应用建立了一个新的业绩，也更丰富了我们的实际应用经验。