大型水厂自动控制系统的设计与实现.pdf

第 44 卷 第 8 期2023 年 8 月自 动 化 仪 表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.44 No.8Aug.2023收稿日期:2022-08-04作者简介:王胜利(1969),男,学士,工程师,主要从事市政水厂生产管理方向的研究,E-mail:wangshengli0210 ;胡田力(通信作者),男,硕士,工程师,主要从事市政给排水工程的电气、仪表及自控设计方向的研究,E-mail:hutainli582 大型水厂自动控制系统的设计与实现王胜利1,胡田力2,刘 胜3(1.北京市自来水集团有限责任公司,北京 100031;2.北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082;3.成都市信高工业设备安装有限责任公司,四川 成都 610081)摘 要:为满足某大型水厂安全、稳定、可靠的生产运行需求,助力现代化水厂的建设,设计了 1 套自动控制系统。设置了信息层、控制层和设备层 3 个层级,使系统架构具有高可靠性、先进性和较强的适用性等特点。硬件部分采用热备冗余及光纤环网技术,提升了控制系统的稳定性和可靠性。软件部分从工艺流程出发,梳理各工艺流程节点的控制需求,整理出完整、有效的控制策略。该控制策略有效地指导了可编程逻辑控制器(PLC)程序和数据采集与监视控制(SCADA)系统组态程序的开发。自 2016 年 7 月至今,该水厂自动控制系统实现了水厂边缘控制,提供了友好人机交互界面,辅助了一系列远程自动化调度,满足了水厂生产运行需求,提高了水厂生产效率。关键词:自动控制系统;热备冗余;光纤环网;控制策略;数据采集与监视控制系统;边缘控制;人机交互;自动化调度中图分类号:TH7 文献标志码:A DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2022080026Design and Implementation of Automatic Control System for Large Water PlantsWANG Shengli1,HU Tianli2,LIU Sheng3(1.Beijing Waterworks Group Co.,Ltd.,Beijing 100031,China;2.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100082,China;3.Chengdu Xingao Industrial Equipment Installation Co.,Ltd.,Chengdu 610081,China)Abstract:An automatic control system is designed to meet the demand for safe,stable and reliable production and operation of a large water plant,and to help the construction of a modern water plant.Three layers of information layer,control layer and equipment layer are set up to make the system architecture with the characteristics of high reliability,advanced and strong applicability.The hardware part adopts hot standby redundancy and fiber optic ring network technology to improve the stability and reliability of the control system.The software part sorts out the control requirements of each process node from the process flow,and organizes a complete and effective control strategy.The control strategy effectively guided the development of the programmable logical controller(PLC)program and supervisory control and data acquisition(SCADA)system configuration program.Since July 2016 to date,this water plant automatic control system has realized water plant edge control,provided a friendly human-machine interaction interface,assisted a series of remote automation scheduling,met the water plant production and operation requirements,and improved the water plant production efficiency.Keywords:Automatic control system;Hot standby redundancy;Fiber optic ring network;Control strategy;Supervisory control and data acquisition(SCADA)system;Edge control;Human-machine interaction;Automated scheduling0 引言北京某地区 于 2016 年 建成了 1 座日供水量500 000 m3的大型供水厂。该水厂的建成缓解了该地区供水压力,大大提高了城市供水的安全性,保障了该地区供水量并改善了供水水质1,为该地区的社会经济发展奠定了基础。此大型水厂通过工艺方案比选,采用了“常规处理+臭氧活性炭+超滤膜+紫外处理”的工艺组合形式。根据工艺流程,供水厂配套新建了一系列建(构)筑,包括格栅间、提升泵房、预臭氧接触池、机械加速澄清池、臭氧接触池、紫外消毒间、炭吸附池、超滤膜车间、第 8 期大型水厂自动控制系统的设计与实现 王胜利,等清水池、配水泵房、污泥脱水机房、排泥池、浓缩池、脱水机房、加药间和变电站等。为满足安全、稳定的生产运行需求,水厂配套设计了 1 套自动控制系统。该系统构建了信息层、控制层和设备层 3 层网络架构。其中,硬件系统部分包括上位监控系统、现场控制分站、现场控制设备及在线仪器仪表 4 个部分。软件程序部分的实施内容包含水厂各工艺流程段的控制要求及相关策略,并利用可编程逻辑控制器(programmable logical controller,PLC)编程软件将实施内容转变成机器语言,实现了工艺流程程序化、设备控制自动化。为便于生产运行人员实现水厂全工艺流程的可视化监控、管理及运维,水厂还配套编制了 1 套上位数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统程序。1 自动控制系统架构设计水厂自动控制系统立足于系统的可靠性、先进性和适用性,实现了全厂运行管理的集中监视调度和分散控制。自动控制系统由 3 层网络结构及其设备构成2。全厂自动控制系统配置如图 1 所示。图 1 全厂自动控制系统配置图Fig.1 Plant-wide automatic control system configuration diagram 自动控制系统自上而下分别为信息层、控制层和设备层。信息层由操作员站、工程师站、服务器、工业以太网交换机和网络打印机等设备构成。信息层采用基于 IEEE 802.3u 标准的百兆以太网。传输介质为超六类双绞线。控制层由现场控制分站和工业以太网交换机组成。控制层采用基于 IEEE 802.3ab 标准的全双工千兆以太网。传输介质为单模光纤。设备层由现场控制设备和各种智能在线检测仪表系统组成。设备层采用基于 IEC 61158 标准的现场总线通信方式、可寻址远程传感器高速通道的开放通信(highway addressable remote transducer,HART)协议通信方式或输入/输出(input/output,I/O)接点方式与现场控制单元或现场控制分站进行通信。其中,现场总线协议根据控制设备和仪表选型确定。依据系统架构设计,以下分别从硬件系统和软件程序 2 个方面详细阐述自动控制系统的设计内容和实现过程。2 硬件系统设计自动控制系统硬件部分主要由 SCADA 系统、现场控制分站、现场控制设备及在线仪器仪表组成。2.1 SCADA 系统中心控制室配置 2 套数据服务器、2 套工程师站、6 套操作站计算机和 1 台以太网核心交换机。数据服务器相互冗余,安装了 Windows2012 Server操作系统和 King Historian20000 点数据库软件。数据服务器实现数据存储、数据管理、报警记录、数据查询和网络管理等功能3。其中,数据可根据用户指定的采样周期进行存储4。数据管理主要包括历史数据的存储、查询、显示5。工程师站相互冗余,安装了 Windows7 操作系统和King SCADA 无限点开发和运行版监控软件,负责与各现场控制分站进行实时数据交换和运行监控,并能完成对 PLC 程序的编辑和维护工作。操作站安装了 Windows7 操作系统和 King SCADA无限点运行版监控软件,在中心控制室以客户端的方式监控生产工艺流程,以实时对现场工艺、电气、仪表及其他设备进行监控、操作。同时,操作站可完成报表制作、历史信息查询、报警归档等。由于各操作站独立运行,单个操作站计算机的故障或损坏不会影响整个系统的运行和性能6。75自 动 化 仪 表第 44 卷以太网交换机用于实现 SCADA 系统与现场分站的实时通信。2.2 现场控制分站自动控制系统为开放的分布式控制系统。自动控制在配水泵房变配电室设中心控制室,并在污泥处理车间、提升泵房变配电室、膜车间变配电室、臭氧车间、综合加药间、配水泵房变配电室设置 6 个现场控制分站。现场控制分站配置施耐德 Quantum 系列 PLC、工业操作屏、以太网交换机、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)及防雷电保护装置7,并内置针对区域工艺及设备的监控而开发的应用程序。现场控制分站配有可供现场操作人员使用的工业操作屏,以便操作人员就地监控。现场控制分站可独立于水厂中心控制室进行区域及相关工艺过程的监控。工业操作屏设置不同级别的访问权限,以确保系统的安全、可靠运行。2.3 现场控制设备现场控制设备主要包含工艺水泵、阀门、格栅及其他成套设备自带的控制箱(柜),可通过硬接线、现场总线及以太网的通信方式将信息传输至现场控制站。2.4 在线仪表系统供水厂共设置了 206 套过程检测仪表和 76 套水质检测仪表。过程检测仪表主要选用德国西门子(Siemens)公司产品,用于检测压力、物位及流量信息,在不同的工艺段分别设置压力变送器、超声波液位计、超声波液位差计、静压式液位计、电磁流量计、气体流量计、转子流量计和泥位计等。水质检测仪表主要选用美国 HACH 公司产品8,用于检测水中氢离子浓度指数(简称 pH)、电导、浊度、氨氮、溶解氧、余氯、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)等信号。在不同工艺段,分别设有 pH 仪、电导仪、浊度计、氨氮仪、溶解氧仪、余氯分析仪和 COD 仪等。上述仪表通过420 mA、010 V 等模拟量信号或可寻址远程传感器 HART、Profibus DP 协议等数字量信号将测量信息传送给现场控制站。3 软件程序设计3.1 工艺流程控制策略(1)进水总管、格栅间、集水池、提升泵房。进水总管调流阀的控制与集水池的液位信号联动。当出现溢流报警状态时,系统关闭调流阀。回转式格栅机前后各设手电动板闸,保证格栅运行时手电动板闸处于开启状态。格栅停止时,手电动板闸处于关闭状态。回转式格栅开启控制条件为:液位差计的液位差达到设定值时自动开启;根据时间控制、运行经验设定格栅的开启、关闭时间,且时间可调。集水池设置液位计。集水池液位信号实时上传SCADA 系统。当集水池的水位达到溢流水位或停泵水位时,SCADA 系统发出报警信号。提升泵的联动控制要考虑 3 个因素,分别为集水池水位、节能要求和水泵运行时间与次数。考虑到水泵运行时间、开停次数均衡、控制水泵开停的原则,控制系统先开先停,并且优先启动累计运行时间最短的水泵2。此外,单台水泵每小时启动次数不多于5 次。(2)进水井、预臭氧接触池、机械加速澄清池。进 水井的控制。当水位 达到溢流 水 位 时,SCADA 系统发出溢流报警。预臭氧接触池。预臭氧投加的控制由臭氧制备系统负责。臭氧发生器预备投加预臭氧前,先启动臭氧冷却水循环泵。臭氧冷却水循环泵的开泵信号为臭氧发生器启动的必要条件。机械加速澄清池。机械加速澄清池的排泥阀开闭与污泥浓度计联动,以实现控制排泥。系统采用超声波液位计、污泥界面仪监视水位和测定污泥层。第一反应室和第二反应室之间装有污泥浓度计,用于测定污泥浓度、帮助控制排泥周期。(3)臭氧接触池、紫外消毒间。臭氧接触池。主臭氧投加的控制由臭氧制备系统负责。臭氧发生器预备投加主臭氧前,先行开启臭氧冷却水循环泵。臭氧冷却水循环泵的开泵信号为臭氧发生器启动的必要条件。紫外消毒间。紫外消毒间内设置紫外反应器,根据进水溢流井单格来水流量确定紫外投加剂量。(4)炭吸附池及设备间。炭吸附池有过滤及反冲洗 2 种工况。当炭吸附池处于过滤工况时,采用液位信号作为反馈条件,运用比例积分微分(proportional integral differential,PID)算法控制出水阀阀门开度,以实现滤池液位恒定4。当炭吸附池处于反冲洗工况时,有 3 种冲洗方式,分别为常规流量水洗、大流量水洗和气水顺序冲洗。滤池冲洗的控制条件为以下 3 个。根据时间控制,冲洗时间可调。根据水损控制,冲洗完成后进行正常过滤前,需85第 8 期大型水厂自动控制系统的设计与实现 王胜利,等先进行初滤水排放。初滤水排放阀与在线初滤水浊度计联动,排放的初滤水需排放至集水池。人工确定冲洗。滤池的工况、出水浊度等参数值上传至 SCADA 系统,并在中心控制室生成滤池的总貌画面及各池运行状态画面。(5)超滤膜车间。超滤膜系统有正常过滤、反冲洗、维护性清洗和恢复性化学清洗 4 种工况2。反冲洗工况包含水洗和气洗。维护性清洗工况包含化学清洗、水洗和反洗。恢复性化学清洗工况的顺序为碱洗漂洗酸洗漂洗2。超滤膜设备为系统招标,控制系统及其策略最终由设备供货厂家提供。(6)清水池、配水泵房。清水池液位监测。当水位达到溢流水位及停泵水位时报警。配水泵房安装 6 套调速水泵机组,操作站即时显示相关数据 水泵的并联特性曲线、管路特性曲线、每台泵出水量及总取水量、在高效区范围内的工作点位置、出水总管压力值。根据调度要求开启相应的配水泵机组,同时运用 PID 算法实现出水总管水压的恒压控制。每台配水泵的开停在 PLC 上完成一步化操作9。配水泵的控制既受清水池水位控制,又要考虑节能降耗及设备运行时间。因此,配水泵的自动控制分为水位控制和水泵平均运行分配控制。另外,单台水泵每小时启动次数不多于 5 次。水泵开启数量根据配水量控制。液位控制是在清水池水位下降至停泵水位时,停泵并发出低水位报警。考虑到配水泵机组运行时间、开停次数均衡,控制水泵开停的原则采用先开先停,并且优先启动累计运行时间最短的水泵。(7)排泥池、浓缩池。排泥池接收机械加速澄清排泥池的泥水和集水池的底泥。排泥池上设置超声波液位计,用于控制排泥池提升泵的开停。浓缩池均匀接收来自排泥池的底泥。在浓缩池上方设置超声波液位计,到达高水位时停止排泥池底泥泵。配水泵机组一步化控制流程如图 2 所示。图 2 配水泵机组一步化控制流程图Fig.2 One step control flowchart of water distribution pump unit(8)储泥池、脱水机房。储泥池设置超声波液位计和潜水搅拌器。浓缩池底泥经污泥泵提升至储泥池。储泥池上方装有超声波液位计,用于控制污泥提升泵、储泥池进泥管阀门以及脱水机进料泵的开停。当储泥池池内泥面淹没污泥搅拌器浆叶时,潜水搅拌器启动。脱水机房安装脱水机及其附属设备。脱水机系统根据进水浊度设置相应单日运行时长。污泥脱水机系统的开启顺序为开启螺旋输送机脱水机加药设备污泥泵。该系统关闭时顺序相反。(9)加药系统。加药系统包括投加聚铝系统和投加三氯化铁系统。每套加药系统设置工作泵和备用泵。当工作泵故障时,备用泵自动投入工作。加药泵的控制顺序为先开吸药阀,再开加药泵,采95自 动 化 仪 表第 44 卷用进水管上流量计进行流量比例投加。(10)加氯系统。加氯系统包括 3 套子系统,分别为预加氯、主加氯、补氯。每套系统设置工作泵和泵用泵,在发生故障时自动切换,也可定期通过加氯泵前的电动球阀切换工作泵。预加氯(流量控制)。预加氯投加点位于集水池格栅间。投加控制根据进水流量计,按流量比例投加。主加氯(复合环控制)。主加氯投加点位于每座清水池进水管10。投加控制信号由每个系列进水管流量计、炭吸附池出水余氯计提供。其中,进水管流量计提供进水流量值,用于设定控制区间;余氯计提供出水余氯值,采用 PID 算法准确控制药液投加。补氯(余氯控制)。补氯投加点位于配水泵房水泵吸水管路。投加控制根据总出水余氯计的反馈信号,采用 PID 算法控制投加泵的工作频率。(11)粉末炭投加系统。粉末炭投加系统包括湿投设备、溶解罐、料仓等设施。本文设计在进水格栅间和机械混合井设置粉末炭投加点。加药率按进水管上的流量计信号自动调整,并根据流量比例投加。(12)酸、碱投加系统。氢氧化钠投加点位于清水池进水管。浓硫酸投加点位于机械混合井,为预留位置。加药率按进水管上流量计信号自动调整,并根据流量比例投加。3.2 PLC 程序编制PLC 编程软件采用施耐德 Unity Pro XL 软件,支持结构化文本(structured text,ST)、指令表(intermediate language,IL)、网络功能块图(function block diagram,FBD)、顺序流程功能图(sequential function chart,SFC)、梯形图语言开发。程序开发时,在 Unity Pro XL 软件中进行硬件组态,配置本地总线的主机架和远传 I/O(remote I/O,RIO)模块机架。冗余系统仅配置主中央处理器(certral processing unit,CPU)(A)机架即可,备CPU(B)机架与主机架一致,无需在软件中进行单独配置。电源模块、CPU、以太网模块及 RIO 扩展接口模块均采用冗余配置。运行时,主备 CPU 可进行无缝切换。RIO 机架用于扩展模拟量输入(analog input,AI)、模拟量输出(analog output,AO)、数字量输入(digital input,DI)、数字量输出(digital output,DO)及通信模块等。主机架配置 140 CRP 932 00 双通道接口模块,RIO 模块机架配置 140 CRA 932 00 双通道接口模块,实现 RIO 模块机架的双通道 A/B 冗余扩展。本文自动控制系统以某 PLC 站为例进行说明。控制系统硬件组态配置如图 3 所示。图 3 控制系统硬件组态配置图Fig.3 Hardware configuration diagram of control system 针对水厂自动控制系统的监控设备和仪表,本文开发订制了模块化的功能块数据(data for function block,DFB),如仪表、电机(M1D1S/M1DVS)、阀门(V1AO/V1Q/V2Q)、流量累计(FIT_TOT)等。模块化的 DFB 具备常用的数据转化、数据统计、逻辑控制等功能。仪表DFB 具有高低量程设置、数据转换参数设置、4 级报警设置、报警开关等功能。电机类(M1D1S/M1DVS)DFB具有采集电机类设备 DI、DO、AI、AO 信号,并集成启停控制、故障报警、运行时间、频率调节、全自动运行接口等功能。阀门类(V1AO/V1Q/V2Q)DFB 具有采集阀门类设备 DI、DO、AI、AO 信号,并集成开关控制、故障报警、开度调节、全自动运行接口等功能。流量累计(FIT_TOT)DFB 具有 8 种流量统计功能 年、月、日、时、去年、上月、昨日、上小时,并能适应流量计常用的 3 种数据采集方式(通信、脉冲、模拟量)。通过功能块引脚即可进行定义。本文通过模块化的 PLC 程序 DFB 设计,实现了设备的远程手动/自动控制及仪表数据转换,避免了同一个功能程序的重复编写,优化了程序脚本,缩减了程序开发周期,更便于 PLC 程序的维护和调整。程序开发分别采用了 ST、FBD、梯形图语言编写,并在恒水位、恒压、加氯、加药等控制时采用 PID 算法进行优化控制。3.3 SCADA 程序设计自动化系统采用的 SCADA 组态软件具有开放、灵06第 8 期大型水厂自动控制系统的设计与实现 王胜利,等活的特点。SCADA 组态软件的画面组态及编程主要实现的功能如下。管理功能。根据全厂生产过程采集到的数据(如电气参数、仪表参数和其他信息等),监控和管理全厂生产过程,包括生成生产报表、绘制趋势曲线图、报警及记录事件、提供与水厂管理系统的接口;生成水厂的生产工艺流程、变配电系统实时动态图,为值班人员提供清晰、友善的人机界面;直观地反映生产工艺流程的实时数据,完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询11;生成各类生产运行管理的班、日、月和年报表。控制功能。在基于图形界面和中文提示方式下,值班人员在中控室通过计算机的键盘或鼠标开启或停止设备11。工程师可根据密码权限登陆、设定和修改控制调节参数。通信功能。中控室监控系统与其他系统进行通信12,如与各PLC 现场控制分站之间的通信、与办公管理系统之间的通信、与第三方设备之间的通信等13。工艺控制显示功能。SCADA 程序的工艺控制显示功能主要由人机界面实现:在水厂监控中心的操作员可在显示器上查看到全厂动态工况 各工艺流程、各设备运行工况、高低压配电系统实时工况,使生产管理人员实时、直观地掌握全厂的生产运行情况。这能实现从总图到详图的多层次监视11。事件驱动和报警功能。SCADA 配置故障处理程序。通过该程序,可得到故障原因的详细资料及排除故障的方法。当某参数超过设定值或设备故障时,管理计算机能及时发出声光报警,弹出提示画面,并在报警数据库中予以记录11。操作窗口功能。在中控室操作站实现对工艺设备的远程控制。值班人员用鼠标点选,即弹出操作窗口。通过键盘或鼠标,能对设备进行开停或调节控制。当设备需要手动控制时,可在操作站切换至远程人工控制,以确保系统的连续、可靠运行。历史数据管理。历史数据管理包括历史数据存档和显示。事件处理。事件处理包括事件的登录、检索和记录存档。报表输出功能。系统接收各现场 PLC 分站提供的带时标数据,并将数据储存于服务器硬盘14-15。日、月、季、年报表及用户需要的各种数据图像均可打印,并有多种格式。4 结论本文设计的大型水厂自动控制系统硬件部分通过上、下位机的冗余设计和传输网络的环网设计,增强了自动控制系统的稳定性和可靠性。上位机软件部分SCADA 系统可实现友好的人机交互,满足远程集中的生产运行控制要求。下位机 PLC 程序以逻辑控制和工艺顺控为主,关键工艺流程采用 PID 的方式完成恒液位、恒压力的控制,以确保工艺生产运行的实时性、精确性。自动控制系统整体运行满足了水厂生产控制要求,有效地保障了水量与水质的稳定。自 2016 年 7 月至今的运行结果表明,所设计的系统是 1 套安全、稳定、经济、可靠、完整的解决方案。参考文献:1 饶磊.浅谈郭公庄水厂的工艺选择J.城镇供水,2012(4):41-44.2 孙广立,陈淑华,黄晓萍.南康水厂超滤膜池自控系统的设计与运行J.供水技术,2021,15(2):48-52.3 葛菁.污水处理工程的网络通信系统设计J.智能建筑,2019(5):57-62.4 刘小辰.热力站无人值守监测监控系统的开发与应用D.北京:北京工业大学,2019.5 谭洋.远程血液冷链运输环境监测系统的设计与实现D.重庆:重庆邮电大学,2020.6 张红丽.基于 KingSCADA 城市污水处理厂监控系统的研究与设计D.南京:南京理工大学,2013.7 陈彦明.广东省中小型水厂扩建工程方案研究D.广州:广东工业大学,2020.8 赵捷.污水处理厂自动控制系统设计J.测控技术,2005(12):12-14.9 王洋.北京第九水厂自控系统介绍J.给水排水,2003(9):72-75,101.10张炯,纪海霞,王洋,等.未来科技城再生水厂一期工程工艺设计方案J.净水技术,2015,34(3):76-81.11梅从明.大型污水处理厂自动控制系统设计与应用D.镇江:江苏大学,2009.12张婉青.水厂 自动控 制系统 的改造 设计 J.科技 视界,2015(30):294-295.13莫澄.GEIP 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