太原呼延水厂自控系统工程.doc

太原呼延水厂自控系统工程
北京机械工业自动化研究所
1 工程概况
工程名称：太原市呼延水厂
建设单位：太原市黄河供水有限公司
建设项目总投资：27亿元
项目性质：山西省重点工程
开工工期：2000年7月
投产日期：2003年10月
生产能力：40万吨/日，属大型净水厂
智能化系统投资：1130万元
2 工程简介
太原城市供水公司呼延净水厂系山西省重点工程，是万家寨引黄入晋工程的组成部分。黄河水源从万家寨水库提取，经五级提升进入汾河水库，再由汾河取水，经管道、隧道流向呼延水厂。该工程建设规模为日供水80万吨，首期日供水40万吨，占地面积562亩。
呼延水厂自控系统工程包括以下内容：配水控制、配药加药控制、加氯加氨控制、沉淀池控制、虹吸滤池控制、污泥处理控制、出厂水控制、自用水控制、工业闭路电视监视、安全防卫系统、办公自动化系统、在线仪表检测、总调通信、水厂管理系统。
自控系统涉及了水厂所有的设备及检测，分布整个制水厂。
3 系统方案
按照“黄河水源太原城市供水工程呼延水厂自控系统工程”招标标书中技术规范的要求，根据国内外城市供水工程的运行管理情况以及我们在国内做过的城市供水工程的实际经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，遵循“集中管理、分散控制”的原则，同时结合该工程的重要性和具体情况，本着安全可靠﹑简单实用、先进(十年不落后)的原则，呼延水厂自控系统工程，建设一个由计算机﹑PLC、现场仪表、工业电视组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型的可扩展的数据采集和监控系统。本系统完成后,不但能够实时采集和显示出整个供水系统中各设备的运行工况及各项工艺运行参数,而且能够合理解决和协调运行中各工艺单元之间的优化配合，以提高供水系统的运行管理水平，使整个供水工程能够正常、稳定、安全、高效、低耗运行，并取得最佳效益，自动化水平达到国内同等规模的领先水平。
根据水厂的制水工艺和设备的分布、控制要求，呼延水厂自动化控制系统采用了多媒体技术、现场总线技术、高速以太网技术、工业控制技术、通信技术与视频图像监控技术等关键技术，集成现场工业总线的高速以太网多媒体计算机信息管理、控制系统，实现水厂的综合自动化控制和管理，保证了水厂的正常运行，达到了现代化水厂管理的要求。
系统网络方案图如下：

3.1 控制网络
主干网络：采用ControlNET光线冗余主干网，速度5Mbit/s，用于连接主控站PLC及服务器，距离约3km。
管理网络：采用10M/100M以太网，组成管理系统、办公自动化网络。
设备网络：采用DeviceNET现场总线，用于完成智能设备的远程网络控制。
采用Profibus-DP现场总线，完成同进口专用设备的通讯与控制。
采用RS-485通讯方式，完成其他第三方智能设备的通讯。
3.2 系统组成
（1）信息层：
由计算机硬件与软件系统组成。其中硬件部分主要为工作站，服务器，工业电视监视系统、网络传输线路等组成，完成系统的数据采集、监测、控制、通信、显示等功能。软件系统主要由基于Rockwell组态软件开发的呼延水厂生产过程控制与作业管理信息系统、呼延水厂运行监控与计划调度指挥系统和基于微软SQL数据库开发的生产管理（水质监测、生产数据和系统故障报警信息）信息系统等组成。该体系结构实现了对呼延水厂生产系统软硬件资源的充分利用，使系统具有更高的兼容性、开放性和安全性。系统采用IBM部门级服务器，对生产管理系统数据进行备份、存储，以保证生产数据的高度安全性。监控工作站、管理工作站、现场过程数据服务器（Web服务器）、视频服务器、数据库及应用软件的用户之间通过TCP/IP通信协议实现信息的传输与共享。数据库中的数据只有通过服务器才能够与用户，现场设备之间进行信息的交流（监控计算机除外）。用户既可以通过Windows内建的IE浏览器实现生产现场信息的获取与交互，也可以直接与数据服务器进行信息的交流，再通过监控计算机实现对现场设备的控制。用户不直接参与控制现场设备与数据库，既保证了数据的安全性及底层设备的健壮性又实现了人机交互界面的透明性与友好性。
（2）控制层：
现场控制站以ControlLogixTM平台为控制核心，分布在各工艺段，PLC之间和中央监控计算机通过光纤采用ControlNetTM网络协议相连，实现控制信号的高速传输。PLC自动监测重要设备的运行状态和工艺参数变化，并对设备进行自动控制。根据工艺流程，全厂共设6套PLC控制站：
1号PLC站设在加药间，负责投药系统和配药系统。根据进水流量、原水浊度、温度及沉淀后SCD值进行加药系统的PID自动调节；并通过网络通讯控制进水流量调节器。
2号PLC站设在加氯加氨间，控制液氯及液氨的气化、加氯加氨机的投用与切换，完成加氯加氨过程的监测和控制。
3号PLC站设在沉淀池配电间，控制配水井排泥角阀、格栅机、电动蝶阀门、各阀岛电磁阀箱，控制反应沉淀区域的排泥过程。
4号PLC站设在滤池电气配电间，自动完成滤池过滤与反冲洗过程控制、高低压配电系统的监测、对回收水池及排泥池的监视与控制。
5号PLC站设在自用水泵房，用于出厂水的水质监测、控制自用水泵的启停、通过网络通讯对出厂水的调节控制器进行控制。
6号PLC站设在浓缩脱水机房。完成回收水的浓缩过程，并为脱水系统输送浓缩后的污泥，与脱水系统进行网络连接采集脱水设备及脱水过程的状态数据。
由于采用了通信网络的介质冗余和处理器冗余，构成了一个安全、可靠的控制系统：当控制网络、控制CPU故障或不使用时,冗余部分可自动进行无扰动切换,投入工作而不影响整个工艺过程的连续控制和检测。
（3）设备层：

采用DEVICE NETTM网络连接分布于水厂的传感器和执行机构，将变频器、阀岛、仪表等直接采用总线电缆连接，实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置及可编程逻辑控制器（PLC）之间的数据数字化传输，把I/O信号通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用减少到最小，从而使成本费用大大地节省。
在本系统现场控制分站中所选用的PLC产品均为美国Rockwell公司的产品（合同规定）。
美国Rockwell公司是全球最大的自动化产品供货商之一，而且始终保持着技术的领先地位。其功能强大的CPU，开放式的总线结构，以及基于多种硬件和软件平台的组态软件广泛地应用于所有的工业现场和军用、民用领域，其卓越的产品质量和售前售后服务已在用户中树立了良好的形象。
仪表部件采用北京Endress+Hauser公司以及其他知名公司生产的产品，以确保系统的可靠和先进。
3.3系统特点
（1）可靠性高、技术先进
传统控制系统网络设计基于单一的主/从地址总线，系统运行过程中由单一设备主宰总线并控制所有数据传送。这种集中的设计方法，降低了总线的传输效率，无法充分发挥带宽。ControlBusTM通过提供基于并行通信网络的，多主的生产者/客户者信息概念打破了这种模式，并将生产者/客户者技术直接应用于背板总线，可以同时完成1对1、1对多的信息传递。控制器不再作为通信控制中心，无需干预背板上的数据交换，设备之间可直接进行数据广播和通信，提高了系统的带宽和性能。采用这种技术构造的控制系统具有更大灵活性，应用响应更快，处理器负担低和数据处理时间短，减少了网络和背板数据传输量，缩短 I/O 等待时间。控制网网络是一种高速确定性网络，为同一链路上对等通信提供了具有相同带宽的实时控制和报文传送服务，更提供了I/O 数据在控制器或操作员界面设备之间共享的功能，这种多控制器共享对等通信互锁数据设计大大简化了PLC的程序量，省却了大量的CPU之间通信指令，相比Profibus-DP/FMS必须在几方同时写一一对应的发送和接受数据通信程序，可谓便捷了许多。在数据传送过程中，网络提供确定性和可重复性功能，保证了数据传递的可靠性。
（2）Web浏览：
系统运用RSWebserver和Windows内建的IE浏览器实现了与Internet的连接，为用户提供了一个真正的瘦客户端服务系统。位于生产控制中心的数据服务器可作为一Web网站被享有特定权限的用户登录访问，获得授权的用户可在任何地方通过公司指定的Web服务器网址，利用支持HTML3.2超文本协议的浏览器取得整个系统的运行信息。
（3）易于操作及维护：
ControlNetTM、DeviceNetTM及Logix平台的模块化结构，为用户提供了丰富的诊断信息，系统自身可以自动对硬件及网络上的错误进行分析和更正，并实时检测设备潜在的维护需求，避免整个系统崩溃。操作员可以通过嵌入在前端计算机运行的、友好的人机界面程序（基于RSVIEW32TM平台开发）直观、全面地了解系统的健壮程度，及时发现、预测系统隐患所在，将故障查找时间降至最低，大幅减少了系统维护的工作量。
（4）支持多种接口：
整个控制系统通讯网络主架构采用Rockwell公司的NetLinxTM技术。它不仅支持Logix平台，同样可以兼容其他的网络协议。系统中其他一些从国内外单独引进的设备如调流调压阀、污泥脱水机、直流屏等分别采用了Modbus、Profibus-DP和RS-485等协议。Logix平台和NetLinxTM技术提供了网络间桥接和路由功能，将不同协议的接口数据通过无源背板总线在网络上以CIP的模式传递。
呼延水厂自动化控制系统采用了多媒体技术、现场总线技术、高速以太网技术、工业控制技术、微波通信技术与视频图像监控技术等关键技术，集成现场工业总线的高速以太网多媒体计算机信息管理、控制系统。实现了水厂的综合自动化控制和管理，保证了水厂的正常运行，达到了现代化水厂管理的要求。
4 获奖情况
呼延水厂获得建设部鲁班奖。
呼延水厂自控系统获获山西省质量监督站优良工程。
呼延水厂自控系统获机械研究总院科技进步一等奖。