系統(tǒng)簡介

    該系統(tǒng)適用于供水企業(yè)遠程控制管理水廠，水廠操作人員可以在水廠控制室遠程監(jiān)測廠內(nèi)水池水位、進場流量、出廠流量、出廠壓力、水質(zhì)等信息；遠程監(jiān)測加壓泵組、配電設(shè)備及其他自動化設(shè)備的工作情況；可以遠程控制加壓泵的啟停。自來水公司調(diào)度中心工作人員及公司主管領(lǐng)導(dǎo)可以遠程監(jiān)測各水廠的工作情況及水廠操作人員的操作情況。

 系統(tǒng)組成

       自來水廠自動化控制系統(tǒng)是自來水公司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，主要由自來水公司調(diào)度中心、水廠自動化控制中心、通信平臺、加壓泵組測控終端、配電設(shè)備監(jiān)測終端組成。

圖1. 系統(tǒng)組成

通信平臺

         自來水公司調(diào)度中心、各水廠、各職能部門之間數(shù)據(jù)通信在局域網(wǎng)內(nèi)完成；水廠與調(diào)度中心之間一般租用或鋪設(shè)光纖。

水廠自動化控制終端的功能特點、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及使用要求。

        1、水廠自動化控制終端的功能特點：

        a.采集進廠流量、蓄水池水位、清水池水位、出廠壓力、出廠流量、出廠水質(zhì)、安防報警等信息；可采集每臺泵的出水壓力、出水流量。采集每臺加壓水泵啟停狀態(tài)、運行時間、工作電流、工作電壓、電能等電參數(shù)；

        b.采集配電室設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、總電能等；

        c.監(jiān)視水廠大門、制水車間、泵房等重要區(qū)域的圖像；

        d.支持加壓泵組控制柜手動控制、自動控制、遠程控泵組設(shè)備的啟停，控制模式可切換；

        e.電流過大、水位過低、壓力過高、控制柜保護、配電故障、閑人進入狀況發(fā)生時，立即上報告警信息；

        f.支持局域網(wǎng)有線通信，支持GPRS、短消息無線通信；

        g.存儲、顯示、查詢水廠監(jiān)測數(shù)據(jù)及工作參數(shù)；

        h. 支持就地、遠程測控設(shè)備維護；

        2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

       水廠需要監(jiān)控的項目多，依據(jù)被監(jiān)測內(nèi)容，終端可分為：加壓泵組遠程測控終端、配電遠程監(jiān)測終端、進場水量監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端。這些終端依據(jù)現(xiàn)場情況也可以合并成一個綜合終端。

圖2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

 3、加壓泵組遠程測控終端設(shè)備配置表

序號 部件名稱 數(shù)量 備注  

1 數(shù)據(jù)服務(wù)器 1

2 主控制器 1 采集水池水位、出廠壓力、流量等

3 分控制器01 4

4 分控制器02 1 采集水質(zhì)等信息

5 控制變壓器 1 380VAC/220VAC

6 電壓變送器 4 三相、單相；標準信號輸出

7 電流變送器 4 三相、單相；標準信號輸出

8 信號繼電器 8 12VDC供電

9 中間繼電器 8 220VAC

10 開關(guān)電源 1 220VAC/12VDC

11 備用電池 1 7Ah/12VDC

12 轉(zhuǎn)換開關(guān) 5 兩位控制按鈕

13 空開及端子 1 10A

14 串口信號轉(zhuǎn)換模塊 N 依據(jù)采集的串口儀表進行配置

15 各種避雷器 N 依據(jù)安裝使用環(huán)境進行配置

16 金屬機柜 1

        4、 加壓泵組遠程測控終端工作原理示意圖

圖3. 遠程測控終端工作原理示意圖

       5、加壓泵組遠程測控終端注意事項：

       a.該終端安裝在水廠加壓水泵啟動電氣室；

       b.水廠建有局域網(wǎng)，終端安裝地方有網(wǎng)絡(luò)接點；

       c.確定水位、壓力等變送器信號輸出類型，確定流量儀表的廠家、型號、信號輸出類型；

       d.確定水泵啟動類型，確定水泵控制模式；

       e.閥門與泵的聯(lián)動控制由水泵啟動控制柜完成；

       6、其他測控終端：

       a.如果水廠的信號采集點比較集中，布線方便，可將配電遠程測控終端、進水量遠程監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置在加壓泵組遠程測控終端內(nèi)。

       b. 如果水廠的信號采集點比較分散，布線困難，配電遠程測控終端、進廠水量遠程監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端設(shè)備應(yīng)獨立安裝。分別接入水廠局域網(wǎng)。

       7、其他測控終端的原理圖如下：

圖4. 配電室遠程測控終端工作原理示意圖

【說明：依據(jù)監(jiān)測的開關(guān)量的數(shù)量配置分控制器的數(shù)量】

圖5. 進廠水量遠程監(jiān)測終端工作原理示意圖

圖6. 視頻監(jiān)控終端工作原理示意圖

水廠自動化控制中心

      水廠自動化控制中心計算機通過自來水公司局域網(wǎng)監(jiān)控水廠內(nèi)測控設(shè)備。

      1、中心主要功能

      a.遠程監(jiān)測所轄水源井的工作情況、安防情況，遠程控制所轄水源井水泵的啟停；

      b.在線監(jiān)測水廠內(nèi)加壓泵組設(shè)備的工作情況，控制加壓泵組的啟停；

      c.在線監(jiān)測水廠內(nèi)蓄水池水位、清水池水位；進廠原水流量；出廠清水流量和壓力；

      d.在線監(jiān)測出廠水的濁度、PH值、余氯等水質(zhì)指標，錄入其他水質(zhì)信息；

      e.在線監(jiān)測大門、制水車間等重要場所的圖像；

      f.生成各種報表及數(shù)據(jù)曲線；

      2、水廠自動化控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖7. 水廠自動化控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

       3、 水廠自動化控制中心配置

    水廠監(jiān)控中心 客戶端計算機 3 聯(lián)想商用

交換機 1 100M  H3C

不間斷UPS電源 1 1000VA

操作系統(tǒng)軟件 3 Windows07

自來水公司調(diào)度中心

        自來水公司調(diào)度中心可監(jiān)測整個城市供水管網(wǎng)的壓力及流量；監(jiān)測自來水公司所有水源井、水廠、加壓泵站設(shè)備的工作情況；存儲查詢所有監(jiān)測及操作信息；指揮各水廠科學(xué)供水

       1、自來水公司調(diào)度中心硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖8.自來水調(diào)度中心硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        2、自來水公司生產(chǎn)調(diào)度中心軟件結(jié)構(gòu)

        生產(chǎn)調(diào)度軟件采用B/S結(jié)構(gòu)，軟件在調(diào)度中心服務(wù)器上運行，使用者通過自來水公司局域網(wǎng)瀏覽并進行操作；工種不同、職位不同，所授予的使用權(quán)限就不同。

圖9.自來水調(diào)度中心軟件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        3、調(diào)度中心配置

安裝位置 設(shè)備、軟件名稱 數(shù)量 備注

  自來水公司調(diào)度中心 服務(wù)器 2 1臺通信、1臺數(shù)據(jù)

客戶端計算機 2

交換機 1 1G  H3C

路由器 1 100M  H3C

硬件防火墻 1 100M  H3C

不間斷UPS電源 1 3000VA

標準機柜 1

數(shù)據(jù)庫軟件 1

服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件 2

客戶端操作系統(tǒng)軟件 2

自來水公司生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件 2

注：該系統(tǒng)所需設(shè)備及軟件依據(jù)每個自來水公司具體需求而定

水廠自動化和信息化系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

一. 設(shè)計原則

  水廠的計算機自控系統(tǒng)采用計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加工業(yè)組態(tài)軟件以及可靠通用的PLC模塊。系統(tǒng)配置和功能設(shè)計按各工藝處理階段少人值守的原則進行并遵循如下要求：

（1）高可靠性：選用穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，硬件上簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少出錯環(huán)節(jié)。

（2）先進性：控制系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)未來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，性能價格比高。

（3）靈活性：網(wǎng)絡(luò)通訊方式和系統(tǒng)組態(tài)靈活，擴展方便，可用性，可維護性好，并具有開放的軟件通訊協(xié)議。

（4）實時性：控制系統(tǒng)對工況變化適應(yīng)能力強，控制滯后時間短。

二.儀表設(shè)計

   根據(jù)工藝流程和生產(chǎn)管理的需要，在工藝流程的各個部分設(shè)置泵房液位變送器、水泵出水管壓力變送器等檢驗儀表；這些儀表均選用工業(yè)級在線式儀表，并根據(jù)安裝環(huán)境的要求具有相應(yīng)的防護等級。0.4KV低壓進線柜電量參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)電力儀表的通信接口（Modbus協(xié)議）與PLC進行數(shù)據(jù)交換，電動機柜電量參數(shù)通過軟啟動器、變頻器的通信接口（Modbus協(xié)議）與PLC進行數(shù)據(jù)交換。 

三、控制方式：泵站的控制方式設(shè)置如下：

   （1）手動模式：通過就地控制箱或壓低柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟停操作。

   （2）遙控模式：即遠程手動控制方式，操作人員通過PLC操作面板或系統(tǒng)操作站來控制現(xiàn)場設(shè)備。

   （3）自動方式：設(shè)備的運行由各PLC根據(jù)設(shè)備的工況及工藝參數(shù)來完成對設(shè)備的啟/停控制，而不需要人工干預(yù)。

     通過強電設(shè)計中的“手動/自動”切換開關(guān)可實現(xiàn)就地現(xiàn)場手動控制和PLC監(jiān)控，其中就地現(xiàn)場手動控制優(yōu)先權(quán)高于PLC監(jiān)控，以保證現(xiàn)場操作維修安全。

 1. PLC主要功能：

    *檢控相關(guān)模擬量為：取水泵房水位、單泵出水壓力、出水總管壓力。

    *將所有檢測參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)實時傳送至上位機。

    *接收0.4KV進線柜網(wǎng)絡(luò)電力儀表及電動機柜軟啟動器、變頻器送來的各種信號并上送至上位機。

    *執(zhí)行中心控制室或操作終端下達的控制指令。

    *開泵控制步驟，首先開啟水泵機電，再開出水閥門。

    *停泵控制步驟，首先關(guān)閉出水閥門，待出水閥門關(guān)閉之75%位置，再停泵。

    *通過接口監(jiān)控加氯加藥系統(tǒng)的運行。

    *通過接口監(jiān)控脫水機系統(tǒng)的運行。

2.設(shè)備選型：         

    *PLC的選型：采用歐美公司性價比較高的產(chǎn)品。

3.系統(tǒng)防雷措施：

     *電源部分：在PLC柜現(xiàn)場控制器的電源進線處均設(shè)置避雷器或過電壓保護器。

     *信號部分：在PLC的通信網(wǎng)絡(luò)端口及4-20mA模擬量信號的設(shè)備進線和出現(xiàn)端口設(shè)信號過電壓保護裝置。  

4.檢測儀表、自控系統(tǒng)配線及安裝

    *各現(xiàn)場ＰＬＣ放射式向儀表供電。

　　*儀表配線采用屏蔽電纜以抗外界信號干擾，敷設(shè)時與強電線路分開布置。在室內(nèi)采用沿電纜橋架、電纜溝或穿管敷設(shè)相結(jié)合的方式，在室外沿電纜溝或穿管埋地暗敷。

四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    自控系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu)：信息層，控制層，設(shè)備層。

*信息層：由監(jiān)控中心操作員站、工程師站，千兆以太網(wǎng)交換機組成；

*控制層：由分散在各主要構(gòu)筑物內(nèi)的現(xiàn)場PLC 主站，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機及100Mbps 光纖以太網(wǎng)環(huán)形、控制子網(wǎng)等組成。

*設(shè)備層：由現(xiàn)場運行設(shè)備、檢測儀表、高低壓電氣柜上智能單元、專用工藝設(shè)備附帶的智能控制器以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等組成。

五、控制模式

水廠設(shè)備的控制模式設(shè)三級控制：就地、現(xiàn)場PLC 控制站、監(jiān)控中心。上、下控制級之間，下級控制的優(yōu)先權(quán)高于上級。就地控制級設(shè)有“就地/ 遙控”兩種方式，各設(shè)備均可通過“就地/ 遙控”選擇開關(guān)切換實現(xiàn)手動操作。當(dāng)現(xiàn)場PLC 站發(fā)生故障時，可通過就地控制級上的“就地/遙控”選擇開關(guān)切換實現(xiàn)設(shè)備的就地手動操作。

只有當(dāng)設(shè)備手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動時，遙控/自動轉(zhuǎn)換按鈕才可用，當(dāng)遙控/自動轉(zhuǎn)換按鈕處于自動時，應(yīng)禁止人工遙控設(shè)備。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障信號時，應(yīng)停止運行或禁止啟動這些設(shè)備。

1.PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)新建生產(chǎn)現(xiàn)場的無人值守，功能包括：

    生產(chǎn)過程各種主要工藝參數(shù)的采集：

     ·各種能耗、物耗和進、出廠水流量的計量和累計

     ·生產(chǎn)過程設(shè)備工況和工藝流程狀況監(jiān)測

     ·生產(chǎn)過程設(shè)備的PLC自動控制

     ·PLC控制與傳統(tǒng)電氣控制自由切換

     ·生產(chǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲和歷史回溯

     ·數(shù)據(jù)回歸分析和趨勢分析

     ·生產(chǎn)報表的自動形成和打印

     ·事故報警和事故打印

     ·事故處理專家系統(tǒng)。包括事故狀態(tài)的自動記錄、存儲，事故類別的自動判定；處理方案的輔助決策支持系統(tǒng)；

 2.自控系統(tǒng)技術(shù)指標

（1）生產(chǎn)工藝控制：

沉淀后濁度的控制范圍        Tu ≤ 5NTU

出廠水壓力的控制誤差        △P ≤ ±0.02Mpa

出廠水余氯控制誤差            △CL ≤ ±0.1PPm

出廠水濁度的控制范圍       Tu ≤ 0.1NTU（應(yīng)急供水時Tu ≤ 3NTU）

72小時無須人為干預(yù)，生產(chǎn)正常運行，出廠水質(zhì)、水壓、水量符合指標，設(shè)備正常運行。

（2）PLC系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及通信系統(tǒng)

平均無故障間隔時間         MTBF>100，000hr

處理器板、接口板、電源模塊等的MTBF:>100，000hr

LCU、RTU和MCU的MTBF:>32000h

可用率                          A≥99.8％

系統(tǒng)綜合誤差：             σ≤1.0％

數(shù)據(jù)正確率                    I>98％

數(shù)據(jù)通信負載容量平均負荷a≤2％，峰值負荷A≤10％，

計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能方便、快速地更新修改數(shù)據(jù)庫和軟件參數(shù)，如以下的修改內(nèi)容：

數(shù)字點和模擬點的數(shù)量；

模擬點工程單位標度；

模擬點限值；

模擬點限制值死區(qū)；

控制點參數(shù)。

（3）時間參數(shù)：

★人機接口畫面響應(yīng)時間：

  主機的聯(lián)機啟動時間                    t≤2min

  報警響應(yīng)時間                             t≤3s

  查詢相應(yīng)時間                             t≤5s

  實時數(shù)據(jù)更新時間                      t≤3s

  控制指令的響應(yīng)時間                   t≤3s

  計算機畫面的切換時間               t≤0.5s

  調(diào)用畫面時間（90％畫面）        t≤0.5s

  調(diào)用其它畫面時間                      t≤1ｓ

  動態(tài)顯示數(shù)據(jù)刷新時間                t≤2s

  實時數(shù)據(jù)顯示的刷新周期            t≤3s

★傳送時間：

   重要遙測傳送時間                      t≤2s

   遙信變位傳送時間                      t≤1s

   遙控、遙調(diào)命令傳送時間            t≤2s

   全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)掃描周期            2～5s事件順序分辨率                t≤3mｓ

★雙機自動切換時間：

   熱備用時                        保證實時任務(wù)不中斷

   溫備用時                              t≤5s

   冷備用時                              t≤2min

★控制執(zhí)行周期

   流量控制執(zhí)行周期                      t＜3min

   無功功率控制執(zhí)行周期                  3min

   自動經(jīng)濟運行功能處理周期時間          30～45min

六、自動化和信息化系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計方案

水廠由光纖組成以太環(huán)網(wǎng)，接受并存儲自控系統(tǒng)各PLC 站點上傳的實時數(shù)據(jù)，形成歷史庫，并具備數(shù)據(jù)查詢、瀏覽及報表生成功能。提供人際界面，實現(xiàn)各類工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的實時遠程監(jiān)視及遠程操作。完成水廠信息的監(jiān)視、整理、查詢、檢索、管理、傳輸。

本工程采用集散型監(jiān)控管理系統(tǒng)。在控制室設(shè)置實時計算機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)為熱備冗余系統(tǒng)，兩臺監(jiān)控計算機以雙冗余模式運行同時作為服務(wù)器，接收、處理所有的上傳數(shù)據(jù)，集中管理、控制水廠現(xiàn)場PLC，提供清晰、友善的人機界面，完成生產(chǎn)管理的日報、月報、年報，也可以在中央控制室集中控制水廠的運行。主備轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)無數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)同時設(shè)置了數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲所有的數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)開放、靈活，可以對系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制，具有動態(tài)畫面顯示功能、報警、報表輸出功能、趨勢預(yù)測功能、歷史數(shù)據(jù)存儲功能。軟件應(yīng)采用全中文操作模式，能夠組態(tài)中文顯示畫面等功能。具有使用方便、簡單易學(xué)、軟件組態(tài)靈活的特性，應(yīng)該確保用戶可快速開發(fā)出實用、可靠、有效的自動控制系統(tǒng)。

中央控制室監(jiān)控軟件的功能有三類：

第一類是管理功能：即生成全廠工藝流程，提供清晰、友善的人機界面，生動形象地反映工藝流程、實時數(shù)據(jù)，完成報警、歷史數(shù)據(jù)、歷史趨勢曲線的儲存、顯示和查詢。生成、打印各類生產(chǎn)運行管理報表。

第二類是對設(shè)備的控制功能：即在基于圖形和中文菜單的方式上，操作人員在操作員站通過鍵盤或鼠標對現(xiàn)場PLC站的控制參數(shù)進行在線修改。在下級釋放控制優(yōu)先權(quán)的情況下，對生產(chǎn)過程進行廠一級的控制。

第三類功能是通訊功能：故障處理專家系統(tǒng)是一個對全廠的生產(chǎn)信息進行綜合處理、綜合判斷和作出綜合決策的專家軟件模塊。對采集取的全廠生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù)，進行“軟傳感器技術(shù)”處理，判斷出生產(chǎn)過程中哪些工藝部位，哪些控制環(huán)節(jié)，哪些主要設(shè)備存在故障隱患，并及早顯示和提醒水廠生產(chǎn)人員注意。