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摘要
介绍深圳市某水厂的自动化改造方案，实现完整的监控及控制功能。
关键词：水厂；改造；自动化；PLC
0 引言
深圳市某水厂设计供水规模35万m3/日，分为四期建设，全厂分为取水,加药,沉淀,过滤,送水等几个工艺环节，其中四组滤池实现了基本的自动控制，但全厂没有集中监控,操作人员也相对分散，这就给生产管理,优化决策,人力资源的分配等造成一定的不便。为此，业主提出对原有的自动化系统进行完善，实现全厂生产管理的自动化，满足现代化供水管理要求。确定基本设计原则如下：
先进性整个系统采用国际上先进并且成熟的技术，力求方案的先进、灵活、高效。
实用性系统始终以用户需求为导向，结合先进、合理的管理模式，功能全面，切合实际。
扩展性系统的设计不但考虑当前的实际需要，并且考虑了长远发展的需要，预留了以后增加的监控设备接口， 保证系统的可扩展性。
1 系统结构
根据水厂的工艺流程、布局以及现有的PLC系统，按照集中管理，分散控制的原则，全厂自动控制系统采用中心控制层和现场控制层两级分布式结构。由于是现有水厂改造项目，为减少对生产的干扰，减少电缆的穿墙及开槽敷设，在主要构筑物分别设置十个现场控制分站。中心控制站属于厂级中心控制层，十个现场控制站属于现场控制层，包括取水分站（新增）、加药分站（新增）、加氯分站（改造）、反冲洗分站（新增）、一期滤池子站（改造）、二期滤池子站（改造）、三期滤池子站（改造）、四期滤池子站（改造）、送水分站（新增）和回收池分站（新增）。现场控制站既能在中心控制站统一指挥下协调工作，又可以在通讯发生故障的情况下独立运行，减少局部事故给整个控制系统和生产造成损失。
现有的一、二期滤池的控制系统建于90年代中期，采用的是日本欧姆龙公司的PLC，三、四期濾池及加氯间的控制系统PLC采用的是西门子S7-200，考虑经济性及兼容性，本次自动化系统保留三、四期滤池及加氯间的西门子PLC及控制柜，只对软件部分进行重新编程，完善系统功能。新增分站及一、二期滤池控制分站，均采用西门子S7系列PLC。
全厂主干网络采用100M光纤工业环形以太网。
2 中心控制站
中心控制室配备的两台监控主机，通过交换机接入以太网，对全厂设备集中监控。两台监控主机组成双机热备用系统，当一台监控主机出现故障时，可迅速切换到另一台监控主机，保证数据记录的连续性和控制系统的稳定性。
中心控制站设一块大型显示屏，用于动态显示相应工艺环节的被测参数的实时值和生产数据。
监控主机主要具有实现以下功能：
监视功能：现场各分站设备的实时状态变化通过光缆环形以太网上传，由监控主机负责接收。通过显示器分幅显示工艺流程图，实现从总图到详图的多层次监视，并在各个相应的位置显示相应区域的被测参数的实时值.当设备运行异常时，监控主机发出声光报警，提醒工作人员注意显示水位等参数实时的数据曲线。通过图形处理，工作人员能直观地观察各种数据的变化。
控制功能：在监控主机上，操作人员可按要求开停工艺流程中的重要设备。系统控制分手动和自动两种控制方式。在手动方式下，监控主机只能监测设备的当前运行状态；在自动方式，通过监控主机可控制设备启停和监测设备的运行状态。
管理功能：监控主机具有完善的用户管理功能。任何控制和设置功能均需通过密码登录以后才能生效，不同等级的操作人员拥有的操作权限也不同，一般工作人员可以操作权限范围内的设备，系统管理员可以修改系统的各种设置及改变生产参数的设定。用户的添加和修改、权限的修改均由系统管理员完成。
报警功能：当设备出现故障，监控主机除发出声光报警外，还能自动记录报警信息，管理人员通过报警查询功能即可查看实时和历史的报警记录。
对于长期不正常事件(由监视人员确认后)可禁止报警和登录。对于已确认的报警应带上报警发生时标，存入报警数据库。
存储功能：监控主机实时显示设备运行状态和生产参数，并对重要的生产数据进行记录和保存。
所有实时数据都必须按时序依次存储，并定期将这些数据转存成历史数据，通过历史数据计算最小值、最大值、平均值、标准值、偏差值、累积值等。
各类生产数据可按要求进行分类列表显示，也可根据需要采用曲线图，棒状图等形式显示。
报表功能：系统能根据用户提供的报表样式，自动生成和打印生产日、月、年报表。操作员在监控计算机通过打印报表功能，能方便调阅和打印生产报表。
3控制分站
各控制分站相对独立，互不影响，采用西门子S7-300系列PLC。它们具有部分相同的功能：
分站PLC与智能仪表或生产设备通讯，实时采集生产过程中的各种工艺参数和设备运行信号。
控制本站设备的运行，处理生产过程中出现的异常情况。
能对设备故障发出报警及紧急事故处理；与中心控制室计算机通讯，传送现场数据。
接收并执行中央控制室计算机遥控命令。
3.1、取水分站
取水泵控制 保留以前现场手动控制方式，同时操作主机可以通过点击启停按钮，启动机泵，并实时监测各机泵的运行电流、运行信号，如有异常，系统自动停止机泵并报警提示。保障机泵运行安全。
进水阀控制 根据流量指示可以现场手动及在操作主机上通过点击开关按钮调整阀门开度。也可以根据原水流量的检测值与设定值的偏差值自动调节阀门开度。
3.2、加药分站
加药分站主要主要实现搅拌机、石灰泵、加药泵的启停控制及仪表信号采集。
加石灰控制 通过现场控制柜分合断路器或操控主机鼠标进行启停控制。或者根据原水流量自动启停离心泵，实时监测运行状况，如有异常情况，报警并停止运行。
根据设定时间，控制搅拌机周期运行。
加药泵控制 水厂药液投加量调节主要通过改变计量泵的冲程和频率实现。
采用运行经验公式（与原水温度、浊度有关），PLC自动计算投加率，然后根据反馈投加率的误差调节计量泵频率，并根据原水流量信号按比例控制计量泵冲程。
也可以由生产管理员直接在操作站上输入计量泵运行冲程等参数，PLC根据这些参数自动控制计量泵的运行。此方法可用于对计量泵的维护、检修调试，也可以作为水质发生比较大变化，自动控制超调时的应急措施。
3.3、加氯分站
加氯系统共有九台加氯机、四台余氯计、两台重量计，系统PLC采用的是西门子S7-200，本次改造在保留以前的设备及控制方式的基础上，增加一个西门子公司的工业以太网通讯模块，以便将数据传送给中心控制站，进行集中操控。
手动方式可以通过调节转子流量计上的调节头调整投加量或在操控主机上设定阀门开度，系统自动开启到设定值。
前加氯也根据进水流量自动进行投加。
后加氯以滤后水流量作为前馈量，以清水池余氯作为反馈量，与设定值相比较自动进行投加。也可以根据以前的投加经验，自动限幅，再以清水池余氯作为反馈量，与设定值相比较，自动调节投加量。
3.4、反冲洗分站
针对各个滤池相对分散、自成系统、不便管理的情况，增加一个反冲洗分站，对反冲洗过程中的共用设备进行集中控制，如鼓风机、出风阀、反冲泵及阀门的启停控制，并对各滤池子站的反冲洗进行集中管理，反冲洗主站与各滤池之间的网络通讯采用Controller Link网络。无论是各滤池子站自动发出的反冲洗申请，或是上位机键控反冲洗，都将通过反冲洗分站排队，只有收到反冲洗分站指令后才进行反冲。主要功能如下：
1）根据生产情况，由具有权限的工作人员在人机界面修改过滤时间，滤池水位报警值，反冲洗时间等工艺参数。
2）协调各滤格反冲洗申请，对滤池反冲洗进行排队，与滤池各子站通讯，按照生产工艺要求控制滤池反冲洗设备，实现滤池自动反冲洗过能。
3）对滤池反冲洗过程中的气冲、气水混合冲、水冲等每一环节进行监控，每部分时间值都可以在上位机的人机界面在线修改。
3.5、滤池子站
根据平面布局，滤池共设四个子站，分别控制每期滤池及反应沉淀池工艺设备。
一期与二期控制功能与设备相同，由于反冲洗的需要，每格滤池增加一个液位计，以实现水位监测。一期二期现有的工艺设备不支持恒水位过滤，在每格滤池清水阀上增加一个电气转换器，接收和反馈开度信号，以实现恒水位过滤控制。一期与二期沉淀池、反应池的排泥阀采用的是液压阀，目前是用手动阀控制，为了实现自动控制，将手动阀换成电磁阀，并增加相应的PLC模块，整个滤池控制柜重新改造成基于西门子S7-200的控制系统。以利于全厂自控系统的连接。
三期与四期自动化程度相对较高，在控制设备上暂时不作具体调整，PLC系统上各增加一个网络通讯卡，主要是软件方面的改造。
各滤池分站在改造后，有手动工作方式和自动工作方式，手动工作方式是保留原来的控制功能，当主系统出现故障时，可通过各分站对所属滤池进行操作生产，保障正常供水，自动工作方式是在系统正常运行情况下，通过反冲洗分站对各滤池进行集中管理，包括各滤池相关阀门的运行状态，水位情况以及自动反冲洗等。
在过滤自动控制阶段，PLC根据水位值，用PID调节方式调节清水阀门开度，使水位保持在恒水位设定值附近。在过滤过程，可根据实际情况，在上位机的人机界面在线改变恒水位值和报警水位值。
PLC在检测和控制滤池正常过滤的同时，检测判断本格滤池是否需要反冲洗。反冲洗队列控制采用“先进先出”原则。
3.6、送水分站
送水分站主要实现送水泵房水泵阀门的控制、监测，出厂水流量、水质的检测
保持现状现场手动控制方式不变，操控主机实现水泵阀门的主动开停、状态监测，有异常情况出现，系统报警提示操作人员到现场进行处理。故障信號出现，系统将自动进入故障保护程序，停止机泵，保障安全。
3.7、回收泵控制：
液位检测：回收池增加一台液位计，根据水位启停回收泵，系统监测各泵运行情况及水位，异常报警。
4系统防雷与接地
4.1、系统防雷
深圳市属于雷电多发区。自动化系统通讯主干网络采用了光缆通讯介质，可有效地防止雷电对系统通讯主干网的侵入。另外，针对本系统还存在可能受到感应雷或浪涌电压影响的环节，采取了一系列防雷措施。
在IEC-1312-3/5.3标准规定的区域交界处与所有进入该区的导电物做等电位连结，以确保控制网络、PLC可编程控器及其他控制设备安全工作。
系统的防雷保护包括电源、通讯网络、PLC的I/O信号、仪表及计算机设备等。电源设备防雷采用国产雷安避雷器。仪表和自控设备防雷采用德国OBO的避雷器。
4.2、系统接地：
整个系统的所有避雷器都安装在控制柜或设备箱内，其接地端与控制柜内的接地铜排连接,接入接地系统。电源电缆线、网络信号传输电缆线的屏蔽端口在控制柜内必须做等电位连结。
5 结语
工程完成后，根据业主运行两年的反馈意见，改造工程在充分利用原有的控制设备的基础上，完善了全厂的自动化系统，保障供水安全，保证了供水水质，节约了能耗、药耗和劳动力成本，实现了高效的生产管理，实现了最大的经济效益。
介绍深圳市某水厂的自动化改造方案，实现完整的监控及控制功能。
关键词：水厂；改造；自动化；PLC
0 引言
深圳市某水厂设计供水规模35万m3/日，分为四期建设，全厂分为取水,加药,沉淀,过滤,送水等几个工艺环节，其中四组滤池实现了基本的自动控制，但全厂没有集中监控,操作人员也相对分散，这就给生产管理,优化决策,人力资源的分配等造成一定的不便。为此，业主提出对原有的自动化系统进行完善，实现全厂生产管理的自动化，满足现代化供水管理要求。确定基本设计原则如下：
先进性整个系统采用国际上先进并且成熟的技术，力求方案的先进、灵活、高效。
实用性系统始终以用户需求为导向，结合先进、合理的管理模式，功能全面，切合实际。
扩展性系统的设计不但考虑当前的实际需要，并且考虑了长远发展的需要，预留了以后增加的监控设备接口， 保证系统的可扩展性。
1 系统结构
根据水厂的工艺流程、布局以及现有的PLC系统，按照集中管理，分散控制的原则，全厂自动控制系统采用中心控制层和现场控制层两级分布式结构。由于是现有水厂改造项目，为减少对生产的干扰，减少电缆的穿墙及开槽敷设，在主要构筑物分别设置十个现场控制分站。中心控制站属于厂级中心控制层，十个现场控制站属于现场控制层，包括取水分站（新增）、加药分站（新增）、加氯分站（改造）、反冲洗分站（新增）、一期滤池子站（改造）、二期滤池子站（改造）、三期滤池子站（改造）、四期滤池子站（改造）、送水分站（新增）和回收池分站（新增）。现场控制站既能在中心控制站统一指挥下协调工作，又可以在通讯发生故障的情况下独立运行，减少局部事故给整个控制系统和生产造成损失。
现有的一、二期滤池的控制系统建于90年代中期，采用的是日本欧姆龙公司的PLC，三、四期濾池及加氯间的控制系统PLC采用的是西门子S7-200，考虑经济性及兼容性，本次自动化系统保留三、四期滤池及加氯间的西门子PLC及控制柜，只对软件部分进行重新编程，完善系统功能。新增分站及一、二期滤池控制分站，均采用西门子S7系列PLC。
全厂主干网络采用100M光纤工业环形以太网。
2 中心控制站
中心控制室配备的两台监控主机，通过交换机接入以太网，对全厂设备集中监控。两台监控主机组成双机热备用系统，当一台监控主机出现故障时，可迅速切换到另一台监控主机，保证数据记录的连续性和控制系统的稳定性。
中心控制站设一块大型显示屏，用于动态显示相应工艺环节的被测参数的实时值和生产数据。
监控主机主要具有实现以下功能：
监视功能：现场各分站设备的实时状态变化通过光缆环形以太网上传，由监控主机负责接收。通过显示器分幅显示工艺流程图，实现从总图到详图的多层次监视，并在各个相应的位置显示相应区域的被测参数的实时值.当设备运行异常时，监控主机发出声光报警，提醒工作人员注意显示水位等参数实时的数据曲线。通过图形处理，工作人员能直观地观察各种数据的变化。
控制功能：在监控主机上，操作人员可按要求开停工艺流程中的重要设备。系统控制分手动和自动两种控制方式。在手动方式下，监控主机只能监测设备的当前运行状态；在自动方式，通过监控主机可控制设备启停和监测设备的运行状态。
管理功能：监控主机具有完善的用户管理功能。任何控制和设置功能均需通过密码登录以后才能生效，不同等级的操作人员拥有的操作权限也不同，一般工作人员可以操作权限范围内的设备，系统管理员可以修改系统的各种设置及改变生产参数的设定。用户的添加和修改、权限的修改均由系统管理员完成。
报警功能：当设备出现故障，监控主机除发出声光报警外，还能自动记录报警信息，管理人员通过报警查询功能即可查看实时和历史的报警记录。
对于长期不正常事件(由监视人员确认后)可禁止报警和登录。对于已确认的报警应带上报警发生时标，存入报警数据库。
存储功能：监控主机实时显示设备运行状态和生产参数，并对重要的生产数据进行记录和保存。
所有实时数据都必须按时序依次存储，并定期将这些数据转存成历史数据，通过历史数据计算最小值、最大值、平均值、标准值、偏差值、累积值等。
各类生产数据可按要求进行分类列表显示，也可根据需要采用曲线图，棒状图等形式显示。
报表功能：系统能根据用户提供的报表样式，自动生成和打印生产日、月、年报表。操作员在监控计算机通过打印报表功能，能方便调阅和打印生产报表。
3控制分站
各控制分站相对独立，互不影响，采用西门子S7-300系列PLC。它们具有部分相同的功能：
分站PLC与智能仪表或生产设备通讯，实时采集生产过程中的各种工艺参数和设备运行信号。
控制本站设备的运行，处理生产过程中出现的异常情况。
能对设备故障发出报警及紧急事故处理；与中心控制室计算机通讯，传送现场数据。
接收并执行中央控制室计算机遥控命令。
3.1、取水分站
取水泵控制 保留以前现场手动控制方式，同时操作主机可以通过点击启停按钮，启动机泵，并实时监测各机泵的运行电流、运行信号，如有异常，系统自动停止机泵并报警提示。保障机泵运行安全。
进水阀控制 根据流量指示可以现场手动及在操作主机上通过点击开关按钮调整阀门开度。也可以根据原水流量的检测值与设定值的偏差值自动调节阀门开度。
3.2、加药分站
加药分站主要主要实现搅拌机、石灰泵、加药泵的启停控制及仪表信号采集。
加石灰控制 通过现场控制柜分合断路器或操控主机鼠标进行启停控制。或者根据原水流量自动启停离心泵，实时监测运行状况，如有异常情况，报警并停止运行。
根据设定时间，控制搅拌机周期运行。
加药泵控制 水厂药液投加量调节主要通过改变计量泵的冲程和频率实现。
采用运行经验公式（与原水温度、浊度有关），PLC自动计算投加率，然后根据反馈投加率的误差调节计量泵频率，并根据原水流量信号按比例控制计量泵冲程。
也可以由生产管理员直接在操作站上输入计量泵运行冲程等参数，PLC根据这些参数自动控制计量泵的运行。此方法可用于对计量泵的维护、检修调试，也可以作为水质发生比较大变化，自动控制超调时的应急措施。
3.3、加氯分站
加氯系统共有九台加氯机、四台余氯计、两台重量计，系统PLC采用的是西门子S7-200，本次改造在保留以前的设备及控制方式的基础上，增加一个西门子公司的工业以太网通讯模块，以便将数据传送给中心控制站，进行集中操控。
手动方式可以通过调节转子流量计上的调节头调整投加量或在操控主机上设定阀门开度，系统自动开启到设定值。
前加氯也根据进水流量自动进行投加。
后加氯以滤后水流量作为前馈量，以清水池余氯作为反馈量，与设定值相比较自动进行投加。也可以根据以前的投加经验，自动限幅，再以清水池余氯作为反馈量，与设定值相比较，自动调节投加量。
3.4、反冲洗分站
针对各个滤池相对分散、自成系统、不便管理的情况，增加一个反冲洗分站，对反冲洗过程中的共用设备进行集中控制，如鼓风机、出风阀、反冲泵及阀门的启停控制，并对各滤池子站的反冲洗进行集中管理，反冲洗主站与各滤池之间的网络通讯采用Controller Link网络。无论是各滤池子站自动发出的反冲洗申请，或是上位机键控反冲洗，都将通过反冲洗分站排队，只有收到反冲洗分站指令后才进行反冲。主要功能如下：
1）根据生产情况，由具有权限的工作人员在人机界面修改过滤时间，滤池水位报警值，反冲洗时间等工艺参数。
2）协调各滤格反冲洗申请，对滤池反冲洗进行排队，与滤池各子站通讯，按照生产工艺要求控制滤池反冲洗设备，实现滤池自动反冲洗过能。
3）对滤池反冲洗过程中的气冲、气水混合冲、水冲等每一环节进行监控，每部分时间值都可以在上位机的人机界面在线修改。
3.5、滤池子站
根据平面布局，滤池共设四个子站，分别控制每期滤池及反应沉淀池工艺设备。
一期与二期控制功能与设备相同，由于反冲洗的需要，每格滤池增加一个液位计，以实现水位监测。一期二期现有的工艺设备不支持恒水位过滤，在每格滤池清水阀上增加一个电气转换器，接收和反馈开度信号，以实现恒水位过滤控制。一期与二期沉淀池、反应池的排泥阀采用的是液压阀，目前是用手动阀控制，为了实现自动控制，将手动阀换成电磁阀，并增加相应的PLC模块，整个滤池控制柜重新改造成基于西门子S7-200的控制系统。以利于全厂自控系统的连接。
三期与四期自动化程度相对较高，在控制设备上暂时不作具体调整，PLC系统上各增加一个网络通讯卡，主要是软件方面的改造。
各滤池分站在改造后，有手动工作方式和自动工作方式，手动工作方式是保留原来的控制功能，当主系统出现故障时，可通过各分站对所属滤池进行操作生产，保障正常供水，自动工作方式是在系统正常运行情况下，通过反冲洗分站对各滤池进行集中管理，包括各滤池相关阀门的运行状态，水位情况以及自动反冲洗等。
在过滤自动控制阶段，PLC根据水位值，用PID调节方式调节清水阀门开度，使水位保持在恒水位设定值附近。在过滤过程，可根据实际情况，在上位机的人机界面在线改变恒水位值和报警水位值。
PLC在检测和控制滤池正常过滤的同时，检测判断本格滤池是否需要反冲洗。反冲洗队列控制采用“先进先出”原则。
3.6、送水分站
送水分站主要实现送水泵房水泵阀门的控制、监测，出厂水流量、水质的检测
保持现状现场手动控制方式不变，操控主机实现水泵阀门的主动开停、状态监测，有异常情况出现，系统报警提示操作人员到现场进行处理。故障信號出现，系统将自动进入故障保护程序，停止机泵，保障安全。
3.7、回收泵控制：
液位检测：回收池增加一台液位计，根据水位启停回收泵，系统监测各泵运行情况及水位，异常报警。
4系统防雷与接地
4.1、系统防雷
深圳市属于雷电多发区。自动化系统通讯主干网络采用了光缆通讯介质，可有效地防止雷电对系统通讯主干网的侵入。另外，针对本系统还存在可能受到感应雷或浪涌电压影响的环节，采取了一系列防雷措施。
在IEC-1312-3/5.3标准规定的区域交界处与所有进入该区的导电物做等电位连结，以确保控制网络、PLC可编程控器及其他控制设备安全工作。
系统的防雷保护包括电源、通讯网络、PLC的I/O信号、仪表及计算机设备等。电源设备防雷采用国产雷安避雷器。仪表和自控设备防雷采用德国OBO的避雷器。
4.2、系统接地：
整个系统的所有避雷器都安装在控制柜或设备箱内，其接地端与控制柜内的接地铜排连接,接入接地系统。电源电缆线、网络信号传输电缆线的屏蔽端口在控制柜内必须做等电位连结。
5 结语
工程完成后，根据业主运行两年的反馈意见，改造工程在充分利用原有的控制设备的基础上，完善了全厂的自动化系统，保障供水安全，保证了供水水质，节约了能耗、药耗和劳动力成本，实现了高效的生产管理，实现了最大的经济效益。