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1、現(xiàn)代自來(lái)水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) 姓名：王鼎順 第1 章 緒 論 1.1 水廠自控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.1.1 水廠制水工藝流程 各個(gè)水廠根據(jù)實(shí)際情況，其工藝流程千差萬(wàn)別，設(shè)備有增有減，但基本的流程相似，如圖1.1 所示。 圖中主要分為以下幾個(gè)工藝過(guò)程： （1）取水：通過(guò)多臺(tái)大型離心泵將江、河、地表等處的水抽入凈水廠。 （2）藥劑的制備與投加：按工藝要求制備合適的混凝劑，并投入混凝劑及氯氣，達(dá)到混凝和消毒的目的。 （3）混凝：包括混合與絮凝，即源水投入混凝劑后進(jìn)行反應(yīng)，并排出反應(yīng)后沉淀的污泥。 （4）平流沉淀：與混凝劑反應(yīng)后的水低速流過(guò)平流沉淀池，以便懸浮顆粒沉淀，并排出

2、沉淀的污泥。 （5）過(guò)濾沉淀：水通過(guò)顆粒介質(zhì)（石英砂）以去除其中懸浮雜質(zhì)使水澄清，并定時(shí)反沖洗石英砂。 （6）送水：多臺(tái)大型離心泵將自來(lái)水以一定的壓力和流量送入供水管網(wǎng)。 1.1.2 水廠自控系統(tǒng)組成 自來(lái)水廠的工藝特點(diǎn)是各工藝單元既相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)各單元之間又存在一定的聯(lián)系。正因?yàn)楦鞴に噯卧鄬?duì)獨(dú)立，因此通常將整個(gè)工藝按控制單元?jiǎng)澐?，主要包括：取水泵房自?dòng)控制系統(tǒng)、送水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)、加礬自動(dòng)控制系統(tǒng)、加氯自動(dòng)控制系統(tǒng)、格柵配水池控制系統(tǒng)、反應(yīng)沉淀池控制系統(tǒng)、濾池氣水反沖洗控制系統(tǒng)、配電控制系統(tǒng)、水廠中央控制室自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)，這些工藝單元內(nèi)設(shè)備相對(duì)集中。根據(jù)這些特點(diǎn)，自控系統(tǒng)較多采用

3、PLC＋I(xiàn)PC的集散控制系統(tǒng)(DCS)模式。 采用PLC+IPC 系統(tǒng)的水廠自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)一般采用多主站加多從站結(jié)構(gòu)，能夠較好的滿足國(guó)內(nèi)水廠自動(dòng)化的監(jiān)控、保護(hù)要求?？刂泣c(diǎn)分布在水廠內(nèi)不同的位置，采用就近控制原則，在設(shè)備集中區(qū)分別設(shè)置不同的PLC 站對(duì)該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，各PLC 站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水廠的自動(dòng)化控制。在控制單元內(nèi)，PLC 站實(shí)現(xiàn)對(duì)該單元內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)控制。這樣的優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)某一控制單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)嚴(yán)重影響其它單元的自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)由于單元內(nèi)控制設(shè)備、檢測(cè)儀表就近相連，減少了布線成本。 一般根據(jù)土建設(shè)計(jì)，將水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)按設(shè)備位置情況

4、及功能進(jìn)行組織，分為如下一些控制站點(diǎn)。 （1）中央控制室站點(diǎn)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，同時(shí)留有四遙（遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控）系統(tǒng)接口，與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 （2）配電室控制站點(diǎn)：對(duì)高壓及低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 （3）取水泵房控制站點(diǎn)：取水泵、真空泵、潛污泵及軸流風(fēng)機(jī)等進(jìn)行監(jiān)控。 （4）送水泵房控制站點(diǎn)：對(duì)送水泵、潛污泵等進(jìn)行監(jiān)控。 （5）格柵配水池控制站點(diǎn)：對(duì)快開(kāi)排泥閥、格柵液位、格柵除污機(jī)、螺旋輸送機(jī)等進(jìn)行監(jiān)控。 （6）反應(yīng)沉淀池控制站點(diǎn)：對(duì)快開(kāi)排泥閥、刮泥機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。 （7）濾池公共部分控制站點(diǎn)：對(duì)反沖洗公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)及相關(guān)閥門(mén)）進(jìn)行監(jiān)控。 （8）

5、濾池控制站點(diǎn)：根據(jù)單格濾池?cái)?shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個(gè)，對(duì)單個(gè)濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 （9）加礬控制站點(diǎn)：對(duì)加礬、自動(dòng)配礬系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 （10）加氯控制站點(diǎn)：對(duì)加氯系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 在實(shí)際工程當(dāng)中，當(dāng)控制站點(diǎn)較近時(shí)，可以將某些站點(diǎn)合在一起，根據(jù)功能及控制規(guī)模大小，有些站點(diǎn)可以設(shè)為從站或遠(yuǎn)程站點(diǎn)。例如長(zhǎng)沙榔梨水廠自控系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際情況，按照功能分為5 大塊：即取水泵房控制系統(tǒng)，加礬、加氯和格柵配水控制系統(tǒng)，濾池及反沖洗設(shè)備控制系統(tǒng)，送水泵及設(shè)備控制系統(tǒng)，中央控制室等。 1.2 我國(guó)自來(lái)水廠自動(dòng)控制的現(xiàn)狀 我國(guó)自來(lái)水廠的自動(dòng)化工作起步較晚，但發(fā)展很快。從六十年代簡(jiǎn)單的水位自動(dòng)控制發(fā)展到七十年

6、代采用熱工儀表和集中巡檢裝置，八十年代以后隨著國(guó)家工業(yè)水平的整體提高，使水廠進(jìn)入了大規(guī)模的發(fā)展年代，特別是隨著外資的引入，大量國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)與設(shè)備進(jìn)入我國(guó)，建成了一批全引進(jìn)的水廠，使我國(guó)水廠自動(dòng)化進(jìn)程大大加快，自動(dòng)化水平也快速提高。 由于歷史和現(xiàn)實(shí)的原因，我國(guó)水廠自動(dòng)化的總體發(fā)展水平還不高，發(fā)展也不平衡。大中城市水廠，特別是發(fā)達(dá)地區(qū)大型水廠的自動(dòng)化程度很高，而小城市和城鎮(zhèn)水廠，特別是落后地區(qū)小型水廠的自動(dòng)化程度較低，甚至還是空白。在一些已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水廠中，雖然自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備與其他行業(yè)，如化工、電力等相比并不差，甚至更先進(jìn)，但是，其功能并未充分發(fā)揮出來(lái)。有的自控系統(tǒng)從未運(yùn)行過(guò)，一

7、直處于閑置狀態(tài)；有的運(yùn)行一段時(shí)間后變?yōu)榱耸謩?dòng)，甚至處于癱瘓狀態(tài)，造成了自動(dòng)化系統(tǒng)和設(shè)備的極大浪費(fèi)。 國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化控制的方法主要是新建和擴(kuò)建工程。大型水廠建設(shè)項(xiàng)目依靠引進(jìn)外資和全套技術(shù)設(shè)備，水廠工藝自動(dòng)化水平高，但設(shè)備和控制系統(tǒng)投資很大。中小水廠自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、工程服務(wù)以國(guó)內(nèi)為主，但系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍以引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品為主，在設(shè)備選型及工程服務(wù)上采取“土洋結(jié)合”的辦法。這種“土洋結(jié)合”的辦法不但大大降低了水廠在自控系統(tǒng)中的投資，而且實(shí)現(xiàn)了工程售后服務(wù)的本地化，有利于該行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。 1.3 現(xiàn)代自來(lái)水廠自控系統(tǒng)的主要內(nèi)容 我國(guó)水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段是分散

8、控制階段，該時(shí)期水廠各部分分別進(jìn)行自動(dòng)控制，各獨(dú)立系統(tǒng)互不相關(guān)；第二階段是水廠綜合自動(dòng)化階段，在該時(shí)期整個(gè)水廠作為一個(gè)綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)各個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)又可以獨(dú)立工作，該系統(tǒng)共享整個(gè)水廠的信息，同時(shí)又有分散控制的可靠性?，F(xiàn)階段大部分水廠處于此階段；第三階段是供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化階段，該階段要求在一個(gè)區(qū)域的供水企業(yè)共享信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市或地區(qū)供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。目前我國(guó)的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達(dá)到了第三階段。在國(guó)外，如加拿大、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家基本實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的全自動(dòng)化，而且開(kāi)始進(jìn)行分質(zhì)供水，同時(shí)對(duì)水廠內(nèi)部的自控系統(tǒng)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)和提高。 當(dāng)前水廠采

9、用的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，從自控的角度可以劃分為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、集散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)、IPC+PLC（Industrial PersonalComputer & Programmable Logic Controller）系統(tǒng)，即工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī)與可編程邏 輯控制器構(gòu)成的系統(tǒng)等。 SCADA 系統(tǒng)組網(wǎng)范圍大，通訊方式靈活，但實(shí)時(shí)性較低，對(duì)大規(guī)模和復(fù)雜的控制實(shí)現(xiàn)較為困難。DCS 系統(tǒng)則采用分級(jí)分布式控制，在物理上實(shí)現(xiàn)了真正的分散

10、控制，且實(shí)時(shí)性較好，但應(yīng)用軟件的編程工作量較大，對(duì)開(kāi)發(fā)和維護(hù)人員要求較高，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。IPC+PLC 系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布控制，又可實(shí)現(xiàn)集中管理分散控制。而且PLC 本身可靠性高，組網(wǎng)、編程和維護(hù)很方便，開(kāi)發(fā)周期很短，系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整又非常靈活，可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。因此，IPC+PLC 系統(tǒng)成為了當(dāng)今水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式。 綜合分析國(guó)際和國(guó)內(nèi)水廠發(fā)展的各個(gè)階段的特點(diǎn)以及現(xiàn)有的水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)可知，自來(lái)水廠主要的控制技術(shù)與核心組成基本相同，主要有水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)、水處理控制技術(shù)、變頻節(jié)能技術(shù)與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)四個(gè)方面，可用圖1.2 描述。 1.3.1 水

11、質(zhì)檢測(cè)技術(shù) 水處理中的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，即水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)是保證供水和排水水質(zhì)的重要手段，也是指導(dǎo)水處理工藝運(yùn)行過(guò)程的重要依據(jù)，隨著自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的新型自動(dòng)化檢測(cè)儀表。 目前使用的水處理自動(dòng)化儀表包括流量、水位、溫度、壓力儀表以及水質(zhì)測(cè)量分析儀表，如pH測(cè)量?jī)x、流動(dòng)電流檢測(cè)儀、漏氯報(bào)警儀、余氯分析儀、高低濁度在線檢測(cè)儀等。在流量測(cè)量方面，除了傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)外，還出現(xiàn)了大量非接觸式儀表。 水位測(cè)量?jī)x表是水處理中另一類使用廣泛的檢測(cè)儀表，濾池、清水池、格柵配水井、配礬等處都要用到，主要有差壓式、靜壓式、吹氣式、浮子式、靜電電容式、以及超聲波等類型。 檢測(cè)儀表

12、是實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)，在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家不僅大面積使用現(xiàn)有成熟儀表外，還不斷開(kāi)發(fā)出新的檢測(cè)儀表并發(fā)展相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)，不斷擴(kuò)大檢測(cè)范圍，提高檢測(cè)精度。 1.3.2 水處理控制技術(shù) 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及光電技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，近十年來(lái)工業(yè)自動(dòng)化在各個(gè)方面都發(fā)生了深刻的變化，包括自動(dòng)化感應(yīng)部件、各種檢測(cè)傳感器、變送器、各種間接測(cè)量設(shè)備、各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)等底層設(shè)備，以及自動(dòng)回路調(diào)節(jié)器、自動(dòng)控制單元、各種大小型裝置控制系統(tǒng)乃至綜合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)等。有關(guān)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也一直是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重點(diǎn)工作之一，并且已經(jīng)在控制理論和自動(dòng)控制系統(tǒng)水平方面都發(fā)生了極大的變化。表1.1 給出了近三十年來(lái)水廠

13、自控技術(shù)的發(fā)展變化。 隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)的控制與水處理效率的要求也在不斷提高。新工藝、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用一方面提高了水處理能力，另一方面也對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、協(xié)調(diào)提出了更加嚴(yán)格復(fù)雜的要求。常規(guī)控制手段已經(jīng)成為水處理行業(yè)中的薄弱環(huán)節(jié)之一，需要在現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化已經(jīng)取得的成果基礎(chǔ)上研究、設(shè)計(jì)、投用適合于水處理行業(yè)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。 由于水處理系統(tǒng)（特別是混凝投藥和加氯控制過(guò)程）是一個(gè)大遲滯、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)建模困難，很難控制好。因此各種先進(jìn)的控制算法不斷提了出來(lái)。文獻(xiàn)就設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理的自動(dòng)加礬系統(tǒng)，文獻(xiàn)則采用智能控制，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法等來(lái)進(jìn)行加

14、礬或加氯控制，亦取得了較好的控制效果。 雖然各種先進(jìn)的控制理論和算法不斷被提了出來(lái)，但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，尤其是中小型水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，經(jīng)典的控制理論仍有著廣泛的應(yīng)用空間。 因此本文在研究水廠自動(dòng)控制理論方面，側(cè)重于經(jīng)典控制理論及其應(yīng)用。 1.3.3 變頻節(jié)能技術(shù) 在水處理行業(yè)中，普遍存在著用水量變化較大的問(wèn)題，在不同的季節(jié)、不同的時(shí)段，用戶用水的需求量有很大的差別，存在著明顯的用水高峰特征，因此水處理廠供水系統(tǒng)的給水壓力需要隨用戶的用水需求量變化而變化。在低峰時(shí)，如果水泵機(jī)組按高峰期的用水量運(yùn)行，雖可通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)滿足用水需求，但供水能量損耗大，而且還會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行。因此

15、，根據(jù)用水需求自動(dòng)控制水泵機(jī)組運(yùn)行，且實(shí)現(xiàn)節(jié)能，是水廠自動(dòng)化技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 變頻調(diào)速是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，其節(jié)電效率很高，幾乎能將因設(shè)計(jì)冗余和用水量變化而浪費(fèi)的電能全部節(jié)省下來(lái)。變頻調(diào)速控制技術(shù)，是指以變頻調(diào)整原理為基礎(chǔ)，在保證供水可靠性的前提下，根據(jù)供水系統(tǒng)用水量的變化情況，自動(dòng)調(diào)整水泵工況，使之始終盡可能地在高效區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，以達(dá)到降低能耗、提高效率的目的。這一技術(shù)是比較科學(xué)，可靠性較高的一種調(diào)節(jié)水泵工況的方式。 它具有調(diào)速精度高、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，使用它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，并降低物料和設(shè)備的損耗，同時(shí)也能減少機(jī)械磨損和噪音，改善車間勞動(dòng)條件，滿足生產(chǎn)工藝要求。 變頻器是

16、一種以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的工業(yè)裝置。作為一種先進(jìn)的調(diào)速裝置，變頻器不但調(diào)速范圍廣、可靠性高、操作與維護(hù)方便，而且節(jié)電效果明顯。在水處理行業(yè)變頻器具有廣闊的發(fā)展前景，有關(guān)其應(yīng)用研究也一直得到相關(guān)工程領(lǐng)域的重視。 應(yīng)用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能供水，可以采用恒壓變量或變壓變量?jī)煞N方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。恒壓變量供水系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速（即供水流量）來(lái)保證供水壓力不變，該系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，應(yīng)用廣泛。變壓變量供水系統(tǒng)則根據(jù)用戶用水量的變化同時(shí)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速（即供水流量）和供水壓力，很明顯該方案節(jié)能效果更好。 但是由于水頭損失等受各種因素影響，難以準(zhǔn)確確定，實(shí)際應(yīng)用的很少[。 1.3.4

17、 供水綜合自動(dòng)化系統(tǒng) 在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與信息時(shí)代的飛速發(fā)展中,企業(yè)內(nèi)部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái)。迫切需要建立一個(gè)全集成的、開(kāi)放的、全廠乃至整個(gè)供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化信息系統(tǒng)，把企業(yè)的橫向通信(同一層不同節(jié)點(diǎn)的通信) 和縱向通信(上、下層之間的通信) 緊密聯(lián)系在一起，通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建立一個(gè)供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)成為可能。在

18、現(xiàn)代化的大型水廠中，除了采用先進(jìn)的設(shè)備和控制技術(shù)對(duì)廠區(qū)內(nèi)部進(jìn)行有效控制和管理外，還要求實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)城市或地區(qū)整個(gè)供水系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化管理。對(duì)自來(lái)水公司而言，為了安全、穩(wěn)定、可靠地管理好遍布全城的供水系統(tǒng)，要有一個(gè)滿足企業(yè)特點(diǎn)的、現(xiàn)代化的、先進(jìn)的的企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(SAS)。 在該系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的現(xiàn)代化企業(yè)管理。主要包括社會(huì)服務(wù)系統(tǒng)，自來(lái)水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS），自動(dòng)抄表收費(fèi)系統(tǒng)（AMR）、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA），辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OAS），自來(lái)水管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，信息管理中心系統(tǒng)（IMCS）等。在美國(guó)和加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)建立了不少現(xiàn)

19、代化的水廠，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化。 1.4 水廠自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì) 利用改革開(kāi)放的機(jī)遇，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)近10 年的努力，以PLC 為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，并具備了一定的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。 由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化、管控一體化等概念向自動(dòng)化領(lǐng)域的滲透，使得自動(dòng)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)面臨一場(chǎng)深刻的變革，這種變革也必將對(duì)水工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)生重大影響。 1.4.1 控制系統(tǒng)的智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化 水廠的智能化包括智能設(shè)備、智能控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等幾個(gè)主要方面。隨著智能傳感器、變送器、測(cè)量?jī)x表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等智能設(shè)備，以及如專家

20、系統(tǒng)、模糊控制、自適應(yīng)控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水廠中的應(yīng)用，水廠自動(dòng)化將會(huì)向智能化方向發(fā)展[22]。智能設(shè)備、智能控制技術(shù)很明顯是具有“智能”的。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)則由于將專用的CPU 置入傳統(tǒng)的測(cè)控儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和通信能力，亦即“智能化”?？刂葡到y(tǒng)的分散化和網(wǎng)絡(luò)化則主要表現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用上。 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的全數(shù)字化、實(shí)時(shí)、雙向、多節(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信系統(tǒng)。采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線、同軸電纜等作為聯(lián)系的紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)測(cè)控儀表連接成網(wǎng)絡(luò)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀表之間及其與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息

21、交換，形成多種適應(yīng)實(shí)際需要的控制系統(tǒng)，即所謂“網(wǎng)絡(luò)化”；由于這些網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)都是具備 智能的可通信產(chǎn)品，因而它所需要的控制信息(如實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)) 不采取向PLC 或計(jì)算機(jī)存取的方式，而可直接從處于同等層上的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)上獲取，在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)( FCS) 的環(huán)境下，借助其計(jì)算和通信能力，在現(xiàn)場(chǎng)就可進(jìn)行許多復(fù)雜計(jì)算，形成真正分散在現(xiàn)場(chǎng)的完整的控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的自治性和可靠性。在水廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，通過(guò)采用開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，如現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)等，把TCP/IP引入水廠現(xiàn)場(chǎng)，使Internet延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，利用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)試、維護(hù)和故障診斷等功能，從而建成基于

22、Internet的水廠自動(dòng)化系統(tǒng)。應(yīng)用Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化功能，是信息時(shí)代的要求，也是當(dāng)前水廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向。 1.4.2 控制系統(tǒng)管控一體化 水廠控制系統(tǒng)管控一體化就是要建立一個(gè)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還把現(xiàn)場(chǎng)信息和水廠管理信息結(jié)合起來(lái)的具有水廠控制和企業(yè)管理功能的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。一般水廠控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1.3 所示： 企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管控信息集成的基本條件，沒(méi)有信息網(wǎng)絡(luò)就不可能實(shí)現(xiàn)企業(yè)橫向和縱向信息的溝通和匯集，建網(wǎng)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)全企業(yè)范圍內(nèi)的信息資源共享，以及與外部世界的信息溝通。 管控一體化解決方案中的企業(yè)管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)等組成，用于集成企

23、業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet 的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。 過(guò)程監(jiān)控層由局域網(wǎng)段以及連接在局域網(wǎng)段的擔(dān)任監(jiān)控任務(wù)的工作站或控制器組成，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口與過(guò)程監(jiān)控層相連，或者監(jiān)控層直接由現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)?yè)?dān)當(dāng)；監(jiān)控站可以完成對(duì)控制系統(tǒng)的組態(tài)，執(zhí)行對(duì)控制系統(tǒng)的監(jiān)控、報(bào)警、維護(hù)及人機(jī)交互等功能。 現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備和控制網(wǎng)段構(gòu)成，把傳統(tǒng)的集散系統(tǒng)控制站(如水處理企業(yè)的PLC分站) 的功能分散到了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，此時(shí)的控制站實(shí)際是一個(gè)虛擬的控制站。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與產(chǎn)品所形成的底層網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮其使測(cè)控設(shè)備具有通信能力的特點(diǎn)，為控制網(wǎng)絡(luò)與通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連接提供了方便。企

24、業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)是管控一體化的基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)總線則為構(gòu)建管控一體化網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。 現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)同類或不同類網(wǎng)絡(luò)的互連以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享，打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的封閉性，使系統(tǒng)的開(kāi)放性大大增強(qiáng)，既可實(shí)現(xiàn)水廠控制網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)的無(wú)縫連接，也可把Internet引入水廠自動(dòng)化，從而建成測(cè)控管一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[。 1.5 項(xiàng)目背景 本課題來(lái)源于榔梨鎮(zhèn)10 萬(wàn)噸水廠自動(dòng)化系統(tǒng)新建工程。 該水廠分二期建設(shè)。首期工程設(shè)計(jì)供水能力為5 萬(wàn)噸，具體包括：配水池、絮凝池、平流沉淀池、疊合清水池、氣水反沖洗濾池、送水泵房、吸水井、投藥間等自動(dòng)化系統(tǒng)工程以及一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 本人主要負(fù)責(zé)上述工程

25、軟件部分的設(shè)計(jì)和實(shí)施。根據(jù)榔梨水廠制水工藝的特點(diǎn)和土建實(shí)際，可以將該工程分為自動(dòng)送水控制系統(tǒng)，濾池控制系統(tǒng)，加藥控制系統(tǒng)，取水控制系統(tǒng)等四個(gè)主要部分。 針對(duì)榔梨水廠取水泵房遠(yuǎn)離送水廠，而送水廠內(nèi)部各工藝的設(shè)備和檢測(cè)儀表相對(duì)集中，控制相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，實(shí)際采用目前廣泛使用的PLC+IPC 集散控制模式。該模式具有分散控制可靠性高的特點(diǎn)，又具有集中控制便于管理的優(yōu)點(diǎn)。每一個(gè)功能控制系統(tǒng)均由一個(gè)PLC 進(jìn)行單獨(dú)控制，同時(shí)又連接到中央控制室的上位機(jī)上進(jìn)行集中控制和管理。 取水泵房設(shè)備信號(hào)和圖像信息通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)送到中央控制室進(jìn)行控制和顯示。廠區(qū)內(nèi)的加礬、加氯、濾池、變頻供水系統(tǒng)分別通過(guò)光纖連接到上位機(jī)

26、，組成水廠內(nèi)部工業(yè)以太網(wǎng)。中控室計(jì)算機(jī)通過(guò)水廠內(nèi)部局域網(wǎng)連接到水廠上級(jí)管理部門(mén)，構(gòu)成水廠主干網(wǎng)。 在各分系統(tǒng)內(nèi)部采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行控制。 濾池控制系統(tǒng)由7 臺(tái)CJ1M PLC，用歐姆龍公司的controller link 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，控制6 個(gè)濾池的過(guò)濾和反沖洗。6 個(gè)濾池的操作相同，一個(gè)濾池由一臺(tái)PLC控制，6 個(gè)濾池反沖洗的公共部分：反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)和相應(yīng)的閥門(mén)的控制單獨(dú)采用一臺(tái)PLC（主PLC，安裝有以太網(wǎng)模塊）。通過(guò)controller link 網(wǎng)絡(luò)，6臺(tái)濾池PLC 實(shí)現(xiàn)與主PLC 的信息共享，并通過(guò)主PLC 將信息傳送到水廠中央控制室主機(jī)。中央控制室命令也通過(guò)主PLC 傳送給

27、濾池PLC。 對(duì)沉淀池和格柵配水井的控制則是通過(guò)Device Net 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的。在控制現(xiàn)場(chǎng)安裝有數(shù)個(gè)DRT2-ID16，DRT2-AD04 模塊，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。在加藥加氯間也裝有一個(gè)PLC，它除了對(duì)加藥加氯系統(tǒng)進(jìn)行控制外，還負(fù)責(zé)傳遞沉淀池和格柵配水井的數(shù)據(jù)到中央控制室。在它上面安裝有Device Net 的主站單元，負(fù)責(zé)從從站讀取和傳送數(shù)據(jù)。 在送水泵房有4 臺(tái)大功率送水泵電機(jī)，通過(guò)送水PLC 控制ABB 公司的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)變頻軟啟動(dòng)。該方案不用再配制軟啟動(dòng)器，節(jié)省了成本。同時(shí)采用循環(huán)變頻的方式，有效的保護(hù)了水泵電機(jī)。送水泵房的設(shè)備，如潛水泵和排風(fēng)機(jī)通過(guò)Device Net 網(wǎng)

28、絡(luò)進(jìn)行控制，與沉淀池控制類似。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用美國(guó)Wonderware 公司的InTouch 組態(tài)軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2000，報(bào)表系統(tǒng)則用Excel，通過(guò)VB 來(lái)編寫(xiě)。 1.6 本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn) 本論文研究了水廠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的幾個(gè)主要方面，并針對(duì)當(dāng)前我國(guó)大部分水廠只考慮廠內(nèi)而較少涉及管網(wǎng)的實(shí)際情況，提出了一種綜合廠內(nèi)與廠外、水廠與管網(wǎng)的供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集終端。結(jié)合榔梨水廠的工程實(shí)例，詳細(xì)講解了供水企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵部分的自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成和自動(dòng)控制策略，如送水泵站的自動(dòng)控制、濾池的自動(dòng)控制、加氯加礬自動(dòng)控制等，并針對(duì)加氯加礬自動(dòng)控制系統(tǒng)中的問(wèn)題

29、，提出了一些改進(jìn)方案。 論文章節(jié)內(nèi)容包括： 第1 章 緒論，對(duì)國(guó)內(nèi)外供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及項(xiàng)目背景進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析、綜述和討論。 第2 章 主要研究了水廠自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。對(duì)自動(dòng)配礬子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算并繪制了流程圖。同時(shí)對(duì)自來(lái)水廠采用的幾種常規(guī)加礬控制方案進(jìn)行了研究和分析，并針對(duì)實(shí)際情況提出了改進(jìn)型自動(dòng)加礬方案。 第3 章 主要研究了水廠自動(dòng)加氯控制系統(tǒng)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。研究了比例、反饋、復(fù)合三種常規(guī)的自動(dòng)加氯控制系統(tǒng)。針對(duì)水廠實(shí)際情況，將前饋+串級(jí)控制系統(tǒng)運(yùn)用到濾后加氯控制系統(tǒng)中。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)用采樣控制理論進(jìn)行采樣控制，并對(duì)采樣控制進(jìn)行了仿真研究。

30、 第4 章 主要研究了水廠變頻供水的節(jié)能原理。簡(jiǎn)述了恒壓供水的節(jié)能原理及實(shí)現(xiàn)框圖；詳細(xì)推導(dǎo)了變壓變量供水的工程模型，對(duì)其節(jié)能原理進(jìn)行了深入分析和研究。同時(shí)對(duì)循環(huán)變頻軟啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了分析和探討。 第5 章 對(duì)水廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了研究。深入研究了數(shù)據(jù)采集終端，設(shè)計(jì)了該數(shù)采終端的軟硬件圖和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。 第6 章 結(jié)合榔梨水廠的工程實(shí)際，運(yùn)用上述理論詳述了水廠各個(gè)部分自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。主要有水廠的工藝流程，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，加藥加氯自動(dòng)化，濾池控制系統(tǒng)自動(dòng)化，變頻供水自動(dòng)化和上位機(jī)監(jiān)控等。 本文主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．設(shè)計(jì)了改進(jìn)型加藥控制方案。該方案在前饋中考慮了取水量和濁度對(duì)投加量的影響，比只

31、考慮取水量的方案更容易克服濁度擾動(dòng)，且容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)該改進(jìn)方案在流動(dòng)電流檢測(cè)儀測(cè)量不很準(zhǔn)或是出現(xiàn)故障時(shí)仍可以進(jìn)行有效控制?？梢员苊鈨x表故障時(shí)，要求人工投加的尷尬。 2．針對(duì)濾后加氯要求人工設(shè)定投加量的情況，提出了增加一級(jí)反饋回路進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定的前饋+串級(jí)控制方案。該控制方案可以全自動(dòng)連續(xù)調(diào)整投加量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)有效投加。在實(shí)施的過(guò)程中采用了采樣控制原理，并進(jìn)行了仿真研究。 3．分析了變頻供水的節(jié)能原理，推導(dǎo)了變壓變量供水的工程模型，并在榔梨水廠的實(shí)際過(guò)程中加以運(yùn)用。 4．設(shè)計(jì)了水廠管網(wǎng)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集終端，對(duì)供水系統(tǒng)綜 合自動(dòng)化進(jìn)行了闡述。 5．對(duì)榔梨水廠進(jìn)行了軟件部分的整

32、體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。包括取水，變壓變量供水，過(guò)濾，反沖洗，加礬加氯，數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，上位機(jī)監(jiān)控，報(bào)表打印等在內(nèi)的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 第2 章 加藥控制系統(tǒng) 加藥自動(dòng)控制必須根據(jù)水廠特有的源水情況和工藝設(shè)施配置情況來(lái)選擇合適的控制和實(shí)現(xiàn)方式。該系統(tǒng)一般由自動(dòng)配礬子系統(tǒng)和自動(dòng)加礬子系統(tǒng)組成。前者主要實(shí)現(xiàn)礬液的自動(dòng)配制，后者實(shí)現(xiàn)礬液的自動(dòng)投加。 2.1 自動(dòng)配礬子系統(tǒng) 2.1.1 自動(dòng)配礬子系統(tǒng)的組成和功能 水廠常配備兩個(gè)礬池，一用一備。用于投加礬液的池稱為工作池，另一個(gè)稱為備用池，兩個(gè)礬池均獨(dú)立運(yùn)行。池中礬液的配制一般要求在投加前幾分鐘內(nèi)啟動(dòng)并完成，稱為配礬。在連續(xù)加藥過(guò)程中，備用池配礬

33、的啟動(dòng)是由工作池的配礬液位控制的。 每個(gè)礬池均有一個(gè)加濃礬閥，用于加入濃礬。一個(gè)進(jìn)水閥，用于稀釋濃礬。 一個(gè)出礬液閥，用于將礬液投加到水池中（用計(jì)量泵投加）。為保證礬液的連續(xù)供應(yīng)，在工作池礬液低于停止投加液位設(shè)定值時(shí)，停止該池的投加，改用備用池投加，于是存在工作池與礬池的切換。以上工作及礬液的配比計(jì)算，相應(yīng)故障診斷報(bào)警都是由自動(dòng)加礬子系統(tǒng)完成。 2.1.2 自動(dòng)配礬子系統(tǒng)的計(jì)算 配礬子系統(tǒng)需要完成兩類計(jì)算：一是波美度與配比濃度的的換算；二是配礬比計(jì)算。 1．波美度與百分比濃度換算 對(duì)于礬液來(lái)說(shuō)，一般用波美度來(lái)表示濃度，這就要進(jìn)行濃度換算。一般有如 下公式： 假設(shè)某礬液質(zhì)量百分比濃度為a,其中水的質(zhì)量為X，礬的質(zhì)量為Y，則有 2．配礬比計(jì)算 配礬其實(shí)就是在礬池原礬液基礎(chǔ)上，配加一定濃度的高濃度礬液和水，使礬液濃度達(dá)到投加要求，以保證加藥質(zhì)量。 因此，配礬比計(jì)算實(shí)際上就是計(jì)算出加濃礬深度和配礬深度。如圖2.1 所示。