（天津市华淼给排水设计院有限公司，天津300040）
摘要：结合中法芥园水务自控系统现状，介绍了该工程从方案设计、施工图设计到具体实现自动化控制的过程。
关键词：中法芥园水务；自动化；控制系统
前言
在水厂建设中考虑将自动化系统设计其中，从而使水厂更加先进，操作更加现代化。
1中法芥园自控系统运行现状
目前，水厂需要在以下几个工艺段进行改造以实现各工艺段的自动化控制：
（1）中央控制室。目前水厂无自控系统控制室，只在老调度显示少量运行数据。大部分工艺数据无法显示，且系统严重老化。须对中控室的自控电源系统、数据交换系统、系统数据显示系统进行升级改造。
（2）一号送水泵房。共有5台送水泵，由于送水泵全部需要手动真空启动，操作人员在启动水泵时需要同时操作真空泵，手动阀和电动阀等设备，操作过程复杂，工作量大。同时水泵电机的各点工作状态没有泵站故障在线检测系统监测，不利于操作人员观察电机整体工作状态。本单元系统改造完成后实现送水泵组的一步化控制。
（3）二号送水泵房。共有8台送水泵，实际运行状况与一号送水泵房相同。本单元系统改造完成后实现送水泵组的一步化控制。
（4）变电站。现无法自动采集各开关柜的运行状态（位置与分合闸），进出线的电量、电流、电压与功率因数的生产运行数据和各类报警信息等。电站综合保护系统的监测数据无法上传水厂中控室。大量的数据汇总工作需人工完成，同时存在生产运行数据的实时性与准确性问题。本单元系统改造完成后实现电站综合保护系统的监测数据实时传送，并可实时显示其它相关数据。
（5）气浮净水车间。现已有一套自控系统，运行正常。相关数据显示已上传老调度控制室，本单元系统改造完成后实现气浮净水车间的相关数据实时传送到新调度中控室并具有与本地控制室相同的控制功能，实现相关设备的远程控制。
（6）污泥泵房。现已有一套自控系统，运行正常。相关数据本地控制室实时显示数据并具有相关功能，但没有实现上传水厂新调度中控室，本单元系统改造完成后实现污泥泵房的相关数据实时传送到新调度中控室。并可根据需求在新调度中控室对污泥泵房的受控设备进行远程控制。
2实施内容及目标
为确保水厂在自控系统建设完成后具有较高的自动化水平并最终实现各工艺点的无人值守，在建设过程中必须要对许多系统和装置进行扩容和改造。所以自控系统的设计和建设要满足以下要求：
（1）要具有一定的前瞻性和很好的扩展性；
（2）可与工厂的特殊条件相适应；
（3）拥有符合生产需求的灵活性；
（4）成本降至最低；
（5）可对风险进行控制；
（6）延长整个工厂的服务寿命；
（7）减少系统供应商数目。
通过构建全厂自动控制系统，提高水厂对各种水质及生产运行工艺的应变能力，使操作人员从复杂重复的劳动中解放出来，将精力投入到分析数据，总结经验，提高系统稳定性上。
现场工艺设备的控制方式分为二级控制模式：
（1） 现场就地控制箱控制模式。当现场就地控制箱上的控制方式选择开关被切换到本地手动后，此时此控制单元的控制权限在现场就地，它的优先级最高，现场操作人员就可根据实际需求在现场进行手动控制现场设备的启动/停止。中控室操作人员可根据现场情况发出调度控制指令，调整设备运行状态达到工艺要求。一般现场就地控制箱控制只有在中控室级中控室计算机故障时使用。
（2）中央控制室远程控制模式。当现场就地控制箱上的控制方式选择开关被切换到本地自动后，此时此控制单元的控制权限在中央控制室远程控制模式，它的优先级低于现场就地控制箱控制模式，操作人员也可以通过中控室监控计算机发出控制指令，中控室控制分为遥控控制和程控控制方式，当中控室监控计算机的系统控制模式按钮选为遥控控制方式时，可实现与现场就地箱相同的所有操作，实现受控设备的手动控制；如果系统运行方式选为程控控制方式（一步化）时，可完成系统的自动控制，也就是说根据工艺点的生产工艺要求实现受控设备自动控制。另外，在监控计算机上除显示设备运行状态外，还可以显示各工艺设备的故障信息，使操作人员快速定位故障，减少停机时间，减少现场设置的大量报警指示灯和警笛。系统在正常运行时处于程控（一步化）控制状态。
3本地控制单元
本地控制站的划分主要依据水厂的实际工艺需求和各处理构筑物的地理位置。由于水厂现有的SCADA系统已经不能满足实际生产需要，需在一、二号送水泵房、变电站、气浮净水间及污泥泵房设置本地控制单元，每个本地控制单元根据采集和控制的数据多少配置PLC系统，对于每个本地控制工艺单元，预留15%的余量。各控制单元设备配置表及价格详见商务预算书。
由于高压综保系统相对比较独立，本身设有上位机，可以独立采集、存储运行数据，所以本系统将采用Modbus网络通讯的方式采集一、二泵房泵站在线检测系统。另变电站电站综保系统的生产运行数据直接上传到中控室（本工程不包含本项）。
另外，本系统新建系统控制室，原有老调度拆除，现有老调度监控数据大多来自一、二泵房及现场设备。因此只需将部分一、二泵房没有的数据就近接入一、二泵房，再通过一、二泵房的本地控制系统实现老调度系统数据完整迁移。该项施工分别根据实际情况和位置在一、二泵房实施。
4一号泵房-PLC1
4.1系统配置
一号送水泵房控制单元设置1套PLC系统（PLC1），安装在PLC1控制柜内；配置2台工业以太网交换机，安装在PLC1电源柜内；一台UPS电源（自带电池组），安装在PLC1电源柜旁；一套双电源自动转换装置，安装在PLC1电源柜内；1套防雷器，安装在PLC1电源柜内；一套泵站故障在线检测系统（5个温度信号），安装在一号送水泵房控制室内。
PLC1由RSLogix 5000系列的PLC组成，其中包括一个本地控制站；1个本地远程扩展控制站，本地控制站与远程控制站以ControlNet网络冗余连接，控制对象主要为5台送水泵及其相关设备，如：真空泵、电磁阀等，另在PLC1控制柜上配置一台触摸屏，用来控制现场各设备，并显示其运行状态，在发生意外事件时显示报警信息。
通过以上配置及相关设备可实现控制一期泵房送水泵房的设备，采集送水泵房全部设备的运行状态。具有一步化控制功能，并可最终实现本地或远程的自动控制。
4.2主要设备控制工艺流程
送水一泵房的主要设备由送水泵组（含电机和水泵）、吸水闸、出水闸、真空系统、真空阀、仪表（压力变送器、液位开关、温度传感器、液位计等）及综保系统组成。
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主要的设备控制工艺流程分为两种模式：
（1）遥控模式：在此模式下，主要设备的控制主要依据现场实际状况及人为的控制思想进行控制，该模式主要应用于设备调试及设备故障状态。
（2）程控模式：在此模式下，将依据实际的现场设备控制工艺对相关设备进行控制。
4.3控制程序的结构
送水一泵房PLC控制程序由如下控制子程序组成：
（1）泵房及其相关信号与数据的采集子程序；
（2）泵房送水泵组、出水闸、真空阀；真空系统及其相关设备的故障报警子程序；
其中包括：
a.泵组超压（上限或下限）报警程序；
b.泵组温度异常报警程序；
c.泵组掉水报警程序；
d.泵组出水闸开启/关闭失败报警程序；
e.泵组真空阀开启/关闭失败报警程序；
f.清水库液位超限（上限或下限）报警程序；
g.冗余工业以太网A线或B线通讯中断报警程序；
h.Modbus数据采集系统（电力参数监测仪）通讯中断报警程序；
（3）真空系统故障报警程序；
a.冗余环形工业以太网数据共享控制子程序；
b.泵组控制模式控制子程序；
c.泵组运行台时计算控制子程序；
d.泵组程控启动（一步化）控制子程序；
e.泵组程控停止（一步化）控制子程序；
f.Modbus数据采集系统（电力参数监测仪）控制子程序；
g.Modbus数据采集系统（泵房综保系统）控制子程序；
改造完成后，一号送水泵房的泵组的启动、停止及其相关受控设备将实现一步化控制，并最终完成自动控制，操作人员可在本地或远程控制送水泵及其相关设备。
5二号泵房-PLC2
5.1系统配置
二号送水泵房控制单元设置1套PLC系统－PLC2，安装在PLC2控制柜内；2台工业以太网交换机，安装在PLC2电源柜内；一台UPS电源，安装在PLC2电源柜内；一套双电源自动转换装置，安装在PLC2电源柜内；一套防雷器，安装在PLC2电源柜内；一套泵站故障在线检测系统，安装在本地控制站内。
PLC2由RSLogix 5000系列的PLC组成，其中包括一个本地控制站；两个本地远程扩展控制站，本地控制站与远程控制站以ControlNet网络冗余连接，控制对象主要为8台送水泵及其相关设备，如：真空泵、电磁阀等，另在PLC2控制柜上配置一台触摸屏，用来控制现场各设备，并显示其运行状态，在发生意外事件时显示报警信息。
通过以上配置及相关设备可实现控制送水泵房的设备，采集送水泵房全部设备的运行状态。具有一步化控制功能，并可最终实现本地或远程的自动控制。
5.2主要设备控制工艺流程
二泵房与一泵房的控制工艺流程相同，本节不再复述。
改造完成后，二号泵房送水泵的启动、停止将实现一步化控制，并最终完成自动控制，操作人员可在本地或远程控制送水泵及其相关设备。
6变电站（PLC3预留）
系统配置：
变电站控制单元设置1套系统电源系统及交换机系统，安装在本地电源柜内；其中包括2台工业以太网交换机，一套双电源自动转换装置及一套防雷器。一台UPS电源，安装在本地电源柜旁；
变电站控制单元本工程不设置PLC系统；电站综保系统的数据通过系统通讯管理器直接上传新调度中控室。
7气浮净水间
气浮净水间控制单元已有自控系统，且现已正常运行，根据实际情况及水厂的需求，本着保证系统稳定运行的宗旨尽量减少对气浮净水间控制系统的干扰，因此现有气浮自控系统的设备及所有控制功能不变，将现有气浮自控系统控制室设置为本地控制单元，在新调度中控室设置为远程控制单元。并设置系统操作权限，该操作权限本地控制单元优先，新调度中控室的操作权限由本地控制单元提供。新调度中控室与本地控制单元具有相同的控制功能。新调度中控室与本地控制单元的对接通过气浮自控系统原有的ControlNet网络实现，即在新调度中控室增加2台ControlNet网络节点设备（2台带ControlNet网络接口的监控计算机）。同时根据现场实际情况及水厂需求，需要更新气浮控制单元的电源及数据交换系统，安装一台双电源切换装置，2台工业以太网交换机；一套防雷器。
通过以上配置及相关设备可实现原有气浮自控系统与本系统的对接，可实现气浮净水间控制单元的本地与远程控制与数据采集。
改造完成后，实现原有气浮净水自控系统与本系统的对接，并可实现对相关设备的本地或远程控制。
8污泥泵房
污泥泵房控制单元已有自控系统，且现已正常运行，具备现场本地控制功能，根据水厂的需求需实现系统数据上传。同时本着保证污泥泵房自控系统稳定运行的宗旨尽量减少对污泥泵房控制系统的干扰，另由于污泥泵房距离水厂中控室较远，且不再厂区内。无法敷设通讯线缆。因此本方案建议利用公网（InterNet）实现数据通讯。需在中控室和污泥泵房各安装一台数据通讯路由器，该路由器需具备病毒防火墙功能，并支持VPN加密隧道。
通过以上配置及相关设备可实现原有污泥泵房自控系统与本系统的对接，实现污泥泵房控制单元的本地与远程控制与数据采集。
9结语
由于影响饮用水处理效率的因素复杂多变，水处理过程难于控制，这就使得运行的历史数据成为指导水厂运行的宝贵财富。但面对大量的数据，操作人员往往难分析利用。本系统可帮助操作人员管理、分析运行数据，为水厂的运行提供辅助决策的功能。这样不仅可以在水源进行切换或原水水质波动较大时，提高水厂的生产效率，而且对提高水厂的服务水平具有重用的社会和经济效益。
参考文献：
[1]张月英，姜伟.电气自动化在水厂中的应用、维护及发展[J]．科枝与企业，2012（13）
[2]杨建辉．桂林市第四污水净化厂自控系统分析及体会[J]．给水排水，2000（08）
论文作者:张至和
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年8月上
论文发表时间:2016/8/16
标签：泵房论文; 系统论文; 设备论文; 水厂论文; 单元论文; 送水论文; 数据论文; 《建筑建材装饰》2015年8月上论文;