（水利工程专业论文）章丘市黄河乡自来水厂自控系统设计研究.pdf

山东大学工程硕士学位论文 中文摘要 随着社会经济的发展，水对人民生活与生产的影响日益加强，对供水的质量与安全 可靠性的要求不断提高，人们也更加重视降低供水系统的能耗，加强供水系统工况的监 测是一项重要而有效的措施，尤其是加强水处理厂各个工艺环节的自动监测与控制意义 重大。 本文通过分析国内外已建水厂自动化控制系统的现状，结合工艺设备智能化的发 展趋势，以及我国中小型水厂现状，设计一套以p l c 为基础的通过工业以太网实现水 厂各工艺的集中管理功能的集散控制系统，该系统对降低能耗、节约成本、减少维修维 护工作强度、提高管理水平、确保供水质量，从而推进我国给水工艺的发展，减小与先 进水平的差距都具有现实意义。 本文以山东省章丘市黄河乡自来水厂自控系统为例，从水源地井群自动控制、二 氧化氯自动投加、送水泵站恒压供水、视频监视四个方面，详细阐述了中、小型水厂自 动控制系统的设计方案、系统结构、功能特点以及设备选型等。系统采用集散型控制系 统，在工控机上实现对数据报表、历史数据查询等管理功能和实时数据显示、控制方案 等监控功能以及通讯、视频功能的系统组态。系统的控制部分以p l c 为核心，负责现 场模拟量、开关量的采集、实际控制信号的输出及对上位机的数据通讯。 论文还针对山东省农村通自来水水处理工艺特点，阐述了过程检测仪表的作用与 应用。在水厂自动化验收及运行管理方面也提出了相应的见解。 关键字：自动化控制系统；集散控制系统；变频调速；恒压供水 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es o c i a le c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t h ew a t e rs t r e n g t h e n sd a yb yd a yt ot h e l i v e so ft h ep e o p l ea n dt h ep r o d u c t i o ni n f l u e n c e u n c e a s i n g l ye n h a n c et ot h ew a t e rs u p p l y q u a l i t ya n dt h es e c u r i t yr e l i a b l er e q u e 鸭t h ep e o p l ea l s oe v e nm o r e t a k et or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no f t h ew a t e r s u p p l ys y s t e m ，s t r e n g t h e n st h ew a t e rs u p p l ys y s t e mo p e r a t i n gm o d e t h em o n i t o ri sa ni t e mi m p o r t a n ta n dt h e e f f e c t i v em e a s u r e ，s t r e n g t h e n st h ew a t e rt r e a t m e n t f a c t o r ye a c hc m f 【l i n ki np a r t i c u l a rt h ea u t o m a t i cm o n i t o r a n dc o n t r o lw a t e r s h e d t h i sa r t i c l et h r o u g h a n a l y z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ew a t e rw o r k sa u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e mw h i c hd o m e s t i ca n df o r e i g nh a sb e e nc o n s t r u c t e d ，t h eu n i o n p r o c e s su n i t i n t e l l e c t u a l i z a t i o nd e v e l o p m e mt e n d e n c y , a sw e l la so u r c o u n t r ym i d d l ea n ds m a l ls c a l ew a t e r w o r k sp r e s e n ts i t u a t i o n ，d e s i g n sas e ta st h ef o u n d a t i o nr e a l i z e st h ew a t e rw o r k sv a r i o u s c r a f t s c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tf u n c t i o nc o l l e c t i o n c o n t r o ls y s t e mt a k e p l c t h r o u g ht h e i n d u s t r ye t h e m e t t h i ss y s t e mt or e d u c e st h ee n e r g y c o n s u m p t i o n , t h ef r u g a lc o s t , t h e r e d u c e ds e r v i c em a i n t e n a n c ew o r k i n g s t r e n g t h ，t h e e n h a n c e m e n t m a n a g e m e n tl e v e l ， g u a r a n t e e st h ew a t e r s u p p l yq u a l i t y , t h u sa d v a n c e so u rc o u n t r y f o rt h ew a t e rc r a f t d e v e l o p m e n t , r e d u c e sa l lh a st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ew i t ht h e a d v a n c e dl e v e ld i s p a r i t y t h i sa r t i c l et a k e s h a n d o n g p r o v i n c ez h a n gq i u s h it h ey e l l o wr i v e r t o w n s h i p w a t e r w o r k sa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma sa ne x a m p l e ，f r o mt h ew a t e rs o u r c ew e l lg r o u p a u t o m a t i cc o n t r o l ，t h ec h l o r i n ed i o x i d e a u t o m a t i c a l l yt h r o w sa d d s ，s u p p l i e sw a t e r t h ep a m p m g s t a t i o nc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y , t h ev i d e of r e q u e n c ym o n i t o r sf o u ra s p e c t s ，i n d e t a i l e l a b o r a t e dc e n t e r , t h es m a l lw a t e rw o r k sa m o m g i cc o n t r o l s y s t e md e s i g np r o p o s a l ，t h es y s t e m s t r u c t u r e ，t h ef o n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c a sw e l la st h ee q u i p m e ms h a p i n ga n ds oo i lt h e s y s t e m u s e st h ec o l l e c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，o nr e a l i z e s t h el o g a r i t h mi nl a b o r c o n t r o l l i n g m a c h i n ea c c o r d i n gt ot h er e p o r tf o r m ，h i s t o r ym o n i t o r i n g f i m c t i o n a sw e l la st h e c o m m u n i c a t i o n ，t h ev i d e of r e q u e n c yf u n c t i o n a n ds oo nd a t ai n q u i r ya n ds oo nm a n a g e m e n t 2 山东大学工程硕士学位论文 f u n c t i o na n dr e a l - t i m e d a t ad e m o n s t r a t i o n , c o n t r o l p l a ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n t h e s y s t e m c o n t r o ls e c t i o nt a k ep l ca sac o r e ，i sr e s p o n s i b l ef o rt h es c e n e s i m u l a t i o nq u a n t i t y , s w i t c hq u a n t i t yg a t h e r i n g , t h ea c t u a lc o n t r o l s i g u a lo u t p u ta n dt oo np o s i t i o nm a c h i n ed a t a c o m m u n i c a t i o n t h ep a p e ra l s oa i m sa tt h ew a t e rt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co ft h es h a n d o n gp r o v i n c e c o u n t r y s i d e ”v i l l a g e v i l l a g ew a t e rs y s t e r m ”，e l a b o r a t e dt h ep r o c e s se x a m i n e st h em e a s u r i n g a p p l i a n c et h ef u n c t i o n a n dt h ea p p l i c a t i o n a p p r o v e da n dm o v e st h em a n a g e m e n ta s p e c ta l s o t o p r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n go p i n i o n i nt h ew a t e rw o r k sa u t o m a t i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ；d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ；v a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e d r e g u l a t i n g ；c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 塞l 如 日期：堡1 皇：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童：i 垄导师签名：日期： 山东大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 水厂自动化系统研究的目的和意义 随着经济社会的发展，水对人民生活与生产的影响日益突出，人们对供水的质量与 安全可靠性的要求不断提高，同时也更加重视降低供水系统的能耗。加强供水系统工况 的监测是一项重要而有效的节水降耗措施，因此加强水处理厂各个工艺环节的自动监测 与控制具有重要意义。 我国城镇供水在改革开放的二十几年中得到了大发展与大提高。卫生部公布的第 三次国家卫生服务调查主要结果显示，我国城市自来水普及率达到96 ，农村自来 水普及率为34 。因为我国总体上是一个水资源馈乏的国家，所以在发展供水事业的 同时要考虑节约用水，提高水资源利用率问题，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、 工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动 化程度。 水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现可靠、优质、高效的供水 保证。生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范 事故于未然，实现不问断的可靠供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随 着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整，能保证稳 定的服务水压，减少爆管和漏失水量；生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各 种药剂的浪费，达到低耗高效。 当前山东省农村饮水安全工作面临的是水资源短缺、水污染严重、水质地方病的威 胁，以及农村供水工程标准低、缺乏水处理设施、饮水水量和水质没有保证等。农村饮 水工程是农村全面建设小康社会的基础设施，是党和国家重视农村、农业、农民的具体 体现。党的十六大提出了全面建设小康社会的奋斗目标，加速建设和完善农村公益性基 础设施，加快解决农村人畜饮水困难是农村小康社会建设的重要内容，也是落实党的“三 个代表”的重要思想的具体体现。农村人畜饮水工作不仅关系到群众生活质量的提高、 群众健康生活状况的改善，还关系到农村经济的发展和社会稳定，是一项为人民群众办 实事办好事的事业。 据统计，目前全省仍有3 7 0 0 多万农村人口没有吃上洁净、方便的饮用水。农村饮 山东大学工程硕士学位论文 水解困问题如果不能解决，将会影响到全面建设小康社会的发展速度。因此，农村饮水 解困与饮水安全是当前老百姓最关心，最迫切需要解决的问题之一。 为了进一步加快我省饮水解困与饮水安全工作的步伐，有计划、有步骤地彻底解决 我省农村饮水困难、饮水不安全等问题，2 0 0 5 年，山东省政府决定全面实施村村通自来 水工程，与之相配套的水厂自动化控制系统也相应启动。 县镇水厂不同于大中型水厂，其供水规模较小、占地面积较小、日变化系数和时变 化系数均较大，水厂技术力量较薄弱、管理水平较低、财力较为紧张等，这就决定了设 计思路有别于大中型水厂，但又因其覆盖面广、数量众多，所以中、小型自来水厂的自 动化控制系统研究有着广泛的前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理， 提高设各运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。 1 2 我国水厂自动化现状简介 研究城市供水系统的监控与水厂自动化技术装备，必须考虑中国供水行业的技术特 点与经济力量。我国水厂的基本现状是：水工业整体技术水平低，特别缺乏供水系统监 控技术与人才；水工业仪表与装备基础薄弱，一些专用检测仪表与设备，如在线检测浊 度仪、计量投加泵等，也有一些厂家开始生产，但是质量水平与国外产品相比仍有差距， 难以满足供水企业的需要；受社会经济发展水平限制，供水企业经济实力不足，除了少 数较大型企业有能力通过贷款等方式引进国外的先进技术与设备、发展供水监控系统 外，我国大多数水厂的监控技术仍是很落后的，面临的是缺资金、少技术、进1 ：3 设备买不 起、国产设备质量不过关的局面。基本以人工为主的管理方式，很难适应现代化的要求。 一些水厂( 包括有些引进设备的水厂) 的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大 的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调控功能并不强。有些自动监控系 统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。这些情况决定了发展中国供水行 业的现代化不能全盘照搬西方发达国家的经验，要形成有中国特色的技术路线。 针对我国的技术经济条件，对于众多的中小水厂，在坚持国产化、实用化的原则下， 着重发展对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节的自动监控技术与设备，建立规 模适宜的集散型计算机监控系统。 1 3 主要研究内容及技术路线 2 山东大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 针对山东省农村供水工程建设现状，分析传统供水方式的优缺点，选择工程规模 及水处理工艺均具代表性的典型乡镇供水工程一章丘市黄河乡农村通自来水工程，以此 为例，进行研究。 ( 2 ) 建立农村供水工程中小型水厂自动化控制系统，明确应实现的目标。 ( 3 ) 收集项目区的基本资料，根据技术经济条件，在坚持国有化、实用化的原则下， 对供水质量、运行费用有重要影响的关键工艺环节进行自动化设计，建立规模适宜的计 算机监控系统。 黄河乡农村通自来水工程由取水设施、净水厂、送水泵站和配水管网构成。从水源 地取水，送入净水厂进行净化处理，经泵站加压，将符合国家水质标准的清洁水通过配 水管网送至用户。净水厂的送水泵站设有2 台水泵( 包括调速水泵) ，根据需水量进行 调配。 章丘市黄河乡自来水厂自控系统的调度工作主要是及时掌握净水厂送水量、配水管 网特征点运行状态，根据预定配水需求计划方案进行生产调度，并且进行给水需求趋势 预测和管网压力分布预期估算、水厂运行宏观调控等。 山东大学工程硕士学位论文 2 章丘市黄河乡自来水厂情况简介 2 1 章丘市黄河乡情况简介 ( 1 ) 区域概况 黄河乡位于章丘市的北部，属黄泛平原地区，面积为1 2 1 8 9 k i n 2 ，其中耕地9 8 万 亩，有5 6 个行政村，人口5 3 万人。另外黄河乡有1 6 个自然村，共1 1 4 7 4 人处于黄河 滩区内，本次设计不包括其中。 ( 2 ) 水文气象 本区属暖温带半湿润气候，四季分明，干湿季节明显，春季干旱多风、夏季炎热多 雨、秋季早涝交替、冬季寒冷干燥。多年平均气温1 3 8 c ，最高气温4 0 5 c ，最低气温 一2 2 8 c ；多年平均无霜期1 9 5 天；多年平均初霜日为1 1 月5 日，终霜日为3 月1 4 日； 多年平均降雨5 8 2 m m ，年内分配差异很大，6 8 月降雨占全年降雨量的6 5 ，最大降 雨量是1 9 6 4 年的1 4 1 2 m m ，最小降雨量是1 9 6 8 年的2 9 5 m m ，日照2 6 4 0 h f t ，年均湿 度5 7 ，冻土深度4 4 c m 。 ( 3 ) 地形地貌 黄河乡土壤大部分为砂质、砂壤质粘，壤质粘土面积较小，适宜农作物生长。但 由于成土过程短，未经过生草过程，即被开垦利用，土壤作用发育弱，有机质含量偏低。 由于特殊的水文地质条件，土壤含盐量普遍偏高，有强石灰反应，致使盐碱地在区域内 广泛分布。勘区地形平坦，地面高程一般在1 8 m 左右。区内沟渠纵横交错，沟渠深一般 l 3 m 左右。在地貌上，属于黄泛；申积平原。 ( 4 ) 交通条件 本地区交通便利，公路道网遍布项目区，国道。九路南北向穿过。 2 2 黄河乡水厂工艺简介 章丘市黄河乡农村通自来水工程采用联村集中式供水，受益村庄5 3 个，受益人口 4 1 8 7 5 人供水水源采用地下水，供水保证率不低于9 5 n ，设计供水能力5 0 0 0 m 3 l d 。供 水工程类别型。净水工艺根据原水水质、设计规模，参照相似条件下水厂的运行经验， 结合当地条件，通过技术经济比较确定：水源水质水质良好，符合相关标准，只进行消 毒处理。水处理工艺流程如下；水厂水源取自地下水，地下水经深井泵配水，输送到净 4 山东大学工程硕士学位论文 水厂，再经加氯工艺流入清水池，清水池的水通过出水管流入送水泵房吸水井，最后送 水泵房从吸水井把水送入管网。 ( 1 ) 水源地井群由1 1 眼深井组成。 ( 2 ) 消毒间一座。内设二氧化氯消毒器2 台( 1 用1 备) 。 ( 3 ) 清水池两座。 ( 4 ) 吸水井一座。 ( 5 ) 送水泵房一座。内设2 台离心泵及相应阀门。 水厂处理工艺流程图见图2 1 。水厂内部控制结构图见图2 2 。 图2 - 1 水厂处理工艺流程图 必型墟 6 山东大学工程硕士学位论文 图2 - 2 水厂内部控制结构图 山东大学工程硕士学位论文 2 3 水厂自动化控制系统的要求 2 3 1 实时监测控制配水管网运行工况 对配水管网特征点有关参数进行监测( 监测压力参数，水质、流量等参数的监测) ， 对配电系统的运行工况进行监测和控制，对配水管网中重要阀门进行监测和控制。通过 对增压水泵的合理调配控制，降低能耗和管网漏失损耗，保证管网水压和流量维持在合 理范围。 2 3 2 实时监测控制配水有关设施、设备运行工况 对净水厂送水泵站给水设施运行工况进行监测与控制。对管网运行压力、水质的实 讨监测，完成日常给水调度任务。结合优化调度手段，制定合理的配水方案。通过对生 产、管网和用户信息的收集和整理，实现“两个提高，三个降低”的目标。通过对资源 的最佳配置和使用，提高生产效益，保证优质、足量给水。 2 3 3 实时监测源水状况 对源水的( 取水井) 水质、液位、流量进行监测；对取水泵站设备( 水泵或调流阀) 及配电系统的运行工况进行监测和控制。通过对取水设备的合理调控制，降低能耗，保 证源水供应。 2 3 4 汇集、存储、整理给水调度系统有关信息 通过对所获取的有关信息进行统计、分析，编制合理的日、时、月给水计划和生产 报表，并为逐步实现对生产和供应全过程的优化调度监控打下基础。 7 山东大学工程硕士学位论文 3 水厂过程检测及控制仪表 3 1 过程检测及控制仪表的作用 为了保证安全生产，实现现代化科学管理，提高水厂的经济效益和社会效益，应采 用先进的过程检测及控制仪表，来实现生产过程的自动化。在水厂自动化控制过程中装设 过程检测及控制仪表的作用有以下几个方面： ( 1 ) 提高设备利用率，保证水处理质量：仪表能连续检测各种工艺参数，根据这些数 据可进行手动或自动控制，从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各水处理构筑物 之间的联系，以便使各种设备与设施得到充分利用。同时，由于检测仪表测定的数值与 给定数值可连续进行比较，发生偏差时，立即进行纠偏调整，从而可保证水处理质量。 ( 2 ) 节省日常运行费用：可根据仪表检测的参数，进一步自动调节和控制药剂投加量、 水泵机组的合理运行，使管理更加科学化，达到经济运行的目的。 ( 3 ) 使运行安全可靠：由于仪表具有连续检测、越限报警的功能，因此便于及时处理 事故。对高温、噪声、怒臭、腐蚀的环境，均可通过仪表自动检测及控制来取代现场操 作，从而减少对管理人员的危害。 ( 4 ) 节省人力、减轻劳动强度：装设过程检测及控制仪表后，工艺参数的记录、调节、 控制可以集中管理，减少了值班人员，减轻了劳动强度。 ( 5 ) 为实现计算机控制创造条件：现代化管理需要采用计算机，而过程检测及控制仪 表则是计算机控制的前提。只有仪表使用可靠后，才能运用计算机将工艺检测参数通过 数学模式运算发出指令驱动执行器完成控制项目。 3 2 水厂自动化系统中检测与控制项目 根据黄河乡水厂工艺特点、工程规模、投资大小、自动化水平要求、生产单位维护 能力等情况，确定需检测与控制的项目表见表3 1 。 水厂检测与控制项目表 表3 - 1 构筑物名称 检测项目控制项目 水源地 水位、压力、霸n 开启度、流量取水泵、电动螓两 井群 消毒问加氯量、氯瓶压力加氯设备、电动蝶阀 清水池 水位 水泵、电动蝶阀 送水泵房余氯、浊度、压力、出水流量、阿门开启度、p h 值 水泵、电动蝶用 8 山东大学工程硕士学位论文 3 3 自动化在线仪表的应用 自动化在线仪表在自来水厂中的应用大多基于闭环控制系统，在线仪表的测量值作 为反馈，系统中采用p i d 算法，各系统p l c 与中控室计算机通讯。p i d 算法如下： u = k p e ( t 州e ( t ) + 幽t 1 + t d + d e ( t ) d t 】+ u o u ：调节器的输出信号； e ( t ) ：调节器的偏差信号，它等于测量值和给定值的之差； k p ：调节器比例系数； t 1 t 调节器的积分时间； t d ：调节器的微分时间； u 0 ：输出补偿。 3 3 1 水源地井群自控系统 水源地井群自控系统控制原理如图3 - 1 所示，由惰水池水位信号( 由水位传感器所 测h 空制器一水泵机组”构成一个闭环系统。 图3 - 1 水源地井群自控系统控制原理图 3 3 2 自动加氯系统 ( 1 ) 前加氯 前加氯由流量计测量到源水流量送到p l c ，控制加氯机的加氯量跟随流量变化，而 更改比例参数k 则可改变每方水的投加量的多少。黄河乡水厂原水水质较好，免除前加 氯系统。前加氯控制原理如图3 2 图3 - 2 前加氯控制原理图 9 山东大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 后加氯 后加氯以滤后水流量为前馈量( 比例环节) 、滤后水余氯为反馈量组成闭环系统，根 据工艺需要的余氯设定值，输出4 , - , 2 0 m a 电流控制加氯机进行投加，有效地保证后加氯 系统的稳定性和可靠性，较好地适应水量和水质的变化，达到消毒的效果。后加氯控制 原理如图3 3 。 图3 - 3 后加氯控制原理图 3 3 3 恒压供水系统 恒压供水系统控制原理如图3 4 所示，由“管网压力信号( 由压力传感器所测 _ 空 制器变频器一水泵机组”构成一个闭环系统。当进入小流量区域后，系统进入休 眠状态；当压力传感器测到管网压力降低至下限时，自动唤醒系统投入工作，确保供水 压力恒定。 此控制方式可降低电机启动电流和配电容量，能把变压器的容量下降至传统驱动方 式时的4 0 5 0 ；较传统阀门控制方式节约电能2 0 3 0 ，甚至更高；水泵机组的磨损 减少，能够取得很好的经济效益。 1 0 图3 - 4 恒压供水系统控制原理图 山东大学工程硕士学位论文 4 水厂自动化总体设计方案 4 1 概述 在水厂处理过程中，很多情况下不仅要求生产过程自动化，而且要长时间的保持生 产过程处于最优的生产状态。为满足生产过程的这一需求，采用已广泛地用于给水排水 领域的集散型控制系统( 又称d c s 系统) 。 集散型控制系统就是将管理和指挥权集中，将功能和控制权分散。既把整个系统从 地理上和功能上分散开来，降低某一部分故障对全局的影响，又通过网络通道将信息集 中起来，实现整个系统的集中监视和管理。具体而言就是采用一台中央计算机( 可以是 较高档的微机甚至于小型机) 指挥若干台面向过程的现场测控计算机( 站) 和智能控制单 元。这些测控计算机和智能控制单元直接对各自区域的对象实施测量、控制、优化，并 向中央计算机报告过程运行情况。中央计算机负责全局综合控制、管理、调度、计划等， 协调各现场测控计算机和智能控制单元之间的工作，以及测控执行情况报表统计等任 务。 水厂自动化包含以下几个方面： 1 ) 水源地井群自动控制系统； 2 ) 二氧化氯自动投加系统； 3 ) 送水泵站恒压供水系统； 4 ) 视频监视系统。 可以看出，黄河乡水厂自动化实现的是综合调度自动化的内容。所谓综合调度自动 化，就是将涉及供水的各自动化系统，如水源地井群、消毒设备、送水泵站和视频监控 等子系统汇聚至一套计算机主站平台，以实现自动化数据、视频数据和信息的共享和融 合，为水厂远程监控和管理、恒压供水、优化调度提供决策依据。水厂综合调度自动化 系统结构框图如图4 1 所示： 山东大学工程硕士学位论文 图4 - 1 水厂综合调度自动化系统结构框图 山东大学工程硕士学位论文 4 2 系统层次结构 水厂综合调度自动化系统原理如图4 - 2 所示。 图4 2 水厂综合调度自动化系统原理图 山东大学工程硕士学位论文 d c s 系统分为三个层次： 1 ) 第一层：管理级 管理级位于章丘市水利局，主要完成水厂调度运行的远程监视、自动化数据查询、 视频信息查询等功能，一般不直接参与系统的运行控制。 2 ) 第二层：水厂控制中心( 主控级) 位于黄河乡水厂中控室，包括数据库w e b 服务器、水源地监测工作站、水厂检测 工作站、外围设各、等离子显示系统、工业以太网交换机、多串口服务器、u p s 、g p s 、 操作台等。 水厂控制中心是水厂自动化系统的核心，负责水厂调度自动化运行的监视、远方控 制、视频监控、调度指挥以及完成必要的管理功能，并向水利局转发必要的数据和信息。 3 ) 第三层：现地控制级 主要包括四个部分： ( 1 ) 水源地井群监控p l c 系统：位于水源地深井泵配电间，对深井泵的启停进行实 时监控，通过监控p l c 装置监控深井泵电动机、水泵流量、深井水位、电流、电压等。 ( 2 ) 消毒监控p l c 系统：位于水厂消毒间，对二氧化氯发生器的启停进行实时监控， 通过监控p l c 装置监控药剂投加量、阀门启闭、电流、电压等。 ( 3 ) 送水泵站恒压供水监控p l c 系统：位于水厂控制室，对变频调速器、送水泵进 行实时监控，通过监控p l c 装置监控水泵流量、管网压力、水质参数、电气参数等。 ( 4 ) 视频终端：包括安装在水源地井群、水厂中控室、水厂泵房及水厂厂区的各种摄 像机、配件等。 4 3 系统的主要功能和特点 s j k 水利综合调度自动化系统，是在现代遥信、遥测、遥控、遥调( 简称“四遥”) 以及计算机、通信、传感器、数字视频等先进技术的基础上，采用分层、分布式计算结 构和面向对象的技术，集水利、电力自动化监控和视频监控，以及管理信息系统的综合 调度自动化系统。 s j k 系统具有如下主要功能和特点： 1 ) 先进的系统结构 山东大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 采用全分布式实时数据库，遵循数据库、应用程序、通信接口及通信规约的开放 标准，可与不同厂家的产品集成。 ( 2 ) 软件平台化设计，提供较强的实时数据库、应用程序扩展接d ( a p i 函数) ，历史 数据库遵循s q l 标准，方便二次开发和功能拓展。 ( 3 ) 用户也可以在建设初期选择较小配置，随着业务的增长在原有系统的基础上逐步 扩展系统的配置和功能，提高投资效益。 2 ) 配套齐全、功能完善、水电一体、管控一体 s j k 系统涵盖水厂监控以及配套设备自动化，水、电综合调度自动化等系列监控、 调度和信息管理产品，能够完成数据采集和处理、远方控制和调节、水量调度、安全预 警、数据处理，以及报表管理、w e b 服务、通信网络管理等功能。 3 ) 水厂优化调度功能 生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范 事故于未然，实现不问断的可靠供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可 以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整， 能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量：生产过程的优化运行大大减少了水、气、 电和各种药剂的浪费，达到低耗高效。 4 ) 系统可靠 ( 1 ) s 以及与之相配套的传感器、检测仪表、变送器、p l c 等，在投入运行前都经 过严格的入库检验、出厂测试( f a t ) 和现场验收( s a t ) ，确保硬件设备和整体系统安全可 靠。 ( 2 ) 骨干通信系统( 水源地监控、水厂监控) 由光纤以太网组成，负责传输数据、视频 数据以及音频数据。光纤以太网由工业以太网交换机组成，具有超级冗余环( h i p e r - r i n g ) 功能的工业以太网，故障时能够在毫秒级实现设置与恢复，保证通信网络能够长期可靠、 稳定地工作。通信系统采用光纤以太环网，大大提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 软件系统基于主流商用操作系统( w i n d o w qn t 2 0 0 0 ，u n i x ) 和商用关系数据库 ( s q ls e r v e r ，o r a c l e ) ，大量采用面向对象和组件的开发技术，模块化设计，自诊断和远 程诊断相结合，大大提高了系统的可靠性和可维护性。 山东大学工程硕士学位论文 5 ) 遵循开放性标准，具有良好的兼容性和扩展能力 采用主流的商用操作系统和数据库技术，基于c s 、b $ 体系结构，采用面向对象 和组件的开发技术，应用软件模块化、平台化设计，通信规约置换和扩展方便，系统规 模可以根据用户要求任意伸缩，也可以伴随用户业务的增长，逐步扩展系统的配置。 6 ) 监控、视频一体化设计 系统与视频监控系统一体化设计，无缝连接，完成信息交换、报警联动等功能，真 正实现“遥测、遥信、遥控、遥调、遥视”等“五遥”功能，为实现水厂运行生产“无 人值班、无人或少人值守”、减员增效等目标提供可靠的保证。 力其他扩展功能 s j k 主站软件采用平台化设计思路( 参见图铊) ，具有较强的二次开发能力，可以在 数据采集和监控支撑平台的基础上扩展其他自动化功能和高级应用功能，以及数据计算 分析、信息发布、水量优化调度、辅助决策等高级应用功能。 总之，s j k 系统能够实现水厂调度工程的全面监测和快速控制，提高科学管理水平 和劳动生产率，从而实现安全运行和经济、优化调度提供完整的解决方案。 4 4 通信系统 通信系统是自动化系统的基础，通信系统的性能可靠性直接决定了自动化系统的性 能可靠性。同时，通信设备的造价在自动化系统投资中也占有较高的比例。因此，通信 系统的设计是自动化系统成败和性能优劣的关键。 4 4 1 通信环境与要求 1 ) 控制中心位于水厂控制室内。 2 ) 水源地井群监测和控制信息需要与水厂控制中心主机进行数据交换。 3 ) 水厂消毒监测和控制信息需要与水厂控制中心主机进行数据交换 4 ) 水厂送水泵站监测和控制信息与水厂控制中心主机进行数据交换 5 ) 各监测站的所有自动化数据需要2 4 小时不问断地进行传输。 6 ) 分别在水源地、水厂安装视频摄像机，视频工作站设在水厂中控室，视频工作站 能远程监视和控制各监控点。 4 4 2 通信方案 1 6 山东大学工程硕士学位论文 经过对光缆、无线、g s m 、专线等各种通信方式的综合比较，确定各监测站与水厂 控制中心之间采用工业以太网通信方式，利用m o x a 公司的卡轨式工业以太网交换机 e d s 6 0 0 8 构成1 0 0 mb p s 以太网光纤环，负责传输数据。 系统结构参见图4 2 所示。 考虑到通信距离不远( 最远距离为9 0 0 米) ，通信介质采用多模光纤。在各网络节点， 采用星形拓扑结构将本地设备，如计算机、p l c 、i p 电话等连接到本地的以太网交换机。 整个网络方案具有如下特点： 1 1 带宽大，传输速度快。 整体方案采用全双工1 0 0 m b p s 光纤以太环网，网络实际带宽达到2 0 0 m b p s t 单向 传送一个1 5 1 8 字节大小的帧只需要1 2 0 v a 。 2 ) 交换式以太网，保证了系统的确定性。 对于实时控制来讲，其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求网络传 输的延迟不超过系统所允许的最大值。传统的以太网是基于载波侦听多路访问冲突检测 ( c s m a c d ) 的介质访问机制，因而本质上不保证传输的确定性。但以太网可通过三种方 式获得确定性，一是限制流量，二是使用主从通信方式，三是采用以太网交换机。本 系统采用交换机将整个网络分成多个冲突域，从而消除了冲突，实现了数据传输的确定 性。 3 ) 环形冗余方案，保证了系统的可靠性。 传统的冗余网络大都采用双总线方式实现。随着以太网和交换技术的发展使得建立 冗余环网成为可能。在同样冗余度的情况下，冗余环比双总线方式减小了风险的集中和 降低了实现成本，特别是m o x a 公司的t u r b or i n g 技术，可以确保网络能够在毫秒级 重新设置与恢复，大大提高了网络的可靠性。 4 ) 良好的扩展性能。 与现场总线相比，以太网具有向下兼容性。对于双绞线或光纤介质，如果将传输速 度从1 0 m b p s 提升到1 0 0 m b p s ，在大多数场合不需要改变现有的布线，只需更新网络设 备即可。同样，如果将本系统主干网从1 0 0 m b p s 以太网提升到千兆以太网，只需升级网 络传输设备，而无需重新铺设光缆。 1 7 山东大学工程硕士学位论文 5 ) 基于m o d b u s t c p 的应用层协议的透明网络系统。 m o d b u s t c p 即基于t c p i p 的m o d b u s 协议，它在传输层选用标准的传输控制 协议t c p ，它能在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答与重传机制来保证可 靠地传输，从而保证了传输过程中的可靠性。 m o d b u s 本身就是一个开放的协议，为众多的供应商所支持。目前m o d b u s t c p 已经成为一个事实上的标准，为其它工控设备提供了通用的接口。 网络层采用口协议，用户只需了解控制设备的口地址即可实现设备之间通信，而 与低层网络地址和硬件无关，对用户来说具体的某个网络单元( 硬件和软件) 的存在仿佛 不存在一样，整个网络可以看成一个透明网络。 6 ) 基于o p c 的通信方式。 采用o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 用于过程控制的对象链接和嵌入、通信方式将网 络设备的状态信息和报警传递到计算机监控系统软件中。 摄像机与水厂控制中心之间采用有线模拟加数字的通信方式。水厂摄像机由于距离 控制中心很近，可直接通过信号线连接，水源地摄像机距离控制中一f i , 比较远，视频与控 制信号可通过视频光端机经光纤进行传输。由于整个视频的传输过程属于模拟传输，保 证了水厂控制中心视频画面的高质量。视频信号也可通过硬盘录像机连接到控制中心管 理网络，达到视频管理、存储、回放以及远程操作等功能。 4 4 3 系统主要设备 自动化系统主要设备包括； 1 ) 数据库w e b 服务器 数据库服务器负责保存和管理系统的历史数据和管理信息系统的数据，保证系统数 据的唯一性；系统中的其他节点可作为客户( c l i e n t ) 访问服务器所保存的数据。 w e b 服务器基于j a v a 技术，以w e b 服务的方式向水利管理部门管理信息系统 m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统或办公自动化系统提供w e b 服务，用户工作 站只需使用皿浏览器即可查询调度自动化系统各种实时、历史数据和信息，也可以察 看视频图像。 为了降低成本，数据库服务器与w e b 服务器合并使用。 1 8 山东大学工程硕士学位论文 2 ) 监控工作站 监控工作站接收下级监控系统p l c 等的数据，完成调度员人机交互功能，显示各 种监控画面、电力接线图、地理信息图形、数据曲线、统计报表、告警信息和管理信息 等，提供水泵启停、水量自动计量和自动调度、事故追忆、事故重演、挂牌、封锁等操 作界面。 监控工作站可以驱动数字投影仪、打印机、音响报警等，监控工作站采用双机配置， 两台工作站或同时工作，或互相备份，以提高系统的可靠性。 3 ) t 业以太网交换机 数据库w e b 服务器、工作站、p l c 以及数字硬盘录像机之间采用以太网( t c p i p ) 连接。为了提高系统运行的可靠性和实时性，交换机采用工业以太网交换机。考虑到要 传输自动化数据和视频数据，要求交换机支持i g m p 协议。 4 1 不停电电源u p s 为了提高自动化系统的供电可靠性，本方案采用u p s 为自动化系统供电。同时， u p s 通过多串口服务器与工作站通信，也纳入监视范围，监视内容包括u p s 状态、电 池状态等。 5 ) 多串口服务器 采用多串口服务器连接各种串口设备，r s - 4 8 5 串口数据直接上1 0 m 1 0 0 m 速率的 以太网，消除了4 8 5 串口的通信瓶颈，提高了通信效率。 另外，通过串口服务器可以实现工作站的“软切换”，避免了传统调度系统使用硬 件切换装置进行切换时存在的可靠性问题。 6 ) 测控p l c 系统配置1 4 套测控p l c 主要负责水源地井群及水厂送水泵的监控作用。 乃显示系统 采用等离子显示屏，供值班人员调度、指挥使用。 4 5 部分功能画面和设备图 流量曲线等直观显示方式图见图4 3 ，棒图等直观显示方式图见图4 - 4 ，通用数据 报表及查询图见图4 5 ，变频一拖二示意图见图4 - 6 ，g g d 变频柜外形示意图见图4 - 6 。 1 9 山东大学工程硕士学位论文 图4 - 3 流量曲线等直观显示方式图 山东大学工程硕士学位论文 图4 4 棒图等直观显示方式图 2 l 山东大学工程硕士学位论文 图4 - 5 通用数据报表及查询图 山东大学工程硕士学位论文 图4 - 6 变频一拖二示意图 山东大学工程硕士学位论文 图4 7c - g o 变频柜外形示意图 山东大学工程硕士学位论文 5 水厂各构筑物的自动控制 5 1 水厂控制中心主站 5 1 1 概述 水厂控制中心由监控管理计算机系统和计算机网络构成，主要功能是接收来自上一 级章丘水务局