（计算机应用技术专业论文）城市自动化供水系统模型的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 传统的集散控制方式所实现的供水系统，达到了“以分散控制为主，集中管理为辅” 的系统要求，可以基本上满足城市自动化供水的需求。但这种系统的最主要缺点是：系 统开放性差、而且是一种模拟数字混合系统，因而系统的精度和可靠性都不是很高。 根据供水系统的一般特点和工艺流程，利用现场总线控制系统的设计思想给出了基 于现场总线的自动化供水系统模型，并进行了系统功能分析。同时使用现场总线技术中 应用最广泛的p r o f i b u s 总线标准，以及西门子公司s 7 4 0 0 和s 7 2 0 0 系列可编程逻辑 控制器、智能i o 设备完成了系统的硬件配置。最后应用西门子视窗控制中心 ( s i m a t i cw i n c c ) 完成了系统的组态设计工作，特别对过程数据的趋势显示和报警的 实现进行了详细的分析。基于现场总线的自动化供水模型为供水行业的自动化改造或新 建系统提供一个样板。 加药是水处理的一个重要环节，而加药过程本身又是一个大延迟、非线性、时变的 多目标系统。针对以上情况，给出了在加药过程中通过控制加药泵的电机频率来控制药 剂的投加量从而将p h 值控制在设定值上下的模糊控制方案。最后根据常规模糊控制存 在的问题给出了改进的模糊控制算法。从而在加药过程中实现了先进控制及优化。 基于现场总线的自动化供水系统可大大提高供水系统的安全性和工作效率、降低供 水成本，提高水质。推进我国供水系统自动化、现代化的进程，满足同益增长的社会发 展和城市人口用水需求，具有很显著的社会效益与经济效益。 关键词：现场总线控制系统，集散控制系统，视窗控制中心，模糊控制 可编程逻辑控制器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l t l l o u 曲t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mu i l d e rt h et m d i t i o n a ld c sc a nm e e tt h eb a s i cn e e d so f a u t o m a t i cw a t e rs u p p l yo ft h ec i t i e st h r o u g ht h ed e c e n t r a l i z a t i o no fi t sc o n t r o lw h i c hi s s u p p l e m e n t e db y l ec e l l t r a ls u p e “i s i n g ，m e r ei s s t i l lm u c ht ob e i m p r o v e da sf o rm e e m c i e n c yo fi t so p e n i n gs y s t e m ，a 1 1 dt h el o wl e v e lo fi t sp r e c i s e n e s sa n dr e l i a b i l i t y b a s e do nm ei d e ao ff c s ，t h i sp 印e rt r i e st op r e s e n ta na u t o m a t i cs y s t e mm o d e lo f w a t e rs u p p l yw i ma na n a l y s i so fi t s s y s t e m a t i cf u n c t i o n s a p p l y i n gt h em o s te x t e n s i v e s t a t l d a r do fp r o f i b u s ，t h ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e dw i t hs 7 - 4 0 0 ，s 7 2 0 0p l c ，i o ，a 1 1 d s i m a t i cw i n c c a d d i n gc h e m i c a l si s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s si nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m t 0 s 0 1 v et h ep r o b l e mo f t h ed e l a y i n g ，n o n l i n e a r i t y ，a 1 1 dc h a i l g e f u lm u i t i - g o a l si nt h ep r o c e s so f a p p l y i n gt h ec h e m i c a l s ，af i u z z y c o l l t r o lp r e c e p ti sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h ec o n t r o lo ft h e c h e m i c a ld o s a g eo ft h ec h e m i c a l a d d i n gp u m pc a nb ed o n et h r o u g ht h ec o n t r o lo ft h em o t o r 雠q u e n c yo ft h ep u m pt oh a v et h ep hc o n t r o l l e dw i t h i nt h ee n a c t e dr a u l g e a 向s s y c o n 仃o l s c h e m ew i t hi t sf u s s y c o n 0 1c a l c u l a t i o n si sa l s og i v e nt oo p t i m i z et h ea d v a n c e dc o n t r 0 1 1 1 1 ea u t o m a t i cs y s t e mo fw a t e rs u p p l yb a s e do nf c sc a i lg r e a t l yi m p r o v et h es a f e t ya n d e 伍c i e n c yo f m es y s t e m i tc a l la l s om i s et h eq u a l i t yo f w a t e ra i l dr e d u c et h ec o s to f t h ew a t e r s u p p l y a tt h es a m et i i n e w i t hi t s g r e a t l yi n c r e a s e de m c i e n cy ，t l l i ss y s t e mw i l ln a t u r a i l y g r e a t l yp m m o t et h ea u t o m a t i z a t i o na n dm o d e m i z a t i o no f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mt om e e tm e i n c r e a s i n gd e m a i l do f t h ed e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y k e yw o r d s ：f i e l d b u sc o m m ls y s t e m ( f c s ) ， d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) ， w i n d o w sc o m r o lc e m e “w r n c c ) ， f u z z y c o l l t r 0 1 ， p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：勃 卑 日期：2 哟6 年5 月6 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并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 人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密彤 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：蓟华 日期：2 嘲年，月易日 指导教师签名： g0 日期：a 。萨 月g 日 华中科技大学硕士学位论文 l绪论 1 1 课题背景 我国的城l 丁化建设经历了几十年的发展，取得了一定的成绩。但大部分城市在市政 建设方面，特别是水资源供给上缺乏长远规划，存在不少缺陷。很多城市供水企业硬、 软件设施仍然比较落后，甚至在某些控制点还完全依赖于人工操作比较危险，而且在水 处理的过程中也存在很多不必要的浪费。虽然有一些企业已经采用了一些生产控制系 统，但大多由继电器或单片机控制回路构成，系统庞大复杂、易出问题、维护强度高。 这些都与我国供水行业整体技术水平低、水工业控制仪表与装备基础薄弱有很大关系。 随着改革开放的深入发展，城市化水平的开益提高，水资源供给矛盾也日益严重。 为了提高我国城市供水行业的整体水平、节约水资源、消除生产安全隐患、避免生产过 程中的严重浪费，首先必须建立一个良好的城市自动化供水系统模型。根据建立的模型 改进和创新城市供水系统，将推进我国供水系统自动化、现代化的进程，满足闩益增长 的社会发展和城市人口用水需求，具有很显著的社会效益与经济效益。 要提高水质必须保证供水系统的全自动化，加强对生产过程的监控。尤其是加强水 处理中各个工艺环节的自动监测与控制。而加药过程又是水处理中的一个重要环节。目 前国内水厂加药方式多采用人工重力投加和管道泵直接投加。其投加方式无法准确控 制药剂量的大小。因此无法保证出厂水的水质、同时也造成了药剂的浪费从而加大了供 水成本。为此采用一种新型的计算机控制方式一模糊控制，来自动控制加药过程就显得 非常必要了。 1 2 国内外供水系统概况 国外自2 0 世纪6 0 年代起开始了供水系统自动化控制的研究与应用工作。尤其是自 2 0 世纪8 0 年代以来，微电子与计算机等现代科技的高速发展，促进了供水行业专用检 测仪表与设备的不断发展与完善，也相应地推动了供水系统自动化，产生了质的飞跃。 国外的城市供水系统普遍采用传统的集散式控制方式( d c s ) 。这种控制方式与常规 的模拟仪表控制相比，具有连接方便、容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据 华中科技大学硕士学位论文 存储量大等优点。与计算机集中控制方式相比，它具有操作监督方便、功能分散、危险 分散等优点【2 1 。集散式控制供水系统对生产过程实现了全自动化，尤其是对水处理的各 个工艺环节进行监测与控制，大大提高了水质和工作的效率；对整个供水系统的集中监 控，又保证了统一指挥、调度的灵活性。因此符合西方国家人力资源比较紧张、人工费 用往往在生产成本中构成的比重较大；而电子仪表设备费用相对较低，且设备质量可靠、 性能较高的特点。 从整体上来说，我国供水系统的自动化水平仍然是很落后的。大部分水厂只是在制 水部分实现了不同程度的自动化，但主要是采用常规仪表加继电保护联锁控制，在现场 设置电气柜、仪表柜及操作台，通过复杂的电气连线实现单机控制及顺序启停，使得硬 件数量和投资大量增加，安装与维护不便，影响了生产效率。随着我国经济的持续发展， 对水资源的需求量越来越大，怎样实现水资源的合理利用，实现供水系统的自动调配， 节约运行成本也就变得越来越迫切。自2 0 世纪8 0 年代末期以来，通过引进成套的自动化 监控仪表、设备和技术改造，建成了一些采用集散式控制方式( d c s ) 的自动化供水系统， 在一定程度上提高了我国供水行业的自动化技术水平。 1 3 国内外模糊控制应用状况 模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型 计算机控制算法。显然，模糊控制的基础是模糊数学，而实现手段是计算机。 1 9 7 4 年，英国伦敦大学教授的e h m a m d a l l i 首先利用模糊语句组成模糊控制器， 应用于锅炉与汽轮机的运行控制日】。实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得 了比传统控制算法更好的效果。它的成功标志着人们采用模糊逻辑进行工业控制的开 始，从而也宣告了模糊控制的问世。1 9 7 5 年p j k i n g 等将模糊控制系统应用于工业反应 炉搅拌池的温度控制中5 1 。1 9 7 7 年j j o s t e r g a a d 首次将模糊控制应用于多变量控制系 统中【6 】。2 0 世纪8 0 年代后期开始，模糊控制进入了实用性阶段，并且其应用技术逐渐 趋向成熟，应用面也逐渐扩展。1 9 8 9 年g l t o 腓s 等将模糊控制理论最早应用于电力系 统的负荷管理和配电负荷建模7 】【”。美国、日本等科技强国先后将模糊控制理论应用于 机器人、航天等生产过程。8 0 年代模糊控制技术进入了深入化、专门化的阶段。模糊控 制取缛了丰硕的成果。目前已扩展到大众化机电产品。据只本电气公司州e c ) 在2 0 世纪 华中科技大学硕士学位论文 末统计，松下、三菱、东芝等公司在空调、全自动洗衣机、洗尘器等家用电器e 普遍应 用了模糊控制技术，其普及率超过5 0 ，有的超过8 0 9 1 。大部分发达国家也有相当多 的水厂对一些影响处理水质和生产费用成本较高的关键工艺环节实施模糊控制。 我国从7 9 年开始，有许多学者对模糊控制技术进行了大量的探索。比较有代表性 的有：7 9 年李宝绶等人设计的一类缺乏数学模型的控制器并做了数字仿真，阳方成、李 有善等人将模糊控制理论应用到化工、冶金等行业的工业过程控制之中。随着研究的 深入，国内又有很多学者把模糊控制理论应用到水处理控制领域中。 1 4 课题主要研究工作 课题主要根据城市自动化供水系统的一般特点和供水系统的工艺流程，以及现场总 线控制系统( f c s ) 的思想设计基于现场总线的自动化供水系统模型。主要研究工作包 括三个方面。 ( 1 ) 依据所设计的模型和技术要点提出城市自动化供水系统的总体结构和功能分析。 同时使用现场总线技术中应用最广泛的p r o f i b u s 总线标准，以及s i e m e n s 公司s 7 4 0 0 和s 7 2 0 0 系列p l c 、智能i o 设备等完成系统的硬件配置。 ( 2 ) 设计供水系统组态软件的总体结构并进行相应的功能分析。并应用w i n c c 完成 组态软件中部分功能的实现，特别对趋势显示和报警的实现进行详细的分析。 ( 3 ) 加药是水处理的一个重要环节，而加药过程本身又是一个大延迟、非线性、时变、 模型复杂的多目标系统。针对以上情况，提出在水处理加药过程中通过控制加药泵的电 机频率来控制药剂的投加量从而将水的p h 值控制在设定值上下的模糊控制方案。同时 做一些数据实例分析、并通过仿真实验验证水的p h 值在该控制方案下的控制效果。这 种方案虽然可行，但也存在控制精度不高，自适应能力有限等缺点。因此提出在水处理 加药过程中采用模糊p i d 控制的方案。并通过实验与常规模糊控制方案相比较。 华中科技大学硕士学位论文 2 自动化供水系统技术基础 从工业自动化系统的发展来看，s c a d a ( 数据采集和监控) 已广泛应用于工业生 产过程控制中，p l c 技术、通讯技术、诊断技术还在不断的向前发展，城市自动化供水 系统就建立在上述技术的理论基础上。 2 1p l c 技术 p l c ( 可编程逻辑控制器) 是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而 设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、 记数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机 械或生产过程】。在工业自动化控制中，p l c 控制系统从根本上改变了传统的继电器控 制系统的工作原理和方式。它除了可以完成传统的继电器控制系统的所有功能之外，还 可以实现模拟量控制、开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。已成为工业控制领 域的主流。 2 1 1p l c 控制系统硬件组成 p l c 控制系统的硬件是出p l c 、输入输出电路和外围设备组成，典型的控制系统 组成框图，如图2 1 所示。 |开关最输入模块| _ + 粼 j 编程器 被 i模拟最输入模块 系一徽。 控 开关最输出模块卜_ 统 对总 象 线 模拟量输山模块k ， i其他模块( 温度等) h 一电源模块l 图2 1 典型p l c 控制系统硬件组成框图 2 1 _ 2p l c 工作原理 p l c 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用 等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或i ，o 扫描方式，有键按下或i 0 动作则 华中科技大学硕士学位论文 转入相应的子程序；无键按下则继续扫描。p l c 采用循环扫描工作方式1 2 】。在p l c 中， 用户程序按先后顺序存放，c p u 从程序的第一条指令开始进行逐条解释执行，用户程序 结束后又返回到第一条开始新一轮循环执行。每一个循环称为一个扫描周期。一个扫描 周期一般分为i o 刷新和执行指令两个阶段，i o 刷新阶段对p l c 的输入进行一次读取， 将输入端各变量的状态读入p l c 中的内部寄存器，同时将运算结果送到输出端。这实 际是将存放输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新。由此可见，若输入变量在i o 刷新期间状态发生变化，则本次扫描期间输出端也会相应地发生变化，或者说输入对输 出产生了响应。反之，若在本次i o 刷新之后，输入变量才发生变化，则本次扫描输出 不变，即不响应，要到下一次扫描期间输出才会产生响应。采用循环扫描的工作方式， 是p l c 区别于微机和其他控制设备的最大特点。 2 2s c a d a ( 数据采集和监控系统) s c a d a 技术主要建立在3 c + s ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t m l 、s e n s o r ) 技术之 卜【13 1 。近几年来这四种技术发展更新很快，新技术、新产品不断推陈出新，在工业自动 化领域得到了广泛的应用。因此采用怎样的新观念、新技术、新产品构建适用于城市供 水行业且管理功能强大、可靠性强、具有良好操作界面、易于维护的s c a d a 系统，是 城市供水行业的需要。要进行城市自动化供水系统设计，首先必须对它的技术基础3 c + s 技术有所了解。 2 2 1 计算机( c o m p u t e r ) 技术 计算机技术为构建功能强大的s c a d a 系统奠定了良好的基础。在s c a d a 系统中 p c 机主要用做主站。很多国内外厂家都推出了基于w i n d o w s 的f o rs c a d a 的组态软件， 像西门子w i n c c 软件就是这方面的典型代表。在这些软件平台上可以完成与供水系统 调度相关的数据采集( 提供了与多种p l c 或其它智能设备通讯的驱动程序d r i v e r 、动态 数据交换d d e 功能及o l e 技术等等) 、数据处理、数据显示和数据记录等工作，具有 良好的人机界面，具备趋势分析和控制功能【l “。为供水系统的生产监控、优化调度、节 能降耗提供了完美的解决手段。加上p c 机的网络功能的发展使多层调度s c a d a 系统 的实现变得更为简单，创造了很多意想不到的功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2通讯( c o m m u l l i c a t i o n ) 技术 电子技术的迅猛发展促进了通讯技术的同新月异，各种通讯技术之间也在不断的标 准化，不断的融会贯通。就目前的发展方向来看，主要有如下几类。 ( 1 ) 网络技术 包括基于t c p i p 协议的计算机网络互连与扩展技术。如网关、路由器、网桥、中 继器、远程访问服务；基于存储器的动态数据交换技术：基于开放数据库的访问技术等。 ( 2 ) 串行总线技术 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 以及u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 串行总线，目前很多测量仪表和设 备采用此技术。 ( 3 ) 现场总线技术 现场总线技术是随着自动化控制技术、计算机技术、通讯技术、网络技术的发展而 发展起来的新兴技术，是当今自动化控制系统发展的热点。现场总线不仅是一种全数字、 高性能、多回路通信协议的网络技术，而且是由被控过程、数据处理、传感器和执行器 组成的闭环通信控制系统【”】。更具体的说它是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了 生产过程领域的基本控制设备( 即现场级设备) 之间以及更高层次自动控制领域的自动 化控制设备( 即车间级设备) 之间的联系。它的出现，将使传统的控制系统无论在结构上 还是在性能上出现巨大的飞跃，可以说现场总线是控制领域的一场革命，它代表了一种 有突破意义的新的控制思想、开辟了自动化领域的新时代。 ( 4 ) 无线通讯技术 像微波、卫星通讯、超短波通讯、短波通讯、g s m 、c d m a 、双向无线寻呼等。这 些无线通讯主要应用于公共数据网，在供水系统中无线通讯主要应用于间隔距离远，无 公用通讯网，维护又不太方便的地点。 ( 5 ) 有线通讯 每个国家和城市都拥有自己的公共数据网，它们为城市供水s c a d a 系统提供了极 佳的通讯平台。像测压点、监控站都可以采用有线通讯。各p l c 厂商和通讯j 商都分 别制定了封闭和开放的有线通讯系统协议，并有相应的产品供应。 ( 6 ) 载波通讯技术 华中科技大学硕士学位论文 电力载波技术是这几年热起来的，但关于它的争论很多，现在有些开发商有相应的 载波通讯设备出售，随着该技术的不断成熟，估计会有较好前景。如果在供水s c a d a 系统中加以应用即不用布线即可构成系统，将极大的方便工程的施工。 ( 7 ) 光纤通讯 光纤通信具有高带宽、抗干扰性好等优点，在信息行业得到了广泛应用。目前在 s c a d a 系统也具备了应用条件，并有相关产品面世。可以预见，今后光纤通信在s c a d a 系统将会得到广泛的应用。 2 - 2 3 控制( c o m r 0 1 ) 技术 控制设备在s c a d a 系统称为s la _ v e ，或称下位机，远方终端r t u 、现场测控仪表、 智能仪表、智能控制器以及p l c 系统等统称下位控制单元。控制设备在每一个s c a d a 系统中根据工艺流程都会有若干台，城市供水自动化s c a d a 系统现在己形成了不少模 式，如p c + p l c 模式、p c + 单片机模式、混合模式等【1 6 l 。 ( 1 ) p c + p l c 模式 p l c 具有通用、方便、易安装、易编程、可靠性高等优点，是应用最广泛的下位控 制单元。p c + p l c 模式在顺序逻辑控制和许多复杂计算方面功能强大。在s c a d a 系统 中得到了广泛应用。 ( 2 ) p c + 单片机模式 以前大部分企业采用单片机构成供水s c a d a 系统的下位枫。但普遍存在易损、难 以维护等缺点，并缺乏高效率通信协议的接口应用，在s c a d a 系统中应用得越来越少。 ( 3 ) 混合模式 采用p l c 和远程终端r t u 构成混合s c a d a 系统下位机，是一种折中的处理办法。 ( 4 ) 智能测控设备 现场测控智能设备在s c a d a 系统中有许多种类。水处理和供给过程中使用最多的 是变频调速器，它对完善水处理工艺，加强工艺可控性及节能降耗等方面具有显著的作 用。一般处于s c a d a 系统的下位机控制之下。 2 2 4 传感( s e n s o r ) 技术 在自动化供水s c a d a 系统的生产工艺现场，安装着许多传感器与执行机构。 华中科技大学硕士学位论文 s c a d a 系统通过它们完成现场数据采集与调控命令的执行。 传感器可分为智能型和非智能型两类。非智能型完成电量的标准化信号转换和非电 量的理化数据向标准化电量信号转换。智能型传感器除完成上述非智能型传感器的工作 之外，还具有上、下限报警设置，数据显示，简单数字逻辑控制，p i d 调节等功能。虽 新的智能传感器大都具有某种现场总线功能，可以与s c a d a 系统的上位p c 或下位控 制单元通讯，构成s c a d a 系统。在供水自动化s c a d a 系统中常用的传感器主要有： 水位、压力、流量、温度、浊度、余氯、电压、电流、功率、电度、接近开关、限位开 关、水位开关。 2 3 本章小结 本章主要阐述了城市自动化供水系统的理论技术基础。首先对自动化技术的基础， p l c 技术进行了简单介绍，然后对它的组成和工作原理进行了分析。并通过对s c a d a 技术基础的综述，对计算机技术、通讯技术、控制技术、传感技术的发展和应用模式分 别进行了概括。这些技术的发展和应用，为城市自动化供水系统的设计与实现提供了强 大的技术平台。 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 逻辑控制性 供水系统的控制功能主要是对水泵、电机的逻辑控制。逻辑控制是可编程序控制器 的基本功能，因此p l c 在目前供水自动化控制系统中得到了广泛的应用。 ( 7 ) 可靠性、安全性 供水系统的安全、稳定运行直接关系到城市工业和千家万户的正常用水，所以在自 控系统的配置设计时就要考虑硬软件产品质量和可靠性。 f 8 ) 可维护性 自动化控制系统中必须采用具有故障自珍断与强大的报警功能的硬软件，以方便工 程师对系统故障进行分析和维护。 ( 9 ) 可扩展性 系统应采用具有一定标准及应用较为广泛的软硬件产品，并考虑一定的备用量，为 烽来系统的扩建及系统的改造留下一定空间。 f 1 0 1 丌放性 随着计算机和网络技术的飞速发展与应用，各种系统之间的信息交流量越来越大， 通过过程控制系统与管理信息系统的信息交互，就能实现管理与控制系统的一体化运 行。因而系统的丌放性是必须重点考虑的问题。 3 ，2 供水系统工艺概述 一般的城市供水系统都出水源( 包括水库、河流等) 、泵站、水处理工厂、水池、 最终用户等组成，在日常生产过程中我们要控制系统每个环节的正常运行，它们是不可 分割的整体，任何一个环节的故障都可能造成整个供水系统的瘫痪。在整个系统中水处 理系统是生产核心，水处理工艺流程，如图3 1 所示。 图3 1 水处理i 一艺流程 原水池用于存放从河流或水库等水源流过来的未经处理的水。水经原水池流到混 合池后与投加的硫酸铝、聚合物、氯气等药剂混合在起，通过搅拌设备的充分搅拌形 成的紊流，使原水中的微小物质与硫酸铝紧密结合、大分子物质与聚合物结合形成不稳 华中科技大学硕士学位论文 定的颗粒，到絮凝池后这些不稳定的小颗粒或已凝聚的胶质颗粒堆积凝，在沉淀池早水 中的固体物质与清水被物理分离，再在滤池中合适粒度的沙挚层上进行过滤，最后通过 消毒精细处理后就得到符合出厂水质标准的清水，并最终汇集到清水池中，完成整个水 处理工艺过程。 3 3 基于现场总线的自动化供水系统模型设计 采用传统的集散控制方式d c s ( d i s t r i b u t e dc o n 打o ls y s t e m ) 所实现的供水系统是以工 业控制计算机为核心，把工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、i ，0 通道、 现场模拟仪表等有机结合起来实现地理、功能上的分散控制，又通过专用封闭网络把各 个分散点的信息集中起来的控制系统】。它达到了“以分散控制为主，集中管理为辅” 的系统要求，可以基本上满足城市自动化供水的需求【增】。但这种系统的最主要缺点是： 测量变送仪表多为模拟仪表，从现场到p l c 或计算机之问的检测、反馈、与操作指令 等信号仍旧依靠大量的一对一的布线来实现，因此是种模拟数字混合系统。随着人们 对供水系统安全性和可靠性要求的提高，以及计算机技术、p l c 控制器的迅猛发展，可 带变送器、执行器的数目越来越多，控制回路也越来越复杂。同时越来越多的信号需要 进行传输、这就需要铺设更多的信号电缆、这不仅增加了铺设线路的复杂性，也增加了 安装、调试与维护的费用。由于传统的d c s 供水系统中通信由专用封闭网络来实现， 因此开放性差。这主要表现在多种不同厂家的设备之间难以实现互用和互操作伸】。f 其 中互用是指不同生产厂家的性能类似的设备可实现互相替换。互操作是指互联设备间、 系统间的信息传送与沟通) 。 基于以上原因的考虑，采用现场总线控制系统f c s ( f i l e d - b u sc o n t r 0 1s y s t e m ) 的思想 来设计城市自动化供水系统模型。f c s 是以现场总线技术为基础，集计算机技术、网络 技术和控制技术为一体的当代最先进的计算机控制系统【2 0 】。 f c s 将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自有了数字计算和数字通 信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系 统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场 仪表和远程计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制 系统。 华中科技大学硕士学位论文 简而言之，f c s 是将现场总线应用于生产现场，在测量和控制设备之间实现双向、 串行、多节点数字通信的系统。也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制系统【2 ”。 它克服了d c s 系统中通信由专用封闭网络束实现所造成的缺陷，把不同厂商的设备按 照同一协议进行规范，并通过现场总线连接成系统从而实现综合自动化的各项功能。同 时把集散控制结构变成了新型全分布式结构，将d c s 控制站中基本且可独立的功能块 彻底下放到现场智能设备中，依靠智能设备本身实现基本控制功能，因此f c s 比d c s 具 备更优越的系统结构。 根据供水系统的一般特点和工艺流程以及现场总线控制系统( f c s l 的设计思想将整 个自动化供水系统分为：管理层、控制层、和现场层三个层次。层与层之间，以及各层 内部主要通过现场总线进行通讯。当然有的地方也使用到了无线传输。 要实现整个基于现场总线的供水系统的自动化，首先要考虑使用一种能在工业现 场环境运行的、性能可靠、造价低廉的现场总线。目前比较有影响的现场总线技术有： p r o f i b u s 、f f ( 基金会现场总线) 、h a r t 、c a n ( 控制局域网络) 、l o nw o r k s 等，它 们在现场仪表与智能终端之间应用十分广泛【2 2 】。本系统采用p r o f i b u s 现场总线。 p r o f i b u s 是德国s i e m e n s 公司等1 3 家企业和5 家研究机构于1 9 8 7 年联合开发的 现场总线标准【2 ”。目前已经成为。种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总 线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼字、交通电力等其他领域自 动化。p r o f i b u s 有三种协议类型，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、 p r o f i b u s f m s 24 1 。 本系统中主要采用p r o f i b u s d p 标准来完成现场自动化设备之间的多点数字通 信，实现现场层与控制层之间、以及控制层与管理层之间的通讯。p r o f i b u s ，d p 是一 种高速低成本通信，专为自动化控制系统和设备级分散式i o 之间设计的标准【2 5 1 。 整个系统的控制层分为三个部分，水厂控制主站、泵站控制主站、水池控制主站。 它们本身都是独立的控制单元，控制其下属若干现场控制点。为了更好的保证通讯的畅 通。这几个控制主站间的通讯没有使用p r o f i b u s d p 现场总线。而是直接通过无线 m o d e m 来通讯。 下面给出基于现场总线的自动化供水系统模型，如图3 - 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 主服务器 p r o f i b u s d p 冗余服务器 一 无线通讯f 水厂主站 l 尤线通诃 泵站主站r l c 8 = = = = = 刊r 五二j ：元习厂了i ；5 i 巨= = = 刊水池主站n c 不间断电 源控制点 高低压配 电控制点 3 3 1 管理层 自偶降压 控制点 电机启动 控制点 机泵温度 控制点 p r o f i b u s d p 不问断电 源控制点 高低雎配 电控制点 原水池控 制点 加药控制 加氯控制 占 沉淀池控 制点 滤池控制 进水流量 控制点 幽3 ，2 基丁现场总线的自动化供水系统模型 水池液位 控制点 管理层是系统的上位机部分，也是系统的核心部分。主要功能是根据控制层收到的 监测信号，控制供水系统整体设备和仪表的运行。管理层提供人机接口，是整个自动化 供水系统与外界信息交换的窗口。拥有用户管理功能、工艺流程状态显示功能、参数调 整功能、趋势显示功能( 包括历史趋势和实时趋势显示) 、设备远程控制功能、报警功 能、报表打印功能、通讯和冗余等功能，从而方便操作员实现水处理和供给过程的科学、 高效管理。 竺 华中科技大学硕士学位论文 管理级现场总线选择p r o f i b u s d p 总线。由于管理层是系统的核心部分，为了保 证整个系统的安全性和监控操作的连续性，考虑用两台装有组态软件w r n c c 的冗余服 务器作为整个供水系统的上位机【2 6 】。冗余结构采用待机运转方式。这两台服务器互为热 备，同时接收各种信号和数据，但正常时候只有主控服务器的输出生效，而热备服务器 的输出被忽略。这种冗余方式中还需要安装一一台监控服务器，在主控服务器出现故障时， 系统将自动切换到热备服务器上，从而保证了整个供水系统生产过程监控的连续性。 3 3 2 控制层 控制层是实现系统功能的关键，也是管理层与现场层之间的枢纽。 基于现场总线 的自动化供水系统中控制层主要使用西门子公司的s 7 4 0 0c p u 4 1 7 型的p l c 。其主要功 能是接受管理层设置的参数或命令，集中处理所有的控制算法、监控设备的自动运行， 对水处理生产过程迸行控制，同时将现场采集信号输送到管理层。控制层的各个子系统 ( 泵站主控制站、水厂主控制站、水池主控制站) 之问要进行必要信息的传递，而各子 系统内部又具有相对的独立性。分布式集中控制使得整个控制系统各部分之间能够完全 协调工作。由于控制层必须具有高可靠性，而如果所有设备都采用冗余结构是不必要也 是不经济的。因此只在重要设备或对全系统有影响的公共设备上采用冗余技术。 水j r 。主控制站是整个自动化供水系统的生产部门，内部下层分站较多。为了保证水 处理过程监控的连续性、确保水质，在水厂主控站采用冗余p l c 控制。它们互为热备。 同时接受水厂各控制点的数据信号。但正常情况f 只有主控p l c 的命令生效，而冗余 p l c 的命令被忽略。而水厂各控制点仍然采用单p l c 控制。为了保证水厂主控冗余p l c 与水一各控制点p l c 之间的正常通讯，采用p r o f i b u s d p 的y - l r n k 接口模块来实现。 泵站主控制站与泵站内部各控制点之问通过p r o f i b u s d p 现场工业总线联网通 讯。水池主控制站与水池内部各控制点之间通过p r o f i b u s d p 现场工业总线联网通讯。 水厂主控制站、泵站主控制站、水池主控站之间通过无线m o d e m 来通讯。 3 3 3 现场层 现场层是实现系统功能的基础。自动化供水系统现场层的主要功能是对水处理系统 中各个设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传，接受控制层的指令 对执行机构进行控制。 华中科技大学硕士学位论文 自动化供水系统中现场层主要由智能仪表、控制设备组成。在本系统现场层中主要 使用了e t 2 0 0 m 智能i o 模块和西门子s 7 2 0 0c p u 2 2 6 系列p l c 。这些智能设备的使用， 能够把传统的d c s 供水系统中处于控制室的控制模块和各输入输出模块置入现场层， 加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信 号，因而控制系统能够不依赖于控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成。同时由 于采用数字信号代替模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号。这样就简化了系 统的结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用。同时也大大提高了系 统的精确度和可靠性。 3 4自动化供水系统功能分析 根据基于现场总线的自动化供水系统模型可以将一个完整的城市自动化供水系统 主要分为3 大功能模块：水厂系统、泵站系统、水池终端系统。其中水厂系统是整个系 统的核心，它控制着整个水处理工艺流程，泵站系统是整个系统的运输枢纽，它负责原 水和处理后水的输送，水池系统则是泵站的输送终端。这三个子系统从某种程度上看具 有相对独立性，但内部又具有紧密的联系。因而它们之间的协调工作，才能保证整个自 动化供水系统稳定、可靠的运行。下面分别介绍各子系统的功能。 3 4 1 水厂系统功能分析 水厂系统是整个系统的核心生产部门，它承担着整个供水系统的运行和调度任务， 按照水处理工艺流程和控制系统模块化设计理论，可将水厂系统分为以下功能站点： ( 1 1 水厂主控制站 水厂是整个供水系统监控网络中心，是根据各分站点监测到的信号，控制水厂系统 所有设备和仪表的运行。同时收集泵站和水池发来的数据，并向泵站水池系统发送相关 的控制命令。 f 2 ) 高低压配电控制点 它的主要功能是监测电压、电流、功率。当遇到危险信号时，控制高压断路器动作， 切断高压电源，同时也自动切断低压总进线断路器，对用电设备进行保护，并向系统传 送报警内容。 ( 3 ) 不问断电源控制点 华中科技大学硕士学位论文 通过u p s 电柜为控制设备提供2 4v 的不间断电源。 ( 4 ) 原水池控制点 主要功能是监测原水的p h 值、电导率、余氯、溶解氧、浊度、温度等水质参数， 以及原水出水流量、取样泵的运行状态信号、原水池液位、出水电动阀开度等信号。该 模块主要根据原水池液位的高低自动控制出水电动阀的丌关，从而实现水厂的自动运行 和停止，水厂启动与停止的信号将会控制取样泵的自动启停。滤后清水池进水流量的反 馈信号则控制出水电动阀开度，维持水厂内部水处理的前后流量平衡，在运行过程中产 生的所有故障信息将会传送到主站。 ( 5 ) 沉淀池控制点 主要用于监测沉淀工艺部分各慢速、快速搅拌机的运行状态、污泥循环泵状态、排 泥泵状态、刮泥机状态、排泥阀门开关状态、泥位限定开关信号、排泥流量、搅拌机、 刮泥机、排泥泵、污泥循环泵运行频率、沉淀池出水的p h 值、电导率、余氯、溶解氧、 浊度、温度等数字和模拟量信号。具体控制是根据水厂运行与停止的信号控制沉淀池搅 拌设备、排泥设备、取样泵的自动运行，并测量沉淀池出水的各种水质参数。 ( 6 1 加药控制点 加药是水处理过程的关键部分。该模块需要监测硫酸罐、硫酸铝池、聚合物池、石 灰池液位、各加药池搅拌机运行状态、电磁阀门开关状态、计量泵运行频率等数字和模 拟量信号。通过对变频器的控制从而实现对加药计量泵投加硫酸铝、聚合物、石灰、硫 酸等药刺剂量的控制。 ( 7 ) 加氯控制点 由于氯气具有高危害性，所以对设备的安全要求很高，因而对监控也提出了相对高 的要求。在信号监测上该模块主要收集加氯间氯气浓度、自动加氯机的阀门开度、氯气 泄露排空用鼓风机运行状态、排气扇工作状态、供气管道切换压力开关信号、中和用 n a o h 泵的状态。在控制上主要是控制自动加氯机自动根据氯前、氯后的余氯反馈值实 现氯气的自动投加。 ( 8 ) 滤池控制点 过滤是水处理过程的最后阶段。该模块主要监测电柜各断路器的供电状况、各滤池 压力、液位、过滤时间、滤池迸水墙阀状惫、滤池出水电动阀开启度、反冲洗水泵状态、 1 6 华中科技大学硕士学位论文 反冲洗空压机状态、反冲洗循环泵状态、反冲洗水流量，反冲洗循环水流量、反冲洗气 流量、清水池进水流量、清水池出水的p h 、电导率、余氯、溶解氧、浊度、温度等数 字和模拟量信号。模块的自动化控制功能主要是通过控制过滤出水电动阀的开关来保持 滤池过滤的恒液位，保持水厂进出水流量的平衡，并在过滤过程中执行滤池的反冲洗， 保持滤池的过滤能力。 3 4 2 泵站系统功能分析 ( 1 ) 泵站主控制站 主要功能是根据泵站各控制点和自带i o 端子监测到的信号，控制泵站系统整体设 备和仪表的运行。 ( 2 ) 高低压配电控制点 该模块与水厂系统中高低压配电监控模块功能类似。 ( 3 ) 电机启动控制点 它是电机运行的安全保障，主要功能是监测各断路器开关状态、保险、断路器滑车 状态、泵单机进出水阀开关状态、泵的运行模式、接地状态、接触器开关状态、低电压 报警等信号。并接受泵站主p l c 传来的控制命令控制泵组电机的启停，并将各报警信 息传送至泵站主系统。 ( 4 ) 机组监控控制点 它的主要功能是监测各电机电流、电机线圈温度、电机轴承温度、泵轴承湿度，为 主系统控制命令的发出提供原始数掘。 ( 5 ) 自偶降压控制点 它的主要功能是监测各自偶降压线圈温度、星三角转换的接触器状态、功率补偿电 容电量，用于保护电机。 ( 6 ) 不问断电源控制点 与水厂系统不问断电源控制点功能相同。 3 4 3 水池系统功能分析 水池终端是向用户供水的末端部分，该模块的主要功能是监测水池的进水流量、水 池液位。并将这些信号通过无线m o d e m 传送到水厂和泵站，以便于泵站控制泵组的 华中科技大学硕士学位论文 启停和水厂执行供水调度的命令。 3 5 基于现场总线的自动化供水系统硬件配置 由于供水系统的稳定性关系到城市生产和千家万户的用水安全，所以在设备选择上 要采用功能强、性能稳定、环境适应能力强的硬件。 i b m 的p c 一直是s c a