（系统工程专业论文）供水企业自动控制系统设计与集成.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 ；净水厂自z 巩监控系统是净水厂保障安全生产、提高出水水质、降低生产消 、 托，提高经济效益的主要途径。当前净水厂自动化的主流是集散型控制系统 ( d c s ) ，它是以“分散控制，集中管理”为特征的自动监控系统。此种系统可 证性高、风险低，控制效果好，因而被广泛采用。， 本文的创新及主要工作内容如下： ( 1 )针对供水企业的生产过程，研究了其全厂自动化系统的构架，以及 在各个车m 的控制问题。 ( 2 ) 滤池是供水企业生产中的重要车恻，其控制系统历来是水处理工业 、 自动化的一个难题。滤池的任务就匀速的过滤，需要时进行反冲洗：j 在本文中， 研究讨论了使用丌关阀进行液位调节的方法，并在实践中成功运用得到了验证。 犬舰模滤池车侧的反冲洗常用到多控制器系统。但控制器间的相互协调十分复 杂，本文提出了- , e e 控制器问建立沟通机制和简化复杂性的方法。 ( 3 ) 针对目前国内某些水厂的二期改造工程，根据几个常见问题，提出 丁其成功的解决方案： a 某些水厂，新旧控制系统不一致，本文提出了一个异种控制网络集成 的方案，实现了新旧系统的无缝连接，在现场获得成功应用； b 针对某水厂压力液位计盲区问题，提出液位的估算解决方法，实现了 节水反冲洗； c 针对某水厂二级泵站，实施了一种恒水压控制改造，取得良好恒压和 ：肖能效果。、 天键词：供水企业滤池液位控制反冲洗控制异种控制系统集成恒水 压控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o ns y s t e mo fw a t e rt r e a t m e n tp l a n ti sv e r yi m p o r t a n t t h e p o p u l a rc h o i c en o w i sd c ss y s t e mw h i c hi sc h a r a c t e r i z e dw i t hd i s t r i b u t e d c o i i i i o la n dc e n t r a l i z e d m a n e g e m e n t ，i tp e r f o r m s w e l li nw a t e rt r e a t m e n t p l a n t s t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) t h ea u t o m a t i o ns y s t e m i nw a t e rs u p p l y p l a n t a n ds o m ec o n t r o l p r o b l e m a r es t u d i e d ( 2 ) f i l t e r i n gi s ai m p o r t a n tp r o c e s si nt h ew h o l ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si nl a r g e s c a l e p l a n t ，t h es y s t e mh a sm u l t i p u lc o n t r o l l e r s t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h e s e c o n t r o l l ersa r ev e r yc o m p l i c a t e d i nt h i st h e s i s ，i ti sd e s c r i b e dt h a th o wt oe t a b l i s ht h e w a y t oc o l n l l l l l n i c a t ea n dh o wt or e d u c et h ec o m p l e x i t y t h el e v e lc o n t r o lo ff i l t e ri sa l s o d e s c r i b e d ( 3 ) f h eu p g r a d ea n dr e b u i l do fo l dc o n t r o ls y s t e mi sa n o t h e ri m p o r t a n t p o i n t t h e s c h e m e st os o l v es o m ep r o b l e m sa r ep u tf o r w a r d ： a t h ei n t e g r a t i o no fd i f f e r e n tc o n t r o ln e t w o r k s b 1 e v e le s t i m a t et or e m e d yt h eb l i n da r e ao fg a u g e c u p g r a d eo f t h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s ：，w a t e rs u p p l yp l a n t f i l t e r i n t e g r a t i o n o fd i f f e r e n tc o n t r o l _ n e t w o r k sc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m 浙江大学硕士学位论文 第一章净水厂控制系统综述 摘要说明了水厂自动化系统在生产实践中的现实意义， 介绍了水厂自动化系统的发展历史、功能、不同类型及 其特点，着重说明了集散式控制系统的组成、技术背景、 在国内外实际的应用情况以及今后发展的趋势。最后介 绍了净水厂的滤池控制系统。 水对人类而言有着非同寻常的意义，不论是日常生活，还是工农业生产都 离不丌水。特别在现代社会中，不仅对水的需求量与月俱增，对水质的要求也 越来越高。为了在有效利用水资源的同时避免产生严重的社会和环境问题，对 水的使用自口和使用后，都要进行一定处理，使水质达到定标准。水处理的种 类有很多，包括饮用水处理、工业用水处理、生活废水处理、工业废水处理等 等。他们各自都有各自不同的反应原理、处理流程等，各自需要不同的设施来 处理。本文的讨论只限于处理饮用水的净化厂。 人类对饮用水进行处理的历史十分悠久，超过了两千年。但这是小规模、 家庭型的处理，范围仅针对某个人或某个家庭。而面向社会兴建水厂，工业化 的集中处理水的历史还不到2 0 0 年，特别以快滤池为标志的现代水厂更只有l l o 彰f f 历史。在我国，水厂的大规模建设是从解放后开始的，时间较短，但取得 了卓越的成就。目前各个城市都己兴建了自己的净化厂，基本普及了自来水。 m 计i ，更加现代化的、大规模的新型水厂也在成批的建设中。 水f 一和其它行业的工厂一样，自出现以来不断革新，不断现代化，生产能 儿净化效果都不断提高。日产百万吨以上优质自来水的超大型水厂也不罕见。 维持如此大规模的水厂讵常运行，且要保证出厂水质，对处理工艺和自动化水 平邵提出了很高的要求。水厂的处理工艺一百年来已经比较成熟，基本上是混 浙江大学硕士学位论文2 ；疑沉淀、过滤和消毒。混凝剂一般采用铝盐、铁热。利用凝聚原理去除原水中 的悬浮颗粒。再进行沉淀，过滤。消毒一般采用氯化法。近几十年，随着净水 川! k kr ( , j 发展，工艺设计和处理构筑物的形式不断变化，各类反应药剂也出现许 彩新的替代品，比如：以高分子化合物作为混凝剂，臭氧或二氧化氯作为消毒 刹等等。不过，基本的工艺过程没有根本性改变。相比之下，水厂的现代化更 i 要的表现在自动化监控系统上。 净水厂的生产过程采用自动化技术，不是单纯的为了节省人力，更主要的 足加强各个生产环节的合理调度，保证水量、水压，提高水质，节约动力和投 约嚣，消火事故，积累运行资料，提高供水的可靠性和管理水平。我国的净水 厂m l j 化技术起步较晚，一度比较落后。但在近二十年中，发展迅速，一些大 城r j 已经j ) h 有困际先进自动化水平的净水厂，许多中小城市的水厂也达到了较 高的臼动化程度。 2 水厂控制系统概述 2 1 发展历史 净水厂的自动控制技术在五十年代初期，开始由机械化向仪表化方向发展， h 十年代后期，向仪表自动化方向发展，到六十年代前半期，少数净水厂丌始 使用电子计算机。进入七十年代以后，计算机已应用于净水控制和厂内配水控 制。根据其使用情况，大致可分为三类： 第一类：计算机用于数据巡检和监视，异常报警，生产数据的处理和统计， 随时报表，定时报表； 笫二类：计算机对水厂各生产环节进行实时控制，如水量控制、加药控制、 排泥控制以及泵房运行控制等； 第三类：计算机用于对净水厂与整个给水系统进行监督和调度。 计算机在自动控制技术发展的历史中占有极其重要的地位，它的出现、发 聪与普及极大的促进了自动化水平的提升，影响了构建自动化系统理论的发展： 浙江大学硕士学位论文 庄水处理工业的自动化领域，情况也是如此。 早期的水厂控制是单元式的。根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设 施。这些改施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没有联系。每个环节 彬越i 自身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之问的 f j j 、测是难以自动实现的，需要人工加以干预。这属于分敞式控制。 以后随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式，由中，山控制 奄的一台计算机系统对各个环节的参数进行巡回检测、数掘处理、控制运算， 然后发出控制信号，直接控制被控对象。一台计算机往往同时控制多个回路， ! j 多个水处理工艺环节。在这种控制系统中，集中检测、控制运算工作量大， r 攫求计算机功能强大，有很高的可靠性。一旦控制系统出现故障，整个系统就 都会陷于瘫痪。 进入7 0 年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制 系 - 4 d f , j 形式也发生了相应的变化，结构组成种类很多。当前水厂采用的自动控 制系统的结构形式，从自控的角度可以划分为s c a d a 系统、d c s 系统、i p c + p l c 系统、总线式工业控制机构成的系统等1 2 j 。 2 2 水厂自控系统功能 实现水厂生产过程自动控制的目的是：通过提高水厂的自动化程度来提高 水j 的现代化管理水平与生产过程调控能力，从而提高水厂生产的社会效益和 经济效益，具体体现在以下方面”】： 1 ) 水质优化。通过自动化控制系统的调节，提高给水水质的安全可靠性， 降低水处理系统的运行费用。例如可以根据滤池出水浊度及原水水质情况， 控制系统自动调节沉淀池出水浊度目标，在保证出厂水质合格的前提下，实现 水处理系统运行的总费用最低( 药剂费用、排泥水费、滤池反冲洗水费之和) 。 2 ) 能耗优化。水厂是能耗大户。通过自动化系统的调节，可以最大限度的 市约能 e 。例如通过对取水泵站和送水泵站水泵电机的调速控制，使之按恒定 流量或恒定压力方式运转，避免能量浪费，即实现能耗优化。 浙江大学硕士学位论文 4 ： ) 单体构筑物运行优化。可以根据系统总体运行条件要求( 原水水质、产 水谴等) ，备控制单元对各个水处理构筑物的运行工况进行自动调节，通过改变 投药垃、j - i t 泥工况、反冲洗周期及冲洗时问等实现各构筑物在最优工况下运行。 2 3 各类型系统基本特点 2 3 1s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与监视 控制系统。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、 彳一油、化：j ：等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域，尤其适宜 地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程控制。系统是由一个主控站( m t u ) 和若 0 ：个远程终端站( r t u ) 组成。该系统联网通讯功能较强。通讯方式可以采用无线、 微波、同轴电缆，光缆、双绞线等，监测的点数多，控制功能强。该系统侧重 于监测和少量的控制，一般适用于被测点的地域分布较广的场合，如无线管网 调度系统等3 0 i 。 该系统的基本特点是： 1 、组网范围大，通讯方式灵活。可以实现一个城市或地区那样的较大的 地理分布的监测和控制。 2 )系统分为主控机( m t u ) 和远程终端机( r t u ) 两部分，r t u 的控制较固 定，处理能力较小。 3 )系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较为困难。 2 3 2d c s 系统 d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 称为集散型控制系统。是由多台计算机和现 场终端机联接组成。通过网络将现场控制站、监测站和操作管理站、控制管理 站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。 浙江大学硕士学位论文5 l ) ( 、s 侧重于连续性生产过程控制。 i 幺系统的基本特点是： 1 ) 采用分级分印式控制。系统按不同功能组成分级分和子系统，各子系 统执行自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信 ，目、传输量，使系统应用程序较为简单。 2 ) 在物理上实现了真正的分散控制，使整个系统的危险性分散。系统的 可靠性较高。 3 ) 有车交好的扩展能力。借助网络技术，可以完成纵向和横向通讯及向商 层的管理机通讯，系统的扩展方便。 4 ) 系统的软、硬件资源丰富，可以适应各种特殊的要求。 5 )响应时削短，实时性较好。 6 )应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期 较长。 2 3 3i p c + p l c 系统 陔系统是山工! 业计算机( i p c ) 和可编程序控制器( p l c ) 组成的分布控制 系统。可以实现d c s 的功能，其性能已经达到d c s 的要求，而价格比d c s 低 h 多，丌发方便，在国内水厂自动化中得到最广泛的应用。 咳系统的特点是： 1 ) 可以实现分级分布控制。 2 ) 可以实现“集中管理、分散控制”的功能，将危险分散，大大提高了系 统的可靠性。 3 ) 组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减p l c 控制器，来实 现扩展网络的目的。 4 ) 编程方便，丌发周期短，维护方便。由于应用程序采用梯形图或顺序功 能图编辑，编程和维护方便。 5 ) 系统内的配置和调整非常灵活。 浙江大学硕士学位论文 6 ) 与工、l p 现场信号直接相连，易于实现机电一体化。 7 ) 系统的分柿范围不大。 当 讨水厂采用最多的控制系统是i p c + p l c 系统。该系统近年发展迅速，已 经i ld c s 系统的功能相近，特别是同样具有分级分布控制、实现“集中管理， 分散控制”的功能，往往从水处理工艺控制的角度也将此系统称为集敞式系统。 2 3 4 总线式工业控制计算机构成的系统 该系统是由总线结构的工业计算机及系列产品组成的。工业控制机一般与 ；t 一块模板插在某一总线上构成。 该系统的特点是： 1 ) 具有较高的可靠性。 2 ) 软硬件资源丰富。由于工控机与通用个人计算机兼容，可以借助个人训 算机丰富的软硬件资源。 ： ) 响应时问短，实时性较强。由于采用汇编语言或c 语言编程，代码效力 较高，在实时操作系统下，有较快的响应时间。 d ) 可以与不同厂家的产品互连，组成较复杂的系统。 编程工作量大，对丌发维护人员水平要求高，开发周期长。 3 水厂集散式控制系统 1 集散系统的组成 从广义上讲，d c s 有p c 型、p l c 型和仪表型三种类型。8 0 年代中后期p l c ( 可编程逻辑控制器) 中也丌始应用微处理器，它不再局限于逻辑功能，模拟 话采集输入输出，p 【d 调节功能。网络通讯模块的出现，使以p l c 为分散控制， 阢为管理、信息集中的集散控制模式( 即p l c + i p c ) 得到广泛的应用“1 。( 本文 中所讨论的集散控制系统就是这样的系统，以后不再重复说明。) 浙江大学硕士学位论文 7 媳型的水厂集散系统通常由4 个控制站，一个调控中心组成”“。四个控 制站分别设置于水源取水处、加药加氯车间，过滤池车间和清水池出水泵站。 如粜水厂规模较大，滤池数目比较多，也可能会设置多个滤池车间控制站。但 牡个系统的结构没有大的不同。图1 1 为常见水厂集敞系统网络图，其中p l c 5 化f 调控中心，专门用于控制模拟屏。集散系统的控制站与控制站之间，控制 站与悯控l _ 1 1 心之间一般通过总线式局域网络连接，在各控制站实现控制的分散， 侄凋控中心实现管理的集中。因此，从纵向看来，系统又可以分成三个相对独 抗的层次”1 ：i ，系统、通信网络和监控主机。这样的系统中通讯网络是实现监 控j 力能的神经和桥梁，十分重要，必须建立一个高可靠的网络结构。 ， 蠢 模拟屏 鋈厕，i 。 “。 ，堕一 唧硐 疆豳蕊癣酾 “ l谜挖i 。心1 ) l c 5 | n n 丽丽佩哪胴阳 l ，i 川 投曲p i c 2i 舭p l c 3 水p l cl 图1 1 常见水厂集散系统网络结构 浙江大学硕士学位论文 3 2 水厂集散系统的技术背景 ，。生丁上世纪6 0 年代术的可编程逻辑控制器( p l c ) 经过3 0 多年的发展， 已经不仅能够实现列丌关量的逻辑控制，还具有模拟量输入输出的功能、运动 j 、j 能、数学运算、数据处理、联网通信等功能，早已远远超出顺序控制的范围。 现在的p i ，c 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技 术，用面向控制对象、面向控制过程的“自然语言”编程，简单易懂、操作方 f 巫、适应工业环境、可靠性高的新一代通用工业装置。它易于实现数据采集、 处刖、控制，可组成集散控制系统，可充当分层式控制处理系统的中下层设备i 忆l 。 i ，l c 从诞生到现在，得到了迅猛的发展，至今势头仍十分旺盛。主要体现在 以下几方面：速度更快、功能更强：模块牙 ，类更多、品种更全；与其它智能控 制系统棚互渗透、相互结合；通信功能的分布式、网络化、标准化：发展新的 编程语言、丌发功能更强的组态软件。 3 2 2 通信网络 水，一集散控制系统的通信网络是工业专用控制网络，不同品牌的控制器通 常都有各自不同的网络，不同公司的产品网络结构也不同。一般的p l c 网络都 采用三缄总线复合型拓扑结构。最低一级为远程i o 系统，负责收集现场信息， 驱动执行器，在远程i o 系统中配置周期通信机制。中间一级为总线型高速数 掘通道，负责过程监控。最高一级可选用以太网( e t h e r n e t ) 或m a p 网，负责 ，j 二产管理。通常所说的p l c 网络，指的是中间级的高速数据通道，常见的产 品有：a b 公司的d h + 网、西门子公司的p r o f i b u s 、m o d i c o n 公司的m b + 网等。 p r o f i b u s 是一种新型现场总线，可承担现场、控制、监控三级通讯，采用 令牌方式与主从轮询相结合的存取控制方式，符合i e c6 1 1 5 8 和e n5 0 1 7 0 标准， 适用于各种任务的最优化的网络，灵活网络配置以及在非常恶劣环境中运行， 浙江大学硕士学位论文9 按照其性能，可分为不同类型，以保证最优的适配于现场和单元级。其中 j r o f i b u sp a 应用于过程自动化的形式，采用了i e c6 11 5 8 中规定的本安传输技 术。p r o f ib u s 具有丌放性，能够集成不同制造商的标准化部件”。 m b + m o d b u sp l u s ) 是一个本地网络，它允许主计算机、可编程控制器和其 它数据源以剥等方式进行通讯，数据传送速度可达1 m 秒，其通讯介质是双绞线。 m b + 川络i ：的节点均为对等逻辑关系，通过获得令牌来传递网络信息，或与网 络e 所有节点交换信息。m b + 网络可用于：在控制器之间传送数掘，在控制器 和主计算机之问传送数据，对控制器编程，从主机上对程序进行装入转储归档 2 3 1 1 2 9 。 3 2 3p c 机及相关软件技术 近些年永j # 机p c 技术以每一年多更新一代的速度飞速发展。强大的硬 ：、产台( 主步 + 王ji ( j 以上、c p u 内簧m m x 技术、内存1 2 8 m 及以上、i o g 以上 耍盘和高速、j 、及d v d r o m 驱动器等) 支持着不断更新的操作系统、应用 。 和网络技术。 _ i 前，常规系统的软件运行平台为w i n o w s9 x 或w i n d o w sn t 。 _ l 况控制平台为美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 软件、美国a b 公司的r sv 1 e w c o n t r o v i 。w ? 父件以及澳洲的c i t e c h 软件等。系统的管理历史数据库一般 川c r o s o f t 公们s q ls e r v e r 或a c c e s s l l 3 】| 3 0 】。 7 3 水厂自控系统在国内外的应用情况 圈外自6 0 7 0 年代起开始了供水系统自动监控的研究与应用工作。尤其是 一h o 年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断 发展，水： 业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自 动监控技术有了质的飞跃。加之西方发达国家雄厚经济实力与技术基础，供水 系统的自动监控已得到普遍应用。一些水厂已实现全自动运行，能对生产工艺 的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等“”。这种高度自动化运 浙江大学硕士学位论文 1 0 行的模式是符合西方国情特点的。西方许多国家人力资源紧张，人工费用往往 占生产成本构成的比重较大，而仪表设备费相对较低，加之设备质量可靠，高 度自动化节省了人力资源也就是获取了较高的经济效益。西方也有相当多的水 仅对一些影响处理水质及费用关键工艺环节实施自动控制，而对各个工艺阶 段的主要水质与运行参数进行自动监测【9 1 1 2 7 ) 。这是一种经济高效的自动监控方 。粲，值得借鉴。固外的水厂监控普遍采用集散式系统。对各个工艺单元进行分 敞控制减小了各控制环节之间的干扰，提高了工作的可靠性；对全厂的集中监 控，又保证了统一指挥、调度的灵活性。1 “”。 我国自8 0 年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引 进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。我国在水厂关键环节混凝投药控 制技术与设备方面实现了流动电流及透光率脉动两种凝控制设备的国产化，并 在水厂获得推广应用，取得显著效果，在此方面已居于国际领先水平。水工业 的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 家丌始生产，但是质量水平与国外产品相对仍有距离，难以满足国内市场需要。 我圈大多数水厂的监控技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，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 凋节力能并不强。如混凝投药是按原水流量比例控制，不能跟踪响应原水水质 等因素变化对药耗的需求；沉淀池排泥用水：传统的处理效果以浊度为指标， 存在检测可靠性等问题等等。这种模式并不适应我国相当多的水厂原水水质变 化大而快的情况，而谈不上保证水处理系统运行优化，结果水质保证率低，而 运行费用高。这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 j 三 的。 针对我国的技术经济条件，不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。 近年来建设的较大型的、自动监控水平较高的水厂需要认真总结应用经验，并 向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导。对于 众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发 展那些对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节的自动监控技术与设备， 浙江大学硕士学位论文 建立规模适宜的集敞型计算机监控系统【1 0 3 4 集敞控制系统的发展前景 近年来，随着计算机技术、新器件、新方法的相互促进，在d c s 相关领域 也f 【 现了许多新进展。 3 4 1 向大系统综合自动化方向发展 近年来一些主要厂家都在增强d c s 的功能，向大系统综合自动化方面发展， 使企业管理与过程控制相结合，能利用过程信息较快的作出有利于企业的决策 以适应变化的市场要求。 有的d c s 系统采用光纤分布式数据接口( f d d i ) 局域网络，数据传输速率 达1 0 0 m b p s 。可连多达1 0 2 4 个节点，这样便于形成大型的管理与控制信息系统。 过程控制处理的是实时信息，企业管理所处理的一般为非实时信息，有时 也需要用到生产上的某些实时信息。为了适应这方面的需要，近年来也出现了 一些如动态数据交换( d d e ) 和对象链接嵌入( o l e ) 的实用程序，而在数据信 息的应用上，则可以用s q l ( 结构化查询语言) 在工厂实时数据库与各关系式数据 j 车之间建立起所需的联系。 3 4 2 向开放式系统发展 d c s 系统是较早在过程领域中发展起来的分布式网络系统。当时缺少标准， 多山各厂商自行开发，因而多为非标准封闭式系统，给用户带来诸多不便。经 过几十年的发展，d e v i c e n e t 在北美和日本由的比较普遍。而p r o f i b u s d p 则在 欧洲用的比较普遍。针对过程自动化，p r o f i b u s p a 和f o u n d a t i o nf i e l d b u s 占 据大部分市场，应用到的总线协议主要有：p r o f i b u s ，d e v i c e n e t ，f o u n d a t i o n f ? ie l d b u s 及i n t e r b u s s 等。 浙江大学硕士学位论丈 在实施标准化和开放型的过程中，逐渐趋向于采用u n i x ( o s e 1 ，t i pu x hc ，1 | i r js ，a l x ) ，w i n d o w sn t 这样的丌放式操作系统和视窗技术。 3 4 3 发展小型系统 许多主流的d c s 系统功能强、质量好，但价格也很高。这就使一些中小企 、【k ：选择控制装备时往往感到为难。集散控制系统向小规模方向发展，特别是 舯l 路控制器称为集散系统发展的一个方向，通讯功能和人机联系能进一步加 强。c r t 操作台在简化操作、减少可能发生误操作及提高操作台自身可靠性方面 进一步取得了进展。 3 ，1 4 媒体技术将引入控制系统 多媒体包括图像、声音、触觉和味觉。目前，照片、工业电视的图像、过 程中产生的声音已进入控制系统。当来自过程的电视运行图像给出了过程概貌 的直接视觉反馈、可以监视诸如高压设备内泄漏电流( 电晕放电) 等。过程的 声音也是相当重要的，通过一定的转换手段，可以将过程声音引到操作台的终 端和话筒喇叭上，这样操作员可以听到故障机件的声音，帮助辨别故障发生的 位置。另外，采用了虚拟的图像技术。栩栩如生的图像画面再配上逼真的过程 声音，可以使操作员如同身临现场，观察和操作各种设备，完成以前很难完成 的事情。可以预计，多媒体技术引入控制领域将会给该领域带来一总全新的变 化。 4 净水厂滤池控制 过滤是水处理工艺的最后的把关环节，其控制系统的开发研制也是水处理 工作者多年来一真研究的课题之一。该系统主要完成滤水及协调风机房反冲两项 控制任务，一般将滤池工作状态分为3 种：停水、滤水、反冲。主要采集滤池 浙江大学硕士学位论文 水位、水头损失信号、处理反冲排队、最大工作周期设置等工作”。 4 1 基本控制 h - f j f ，新建和改造的水厂均采用引进的v 型滤池工艺，它是采用均质滤料、 恒水他控制过滤、气水反冲加表面扫沈的滤池，因为进水配水槽呈“v ”型而得 手。其具有出水水质好，反冲效果好以及运行周期较长等特点【13 。 征滤水状态下，控制程序都是利用的控制功能实现恒水位滤水，设置遥控 滤池排泥阀、滤阀歼度操作，以处理突发生产问题。在停池状态下，设置理行 所有阀门遥控操作的程序，以方便检修等生产工作1 1 6 l 。 滤池反冲洗依靠周期及水头损失两个参数来启动，但水头损失启动反冲洗 的机会很少，而且水头损失压力计经过长期运行生产零飘，如果不及时校准， 其数据往往不可靠。气水混合反冲洗分为5 个阶段：滤池排水、气冲洗、气水 混合冲洗、水冲洗、滤池进水【1 8 】 1 9 1 。利用罗茨风机冲洗滤池，启动风机时噪声 大，利用变频器进行软启动能够较好地降低噪声污染。在水冲沈、气冲洗、气 水混合冲洗过程中，所需气、水量不同，多采用1 台风机和1 台水泵。惠州市 某水厂采用了新的反冲工艺：在气、水单纯反冲洗时，分别采用2 台风、2 台水 泵：气水混合冲洗时，采用1 台风机和1 台水泵。这样就使反冲洗的气、水流 量趋于合理，但随之而来使控制程序复杂化。 4 2 控制系统的结构 目前滤池的控制系统的结构形式大致有两种，其一是整个滤池由一台p l c 集中完成滤池的过滤和反冲洗控制，其二是每格滤池由一台小型p l c 控制，公 共反冲部分出一台较大的p l c 完成控制，滤池系统组成自成一个控制网络。这 两种控制系统形式在水厂比较常见，各具特点。前一种方式，控制集中、简单、 造价较低，但整个控制系统的由一台p l c 完成，程序、调试工作量大，而且一 旦p l c 损坏，造成整个滤池不能自动控制，可靠性差；后一种控制系统，每格 浙江大学硕士学位论文 1 4 滤池控制分散，可靠性高，而且每格滤池的程序编制一样，仅需编制、调试好 一格滤池即可，大大地减少了工作量，但系统配置复杂，成本高。比如：莲花 i i i 水厂。咳水厂滤池控制系统采用后一种控制方式，由公共p l c 和每格滤池p l c 组成滤池控制网络，每格滤池操作台内置一台小型的m o m e n t u m 系列p l c ，完 成每格滤池的过滤控制和数据采集，并与公共p l c 交换数据信息。由公共p l c 饥贵反冲洗控制和与其它分控站及中控室通讯。从莲花山水厂运行一年多来看， 。虹观了滤池的恒水控制，自动反冲洗控制，实现三台冲洗水泵和三台鼓风机轮 循控制【1 5 l 【2 0 l 。 5 结束语 净水厂自动监控系统在整个自来水生产过程中起到了相当重要的作用。特 别是现代化的大型供水企业，不仅对出厂自来水的水质、产量有很高的要求， 还要尽可能优化生产资源的配置，避免浪费，以提高经济效益。没有一套可靠、 功能完善的自动监控系统，就无法实现这些目标。 当前的自控系统都有开放性的趋势，便于系统集成和开发。了解、熟悉净 水厂自动监控系统的特点、结构以及相关技术，有助于理解以车间控制站为基 础组成的整个系统在水厂生产中如何发挥其重要作用。继而在水厂自动化项目 中，实现优秀的自动监控系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章净水厂生产工艺 摘要比较详细的介绍了净水厂生产中从取水、混凝；兄淀 到过滤、消毒以及最后泵送出水的整个工艺流程。对其 中涉及的设备、构筑物也作了简要介绍。 净水厂的生产工艺在过程控制中相对不算复杂，种类不多，一般各个厂家 采用的生产流程也比较相近。常用的净水工艺主要有自然沉淀、混凝沉淀或澄 清、过滤、消毒，以及针对不同原水性质而采用的气浮、氧化及吸附等。在我 田，目前净水厂大多采用的工艺是混凝沉淀或澄清、过滤和消毒，也称为常规 处理工艺。具体一些，就是水从取水口采集，送到厂里，加入混凝剂和消毒剂， 在混凝池中反应，然后在沉淀池中沉淀分离( 或直接在澄清池中反应沉淀，不 设絮凝池) ，再到过滤池过滤，最后进入清水池，准备泵送至市区。每种工艺都 仃多种不同型式的构筑物。具体如何选择，可以根据原水水质、出厂水质要求、 水一规模、投资预算多少等许多因素来进行具体的分析，决定最后的方案。图 21 给出了一个净水厂常见的工艺流程。按照这种流程，净水厂应设置取水口一 线泵站、加药车间、加氯车间、过滤池车间和清水池二级泵站等几个生产车间。 每个车问的工作任务和常见的处理工艺将在下面各节中详细说明。 2 取水 净水厂的水源有江河、湖泊、水库、地下水等等。根据不同的情况，要建 造不同的取水口。比如：在水位基本恒定的湖中，取水口应设置在水中悬浮固 体、胶体物质、铁、锰和浮游生物全年含量尽可能低的深度。又l kt ! ! l ：河流咩i 浙江大学硕士学位论文1 6 的取水口必须预防土、砂、树叶、芦苇、草、废弃的包装材料，特别是塑料、 漂浮物和水流带来的苔藓膜或碳氢化合物膜等。总之，不论何种原水，在送入 t 体处理构筑物之前多要求先经过预处理。预处理通常为纯物理性质或机械性 质的，其目的在于尽量去掉那些在性质上或大小上不利于后续处理过程的物质 。 图2 1 对江河水的处理工艺流程 留；髓和铁被 挖制州戗( 选抒倥川) 聚合物( 进弹f 止川) 水瀣南时2 03 0 分钟 水溉f 媛呲j 0 1 0 分钟 水温两叫2 ，| 、州 水渝低时1 4 , n ，r 消t 妊剃 一般的预处理可包括：筛除、除砂、除浮油、除淤泥等。先是用格栅( 分 粗、中、细不同规格) 挡住水中的废弃物、树枝、树叶及草等漂浮体，再经过 除砂系统( 特别是当水必须通过长管道或渠道输送，必须泵送或后续处理设备 容易受大量砂粒的严重影响时) ，接着是除浮油和除淤泥处理。如果原水中含有 大量浮游生物或有机物，它们在长距离管道中的积累可能会导致流量迅速降低， 这可以用氯等氧化剂来处理。 学硕士学位论文 l7 如果取水口远离净水厂本部，那么这些经过预处理的水，还要由水泵抽入 琶。道，送至本部。 3 加约、沉淀 加药就是向水中加入混凝剂，目的是破坏水中胶体颗粒的稳定状态，在 定水力条件下，通过胶粒之问以及胶粒和其它微粒之问的相互碰撞和聚集，形 成易于从水中分离的絮状物质，这个过程称为混凝。其原理见下式： a l 2 ( s 0 4 ) 3 + 3 c a ( h c 0 3 ) 2 - - - 3 c a s 0 4 + 2 a l ( o h ) 3 + 6 c 0 2 溶在水r 的盒属阳离子中和了胶体中的负电荷，破坏了胶体颗粒的稳定状态， 产生聚集，形成絮状物。混凝是去除天然水浊度和色度的最主要方法，也是去 除某些无机或有机物的重要手段。 混凝剂般就是明矾等铝盐或铁盐等，种类不多，但现代化的净水厂正越 来越广泛的使用聚合物混凝剂，以适应各种独特的水质和优化混凝过程。 原水从取水口送来，比较浑浊。水厂本部先要对其进行混凝处理。具体实 现分几步，如图2 2 所示。首先是把混凝剂溶解，通过混合设备按一定比例投入 原水并迅速均匀混合，之后原水流入絮凝池使混凝剂与水充分反应，加强混凝 效果。最后原水流入沉淀池，沉淀出絮状物 5 6 】。 图2 2 投药混凝沉淀的基本过程 浙江大学硕士学位论丈1 8 在图22 所示的处理过程中涉及的构筑物主要是混合设备、絮凝池和沉淀 池。它们辞自都有独特的构造，以促进原水在其中的反应。混合设备可分为水 力和机械搅拌两类，具体形式主要为混合池和管道混合器。絮凝池是最终完成 混凝过程的设备，电有水力和机械搅拌两类。具体的构造形式非常多，水力絮 凝池仃结构简单，无需维护的优点，常见形式有隔板式、旋流式、涡流式等几 种，机械搅拌絮凝池则具有可以调节搅拌强度的优点，结构上也有多种不同设 计。在沉淀池，水中的悬浮颗粒沉到池底，达到与水分离的目的，根据水流的 分类，沉淀池有竖流式、平流式、辐流式、径流式等多种形式。所有的沉淀池 郝有排泥设备，不让沉淀物积累过多。另外，还有种流行的沉淀构筑物 淹清池，它的反应原理与沉淀池不同，不需要另设絮凝池。 4 加氯 原水中含有大量的细菌、病原体、藻类等对人有害的物质，要达到能满足 人类安全饮用的目的，必须进行消毒处理，减低有害物质含量。水的消毒是通 过消毒剂来完成的，消毒剂分四类：( 1 ) 氧化剂；( 2 ) 金、银、汞等中金属离 子，比如铜离子能杀死藻类；( 3 ) 阳离子表面活性剂；( 4 ) 物理媒剂，如：紫 外线。其中氧化剂是最常用，其它几种多为辅助性添加。一般氧化剂包括臭氧、 卤索和卤索化合物。在我国多数水厂都采用氯气为消毒剂，所以，消毒这一工 艺过程常被称为加氯。 氯气消毒的原理一般认为是氯能破坏细菌中的酶系统，当氯透过细胞模时， 即与细菌中的酶起不可逆反应，致使细菌死亡。氯投入水中，立即发生反应： c l 2 + h 2 0 h h c l 十h o c l 、h o c l o h + + o c l 一，其中次氯酸因其穿透细胞膜能力 最强，且因不带电荷，能迅速扩散到带电荷的细胞表面，以及分子量大是强灭 菌成分。而o c l - 带负电，杀菌效果比次氯酸弱很多。这两者在水溶液中的比值 决定于p h 值和温度，一般p h 值保持在6 o 一7 0 之间比较理想( 5 6 1 。 加氯消毒在净水流程中经常不只一次，有前价氯和后加氯之分。前者是在 原水管路上进行投加，杀死原水中的微生物或氧化分解有机物，后者则一般在 浙江大学硕士学位论文 滤后水管路上投加，再次进行消毒。 5 过滤 在混凝沉淀之后，要对水进行过滤处理。过滤的目的在于通过过滤设备， 战俘f 水中所含的悬浮固体，以获得低浊度的水。当被截留的颗粒物质聚积在过 滤介质表面时，称为表面过滤，当被滤料截留的颗粒物分布在过滤介质内部时， 称为滤层过滤。当前在净水厂中广泛采用的快滤池，就是典型的滤层过滤设备。 在过滤时，由于砂粒表面不断粘着絮体，使砂粒间的空隙不断减小，水流 的阻力不断增加。如果在滤池的不同部位装一个测压管，可以测出过滤时池内 的水头损失，如图2 3 所示。过滤所需的总水头h a ( 即可资利用水头) 由下列 儿部分组成( 图2 3 ) ：( 1 ) 滤池内的水头损失，包括滤层、承托层和配水系统 i 部分中的损失；( 2 ) 流量控制器或控制阀的损失；( 3 ) 管线中的损失和出口 损失等局部损失。在过滤的过程中，由于滤层中不断截留悬浮固体所引起的水 头损失增长，在可资利用水头h a 固定的条件下，必须控制池内的最大水头损失 在一定范围内，一般小于2 o 一2 5 m 。如图2 3 ( a ) 所示的快滤池与清水池f n j 的 钿冒r p ，h t + h l 的最大值即滤池内允许的最大水头损失。因此，在可资利用水头 h a 中，扣去滤池出水管中心与堰顶高差h 以及管路损失及其它一些零星水头损 失后，即得出池内允许的最大水头损失【5 6 l 。 当过滤的水头损失达到最大值时，如果滤池继续运行，过滤的速度将比预 定值不断降低，所以是不允许的，滤池必须停止过滤，进行冲洗。冲洗的种类 不多，常用的有反冲洗和气洗( 气冲) 。反冲洗就是用过滤后的清水对滤层进行 清洗工作，清沈掉滤层在过滤工作时间内所截留的悬浮固体。它是最主要的冲 沈形式。 浙江大学硕士学位论丈 ；h m 哺 堂 i ! 一 鞣嘲柚 i o口口ooo o槲：a 一 图2 3 快滤池的水头损失示意图 r i 二： 一广下三_ l l li t dl 清”j l i 基本上，过滤就是净水处理的最后一道程序了，从过滤池出来的水，流入 清水池积聚，保持有一定的储备量后就可以出厂了。当然，这之前还要做一些 必要的检测、化验等，确保水质，并作为消毒剂等处理药剂是否需要调整投入 量的参考。 最后，清水e a 水泵从连接清水池与二级泵房的吸水井中( 小型水厂可不设 吸水井，直接从清水池中抽取) 抽入供水管道，并以一定压力供给用户。水泵 的启动、停止、调速是这里的重要控制内容，必须确保能够持续可靠的向用户 供水。 浙江大学硕士学位论文 7 结束语 以l 一就；争水厂自动控制所涉及的范围，介绍了饮用水净化处理的工艺过程。 没有讨论过于细致和深奥的反应过程和机理。但相关水处理科学不断发展带来 的火量成果为改进净水过程的控制和监视，提供了新的思路或方法。一些目前 控托4 方面的难题将会随着人们对净水反应过程认识的加深而变得容易解决。 浙江大学硕士学位论文 第三章自来水厂全厂监控系统 摘要以车间为单位分别介绍了控制系统各控制站的设 备、仪表情况以及该站的控制任务。在从整体的角度讨 论了控制系统构成的方案、系统的层次结构和控制站上 位机情况。 根据上一章介绍的净水厂工艺流程，可以确定出一般净水厂的组成。常见 的净水厂都包含以下车间：取水口、加氯车间、加药车间、过滤车间和清水池 泵站，基本列应于各流程环节。这些车间的生产任务、生产设备不同，自动控 制的内容也不同。而同时，现代化水厂的工艺环节之间又是相互联系、相互影 岫l 的，州应的监测与控制也不是孤立的，而是联接成一个有机的整体作为一 个系统来共同运行。下面将从各车间具体情况和整个系统的形成两方面来讨论。 2 各车间情况和控制任务 2 1 取水口一级泵站 取水口的工作任务是从水源中采集原水，去除其中可能导致设备损坏的杂 质物体，再将水送到厂罩处理。实际的控制比较简单，主要是对设备的操作， 控制其运行。 浙江大学硕士学位论丈 2 1 1 取水口设备情况 取水l 】的设备往往随原水水质不同 要设置格栅和除砂装置；在湖泊中取水 定时清理。 而有一些区别。比如：在河流中取水， 则常要有除泥设备。这些设备都需要 一股来晚，取水口都远离净水厂本部，原水通过管道进行输送，所以，取 水l j 通常都殴有数台水泵及其调速装置。取水口涉及的大部分控制都是关于这 些水泵的。 2 1 2 取水v i 的仪表 取水口的水处理比较简单，无须仪表来监控反应过程。一般只是在输水管 道t 1 j 设置压力计和流量计用于监控水的输送。 2 1 3 取水口一级泵站的控制 首先是控制格栅的清洁。大、中型水厂的格栅都是机械式的，可以通过控 制器控制清洁装置( 如：抓斗等) ，将累积在格栅前的筛除物从水中捞起。这种 清洁应能够定时自动进行。同样，除砂、除泥装置也应实现定时进行冲洗、- t 泥的功能。 水泵控制是耿水口一级泵站的主要