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水廠流程圖
系統(tǒng)組成
自來水廠自動化控制系統(tǒng)是自來水公司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),主要由自來水公司調(diào)度中心、水廠自動化控制中心、通信平臺、加壓泵組測控終端、配電設(shè)備監(jiān)測終端組成。
圖1. 系統(tǒng)組成
通信平臺
自來水公司調(diào)度中心、各水廠、各職能部門之間數(shù)據(jù)通信在局域網(wǎng)內(nèi)完成;水廠與調(diào)度中心之間一般租用或鋪設(shè)光纖。
水廠自動化控制終端的功能特點、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及使用要求。
1、水廠自動化控制終端的功能特點:
a.采集進(jìn)廠流量、蓄水池水位、清水池水位、出廠壓力、出廠流量、出廠水質(zhì)、安防報警等信息;可采集每臺泵的出水壓力、出水流量。采集每臺加壓水泵啟停狀態(tài)、運行時間、工作電流、工作電壓、電能等電參數(shù);
b.采集配電室設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、總電能等;
c.監(jiān)視水廠大門、制水車間、泵房等重要區(qū)域的圖像;
d.支持加壓泵組控制柜手動控制、自動控制、遠(yuǎn)程控泵組設(shè)備的啟停,控制模式可切換;
e.電流過大、水位過低、壓力過高、控制柜保護(hù)、配電故障、閑人進(jìn)入狀況發(fā)生時,立即上報告警信息;
f.支持局域網(wǎng)有線通信,支持GPRS、短消息無線通信;
g.存儲、顯示、查詢水廠監(jiān)測數(shù)據(jù)及工作參數(shù);
h. 支持就地、遠(yuǎn)程測控設(shè)備維護(hù);
2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
水廠需要監(jiān)控的項目多,依據(jù)被監(jiān)測內(nèi)容,終端可分為:加壓泵組遠(yuǎn)程測控終端、配電遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、進(jìn)場水量監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端。這些終端依據(jù)現(xiàn)場情況也可以合并成一個綜合終端。
圖2. 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖
3、加壓泵組遠(yuǎn)程測控終端設(shè)備配置表
序號 | 部件名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 數(shù)據(jù)服務(wù)器 | 1 | |
2 | 主控制器 | 1 | 采集水池水位、出廠壓力、流量等 |
3 | 分控制器01 | 4 | |
4 | 分控制器02 | 1 | 采集水質(zhì)等信息 |
5 | 控制變壓器 | 1 | 380VAC/220VAC |
6 | 電壓變送器 | 4 | 三相、單相;標(biāo)準(zhǔn)信號輸出 |
7 | 電流變送器 | 4 | 三相、單相;標(biāo)準(zhǔn)信號輸出 |
8 | 信號繼電器 | 8 | 12VDC供電 |
9 | 中間繼電器 | 8 | 220VAC |
10 | 開關(guān)電源 | 1 | 220VAC/12VDC |
11 | 備用電池 | 1 | 7Ah/12VDC |
12 | 轉(zhuǎn)換開關(guān) | 5 | 兩位控制按鈕 |
13 | 空開及端子 | 1 | 10A |
14 | 串口信號轉(zhuǎn)換模塊 | N | 依據(jù)采集的串口儀表進(jìn)行配置 |
15 | 各種避雷器 | N | 依據(jù)安裝使用環(huán)境進(jìn)行配置 |
16 | 金屬機柜 | 1 |
4、 加壓泵組遠(yuǎn)程測控終端工作原理示意圖
圖3. 遠(yuǎn)程測控終端工作原理示意圖
5、加壓泵組遠(yuǎn)程測控終端注意事項:
a.該終端安裝在水廠加壓水泵啟動電氣室;
b.水廠建有局域網(wǎng),終端安裝地方有網(wǎng)絡(luò)接點;
c.確定水位、壓力等變送器信號輸出類型,確定流量儀表的廠家、型號、信號輸出類型;
d.確定水泵啟動類型,確定水泵控制模式;
e.閥門與泵的聯(lián)動控制由水泵啟動控制柜完成;
6、其他測控終端:
a.如果水廠的信號采集點比較集中,布線方便,可將配電遠(yuǎn)程測控終端、進(jìn)水量遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端設(shè)備統(tǒng)一設(shè)置在加壓泵組遠(yuǎn)程測控終端內(nèi)。
b. 如果水廠的信號采集點比較分散,布線困難,配電遠(yuǎn)程測控終端、進(jìn)廠水量遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、視頻監(jiān)控終端設(shè)備應(yīng)獨立安裝。分別接入水廠局域網(wǎng)。
7、其他測控終端的原理圖如下:
圖4. 配電室遠(yuǎn)程測控終端工作原理示意圖
【說明:依據(jù)監(jiān)測的開關(guān)量的數(shù)量配置分控制器的數(shù)量】
圖5. 進(jìn)廠水量遠(yuǎn)程監(jiān)測終端工作原理示意圖
圖6. 視頻監(jiān)控終端工作原理示意圖
水廠自動化控制中心
水廠自動化控制中心計算機通過自來水公司局域網(wǎng)監(jiān)控水廠內(nèi)測控設(shè)備。
1、中心主要功能
a.遠(yuǎn)程監(jiān)測所轄水源井的工作情況、安防情況,遠(yuǎn)程控制所轄水源井水泵的啟停;
b.在線監(jiān)測水廠內(nèi)加壓泵組設(shè)備的工作情況,控制加壓泵組的啟停;
c.在線監(jiān)測水廠內(nèi)蓄水池水位、清水池水位;進(jìn)廠原水流量;出廠清水流量和壓力;
d.在線監(jiān)測出廠水的濁度、PH值、余氯等水質(zhì)指標(biāo),錄入其他水質(zhì)信息;
e.在線監(jiān)測大門、制水車間等重要場所的圖像;
f.生成各種報表及數(shù)據(jù)曲線;
2、水廠自動化控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖7. 水廠自動化控制中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3、 水廠自動化控制中心配置
水廠監(jiān)控中心 | 客戶端計算機 | 3 | 聯(lián)想商用 |
交換機 | 1 | 100M H3C | |
不間斷UPS電源 | 1 | 1000VA | |
操作系統(tǒng)軟件 | 3 | Windows07 |
自來水公司調(diào)度中心
自來水公司調(diào)度中心可監(jiān)測整個城市供水管網(wǎng)的壓力及流量;監(jiān)測自來水公司所有水源井、水廠、加壓泵站設(shè)備的工作情況;存儲查詢所有監(jiān)測及操作信息;指揮各水廠科學(xué)供水
1、自來水公司調(diào)度中心硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
圖8.自來水調(diào)度中心硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2、自來水公司生產(chǎn)調(diào)度中心軟件結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)調(diào)度軟件采用B/S結(jié)構(gòu),軟件在調(diào)度中心服務(wù)器上運行,使用者通過自來水公司局域網(wǎng)瀏覽并進(jìn)行操作;工種不同、職位不同,所授予的使用權(quán)限就不同。
圖9.自來水調(diào)度中心軟件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
3、調(diào)度中心配置
安裝位置 | 設(shè)備、軟件名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
自來水公司調(diào)度中心 | 服務(wù)器 | 2 | 1臺通信、1臺數(shù)據(jù) |
客戶端計算機 | 2 | ||
交換機 | 1 | 1G H3C | |
路由器 | 1 | 100M H3C | |
硬件防火墻 | 1 | 100M H3C | |
不間斷UPS電源 | 1 | 3000VA | |
標(biāo)準(zhǔn)機柜 | 1 | ||
數(shù)據(jù)庫軟件 | 1 | ||
服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件 | 2 | ||
客戶端操作系統(tǒng)軟件 | 2 | ||
自來水公司生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)軟件 | 2 |
注:該系統(tǒng)所需設(shè)備及軟件依據(jù)每個自來水公司具體需求而定
一. 設(shè)計原則
水廠的計算機自控系統(tǒng)采用計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加工業(yè)組態(tài)軟件以及可靠通用的PLC模塊。系統(tǒng)配置和功能設(shè)計按各工藝處理階段少人值守的原則進(jìn)行并遵循如下要求:
(1)高可靠性:選用穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品,硬件上簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少出錯環(huán)節(jié)。
(2)先進(jìn)性:控制系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)未來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展,性能價格比高。
(3)靈活性:網(wǎng)絡(luò)通訊方式和系統(tǒng)組態(tài)靈活,擴(kuò)展方便,可用性,可維護(hù)性好,并具有開放的軟件通訊協(xié)議。
(4)實時性:控制系統(tǒng)對工況變化適應(yīng)能力強,控制滯后時間短。
二.儀表設(shè)計
根據(jù)工藝流程和生產(chǎn)管理的需要,在工藝流程的各個部分設(shè)置泵房液位變送器、水泵出水管壓力變送器等檢驗儀表;這些儀表均選用工業(yè)級在線式儀表,并根據(jù)安裝環(huán)境的要求具有相應(yīng)的防護(hù)等級。0.4KV低壓進(jìn)線柜電量參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)電力儀表的通信接口(Modbus協(xié)議)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,電動機柜電量參數(shù)通過軟啟動器、變頻器的通信接口(Modbus協(xié)議)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
三、控制方式:泵站的控制方式設(shè)置如下:
(1)手動模式:通過就地控制箱或壓低柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟停操作。
(2)遙控模式:即遠(yuǎn)程手動控制方式,操作人員通過PLC操作面板或系統(tǒng)操作站來控制現(xiàn)場設(shè)備。
(3)自動方式:設(shè)備的運行由各PLC根據(jù)設(shè)備的工況及工藝參數(shù)來完成對設(shè)備的啟/??刂疲恍枰斯じ深A(yù)。
通過強電設(shè)計中的“手動/自動”切換開關(guān)可實現(xiàn)就地現(xiàn)場手動控制和PLC監(jiān)控,其中就地現(xiàn)場手動控制優(yōu)先權(quán)高于PLC監(jiān)控,以保證現(xiàn)場操作維修安全。
1. PLC主要功能:
*檢控相關(guān)模擬量為:取水泵房水位、單泵出水壓力、出水總管壓力。
*將所有檢測參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)實時傳送至上位機。
*接收0.4KV進(jìn)線柜網(wǎng)絡(luò)電力儀表及電動機柜軟啟動器、變頻器送來的各種信號并上送至上位機。
*執(zhí)行中心控制室或操作終端下達(dá)的控制指令。
*開泵控制步驟,首先開啟水泵機電,再開出水閥門。
*停泵控制步驟,首先關(guān)閉出水閥門,待出水閥門關(guān)閉之75%位置,再停泵。
*通過接口監(jiān)控加氯加藥系統(tǒng)的運行。
*通過接口監(jiān)控脫水機系統(tǒng)的運行。
2.設(shè)備選型:
*PLC的選型:采用歐美公司性價比較高的產(chǎn)品。
3.系統(tǒng)防雷措施:
*電源部分:在PLC柜現(xiàn)場控制器的電源進(jìn)線處均設(shè)置避雷器或過電壓保護(hù)器。
*信號部分:在PLC的通信網(wǎng)絡(luò)端口及4-20mA模擬量信號的設(shè)備進(jìn)線和出現(xiàn)端口設(shè)信號過電壓保護(hù)裝置。
4.檢測儀表、自控系統(tǒng)配線及安裝
各現(xiàn)場PLC放射式向儀表供電。
*儀表配線采用屏蔽電纜以抗外界信號干擾,敷設(shè)時與強電線路分開布置。在室內(nèi)采用沿電纜橋架、電纜溝或穿管敷設(shè)相結(jié)合的方式,在室外沿電纜溝或穿管埋地暗敷。
四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自控系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu):信息層,控制層,設(shè)備層。
信息層:由監(jiān)控中心操作員站、工程師站,千兆以太網(wǎng)交換機組成;
控制層:由分散在各主要構(gòu)筑物內(nèi)的現(xiàn)場PLC 主站,工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機及100Mbps 光纖以太網(wǎng)環(huán)形、控制子網(wǎng)等組成。
設(shè)備層:由現(xiàn)場運行設(shè)備、檢測儀表、高低壓電氣柜上智能單元、專用工藝設(shè)備附帶的智能控制器以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)等組成。
五、控制模式
水廠設(shè)備的控制模式設(shè)三級控制:就地、現(xiàn)場PLC 控制站、監(jiān)控中心。上、下控制級之間,下級控制的優(yōu)先權(quán)高于上級。就地控制級設(shè)有“就地/ 遙控”兩種方式,各設(shè)備均可通過“就地/ 遙控”選擇開關(guān)切換實現(xiàn)手動操作。當(dāng)現(xiàn)場PLC 站發(fā)生故障時,可通過就地控制級上的“就地/遙控”選擇開關(guān)切換實現(xiàn)設(shè)備的就地手動操作。
只有當(dāng)設(shè)備手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動時,遙控/自動轉(zhuǎn)換按鈕才可用,當(dāng)遙控/自動轉(zhuǎn)換按鈕處于自動時,應(yīng)禁止人工遙控設(shè)備。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障信號時,應(yīng)停止運行或禁止啟動這些設(shè)備。
1.PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)新建生產(chǎn)現(xiàn)場的無人值守,功能包括:
生產(chǎn)過程各種主要工藝參數(shù)的采集:
·各種能耗、物耗和進(jìn)、出廠水流量的計量和累計
·生產(chǎn)過程設(shè)備工況和工藝流程狀況監(jiān)測
·生產(chǎn)過程設(shè)備的PLC自動控制
·PLC控制與傳統(tǒng)電氣控制自由切換
·生產(chǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲和歷史回溯
·數(shù)據(jù)回歸分析和趨勢分析
·生產(chǎn)報表的自動形成和打印
·事故報警和事故打印
·事故處理專家系統(tǒng)。包括事故狀態(tài)的自動記錄、存儲,事故類別的自動判定;處理方案的輔助決策支持系統(tǒng);
2.自控系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
(1)生產(chǎn)工藝控制:
沉淀后濁度的控制范圍 Tu ≤ 5NTU
出廠水壓力的控制誤差 △P ≤ ±0.02Mpa
出廠水余氯控制誤差 △CL ≤ ±0.1PPm
出廠水濁度的控制范圍 Tu ≤ 0.1NTU(應(yīng)急供水時Tu ≤ 3NTU)
72小時無須人為干預(yù),生產(chǎn)正常運行,出廠水質(zhì)、水壓、水量符合指標(biāo),設(shè)備正常運行。
(2)PLC系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及通信系統(tǒng)
平均無故障間隔時間 MTBF>100,000hr
處理器板、接口板、電源模塊等的MTBF:>100,000hr
LCU、RTU和MCU的MTBF:>32000h
可用率 A≥99.8%
系統(tǒng)綜合誤差: σ≤1.0%
數(shù)據(jù)正確率 I>98%
數(shù)據(jù)通信負(fù)載容量平均負(fù)荷a≤2%,峰值負(fù)荷A≤10%,
計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能方便、快速地更新修改數(shù)據(jù)庫和軟件參數(shù),如以下的修改內(nèi)容:
數(shù)字點和模擬點的數(shù)量;
模擬點工程單位標(biāo)度;
模擬點限值;
模擬點限制值死區(qū);
控制點參數(shù)。
(3)時間參數(shù):
★人機接口畫面響應(yīng)時間:
主機的聯(lián)機啟動時間 t≤2min
報警響應(yīng)時間 t≤3s
查詢相應(yīng)時間 t≤5s
實時數(shù)據(jù)更新時間 t≤3s
控制指令的響應(yīng)時間 t≤3s
計算機畫面的切換時間 t≤0.5s
調(diào)用畫面時間(90%畫面) t≤0.5s
調(diào)用其它畫面時間 t≤1s
動態(tài)顯示數(shù)據(jù)刷新時間 t≤2s
實時數(shù)據(jù)顯示的刷新周期 t≤3s
★傳送時間:
重要遙測傳送時間 t≤2s
遙信變位傳送時間 t≤1s
遙控、遙調(diào)命令傳送時間 t≤2s
全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)掃描周期 2~5s事件順序分辨率 t≤3ms
★雙機自動切換時間:
熱備用時 保證實時任務(wù)不中斷
溫備用時 t≤5s
冷備用時 t≤2min
★控制執(zhí)行周期
流量控制執(zhí)行周期 t<3min
無功功率控制執(zhí)行周期 3min
自動經(jīng)濟(jì)運行功能處理周期時間 30~45min
六、自動化和信息化系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計方案
水廠由光纖組成以太環(huán)網(wǎng),接受并存儲自控系統(tǒng)各PLC 站點上傳的實時數(shù)據(jù),形成歷史庫,并具備數(shù)據(jù)查詢、瀏覽及報表生成功能。提供人際界面,實現(xiàn)各類工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)視及遠(yuǎn)程操作。完成水廠信息的監(jiān)視、整理、查詢、檢索、管理、傳輸。
本工程采用集散型監(jiān)控管理系統(tǒng)。在控制室設(shè)置實時計算機監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)為熱備冗余系統(tǒng),兩臺監(jiān)控計算機以雙冗余模式運行同時作為服務(wù)器,接收、處理所有的上傳數(shù)據(jù),集中管理、控制水廠現(xiàn)場PLC,提供清晰、友善的人機界面,完成生產(chǎn)管理的日報、月報、年報,也可以在中央控制室集中控制水廠的運行。主備轉(zhuǎn)換時,系統(tǒng)無數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)同時設(shè)置了數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲所有的數(shù)據(jù)。
監(jiān)控系統(tǒng)開放、靈活,可以對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測、控制,具有動態(tài)畫面顯示功能、報警、報表輸出功能、趨勢預(yù)測功能、歷史數(shù)據(jù)存儲功能。軟件應(yīng)采用全中文操作模式,能夠組態(tài)中文顯示畫面等功能。具有使用方便、簡單易學(xué)、軟件組態(tài)靈活的特性,應(yīng)該確保用戶可快速開發(fā)出實用、可靠、有效的自動控制系統(tǒng)。
中央控制室監(jiān)控軟件的功能有三類:
第一類是管理功能:即生成全廠工藝流程,提供清晰、友善的人機界面,生動形象地反映工藝流程、實時數(shù)據(jù),完成報警、歷史數(shù)據(jù)、歷史趨勢曲線的儲存、顯示和查詢。生成、打印各類生產(chǎn)運行管理報表。
第二類是對設(shè)備的控制功能:即在基于圖形和中文菜單的方式上,操作人員在操作員站通過鍵盤或鼠標(biāo)對現(xiàn)場PLC站的控制參數(shù)進(jìn)行在線修改。在下級釋放控制優(yōu)先權(quán)的情況下,對生產(chǎn)過程進(jìn)行廠一級的控制。
第三類功能是通訊功能:故障處理專家系統(tǒng)是一個對全廠的生產(chǎn)信息進(jìn)行綜合處理、綜合判斷和作出綜合決策的專家軟件模塊。對采集取的全廠生產(chǎn)過程中的實時數(shù)據(jù),進(jìn)行“軟傳感器技術(shù)”處理,判斷出生產(chǎn)過程中哪些工藝部位,哪些控制環(huán)節(jié),哪些主要設(shè)備存在故障隱患,并及早顯示和提醒水廠生產(chǎn)人員注意。