大型水厂自动控制系统的设计与实现.pdf
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1、第 44 卷 第 8 期2023 年 8 月自 动 化 仪 表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.44 No.8Aug.2023收稿日期:2022-08-04作者简介:王胜利(1969),男,学士,工程师,主要从事市政水厂生产管理方向的研究,E-mail:wangshengli0210 ;胡田力(通信作者),男,硕士,工程师,主要从事市政给排水工程的电气、仪表及自控设计方向的研究,E-mail:hutainli582 大型水厂自动控制系统的设计与实现王胜利1,胡田力2,刘 胜3(1.北京市自来水集团有限责任公司,北京 100031;2.北京市市政工程设计
2、研究总院有限公司,北京 100082;3.成都市信高工业设备安装有限责任公司,四川 成都 610081)摘 要:为满足某大型水厂安全、稳定、可靠的生产运行需求,助力现代化水厂的建设,设计了 1 套自动控制系统。设置了信息层、控制层和设备层 3 个层级,使系统架构具有高可靠性、先进性和较强的适用性等特点。硬件部分采用热备冗余及光纤环网技术,提升了控制系统的稳定性和可靠性。软件部分从工艺流程出发,梳理各工艺流程节点的控制需求,整理出完整、有效的控制策略。该控制策略有效地指导了可编程逻辑控制器(PLC)程序和数据采集与监视控制(SCADA)系统组态程序的开发。自 2016 年 7 月至今,该水厂自动
3、控制系统实现了水厂边缘控制,提供了友好人机交互界面,辅助了一系列远程自动化调度,满足了水厂生产运行需求,提高了水厂生产效率。关键词:自动控制系统;热备冗余;光纤环网;控制策略;数据采集与监视控制系统;边缘控制;人机交互;自动化调度中图分类号:TH7 文献标志码:A DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2022080026Design and Implementation of Automatic Control System for Large Water PlantsWANG Shengli1,HU Tianli2,LIU Sheng3(1.Beijing Water
4、works Group Co.,Ltd.,Beijing 100031,China;2.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100082,China;3.Chengdu Xingao Industrial Equipment Installation Co.,Ltd.,Chengdu 610081,China)Abstract:An automatic control system is designed to meet the demand for safe,stab
5、le and reliable production and operation of a large water plant,and to help the construction of a modern water plant.Three layers of information layer,control layer and equipment layer are set up to make the system architecture with the characteristics of high reliability,advanced and strong applica
6、bility.The hardware part adopts hot standby redundancy and fiber optic ring network technology to improve the stability and reliability of the control system.The software part sorts out the control requirements of each process node from the process flow,and organizes a complete and effective control
7、 strategy.The control strategy effectively guided the development of the programmable logical controller(PLC)program and supervisory control and data acquisition(SCADA)system configuration program.Since July 2016 to date,this water plant automatic control system has realized water plant edge control
8、,provided a friendly human-machine interaction interface,assisted a series of remote automation scheduling,met the water plant production and operation requirements,and improved the water plant production efficiency.Keywords:Automatic control system;Hot standby redundancy;Fiber optic ring network;Co
9、ntrol strategy;Supervisory control and data acquisition(SCADA)system;Edge control;Human-machine interaction;Automated scheduling0 引言北京某地区 于 2016 年 建成了 1 座日供水量500 000 m3的大型供水厂。该水厂的建成缓解了该地区供水压力,大大提高了城市供水的安全性,保障了该地区供水量并改善了供水水质1,为该地区的社会经济发展奠定了基础。此大型水厂通过工艺方案比选,采用了“常规处理+臭氧活性炭+超滤膜+紫外处理”的工艺组合形式。根据工艺流程,供水厂配套
10、新建了一系列建(构)筑,包括格栅间、提升泵房、预臭氧接触池、机械加速澄清池、臭氧接触池、紫外消毒间、炭吸附池、超滤膜车间、第 8 期大型水厂自动控制系统的设计与实现 王胜利,等清水池、配水泵房、污泥脱水机房、排泥池、浓缩池、脱水机房、加药间和变电站等。为满足安全、稳定的生产运行需求,水厂配套设计了 1 套自动控制系统。该系统构建了信息层、控制层和设备层 3 层网络架构。其中,硬件系统部分包括上位监控系统、现场控制分站、现场控制设备及在线仪器仪表 4 个部分。软件程序部分的实施内容包含水厂各工艺流程段的控制要求及相关策略,并利用可编程逻辑控制器(programmable logical cont
11、roller,PLC)编程软件将实施内容转变成机器语言,实现了工艺流程程序化、设备控制自动化。为便于生产运行人员实现水厂全工艺流程的可视化监控、管理及运维,水厂还配套编制了 1 套上位数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统程序。1 自动控制系统架构设计水厂自动控制系统立足于系统的可靠性、先进性和适用性,实现了全厂运行管理的集中监视调度和分散控制。自动控制系统由 3 层网络结构及其设备构成2。全厂自动控制系统配置如图 1 所示。图 1 全厂自动控制系统配置图Fig.1 Plant-wide automatic con
12、trol system configuration diagram 自动控制系统自上而下分别为信息层、控制层和设备层。信息层由操作员站、工程师站、服务器、工业以太网交换机和网络打印机等设备构成。信息层采用基于 IEEE 802.3u 标准的百兆以太网。传输介质为超六类双绞线。控制层由现场控制分站和工业以太网交换机组成。控制层采用基于 IEEE 802.3ab 标准的全双工千兆以太网。传输介质为单模光纤。设备层由现场控制设备和各种智能在线检测仪表系统组成。设备层采用基于 IEC 61158 标准的现场总线通信方式、可寻址远程传感器高速通道的开放通信(highway addressable rem
13、ote transducer,HART)协议通信方式或输入/输出(input/output,I/O)接点方式与现场控制单元或现场控制分站进行通信。其中,现场总线协议根据控制设备和仪表选型确定。依据系统架构设计,以下分别从硬件系统和软件程序 2 个方面详细阐述自动控制系统的设计内容和实现过程。2 硬件系统设计自动控制系统硬件部分主要由 SCADA 系统、现场控制分站、现场控制设备及在线仪器仪表组成。2.1 SCADA 系统中心控制室配置 2 套数据服务器、2 套工程师站、6 套操作站计算机和 1 台以太网核心交换机。数据服务器相互冗余,安装了 Windows2012 Server操作系统和 Ki
14、ng Historian20000 点数据库软件。数据服务器实现数据存储、数据管理、报警记录、数据查询和网络管理等功能3。其中,数据可根据用户指定的采样周期进行存储4。数据管理主要包括历史数据的存储、查询、显示5。工程师站相互冗余,安装了 Windows7 操作系统和King SCADA 无限点开发和运行版监控软件,负责与各现场控制分站进行实时数据交换和运行监控,并能完成对 PLC 程序的编辑和维护工作。操作站安装了 Windows7 操作系统和 King SCADA无限点运行版监控软件,在中心控制室以客户端的方式监控生产工艺流程,以实时对现场工艺、电气、仪表及其他设备进行监控、操作。同时,操
15、作站可完成报表制作、历史信息查询、报警归档等。由于各操作站独立运行,单个操作站计算机的故障或损坏不会影响整个系统的运行和性能6。75自 动 化 仪 表第 44 卷以太网交换机用于实现 SCADA 系统与现场分站的实时通信。2.2 现场控制分站自动控制系统为开放的分布式控制系统。自动控制在配水泵房变配电室设中心控制室,并在污泥处理车间、提升泵房变配电室、膜车间变配电室、臭氧车间、综合加药间、配水泵房变配电室设置 6 个现场控制分站。现场控制分站配置施耐德 Quantum 系列 PLC、工业操作屏、以太网交换机、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)及防雷电
16、保护装置7,并内置针对区域工艺及设备的监控而开发的应用程序。现场控制分站配有可供现场操作人员使用的工业操作屏,以便操作人员就地监控。现场控制分站可独立于水厂中心控制室进行区域及相关工艺过程的监控。工业操作屏设置不同级别的访问权限,以确保系统的安全、可靠运行。2.3 现场控制设备现场控制设备主要包含工艺水泵、阀门、格栅及其他成套设备自带的控制箱(柜),可通过硬接线、现场总线及以太网的通信方式将信息传输至现场控制站。2.4 在线仪表系统供水厂共设置了 206 套过程检测仪表和 76 套水质检测仪表。过程检测仪表主要选用德国西门子(Siemens)公司产品,用于检测压力、物位及流量信息,在不同的工艺
17、段分别设置压力变送器、超声波液位计、超声波液位差计、静压式液位计、电磁流量计、气体流量计、转子流量计和泥位计等。水质检测仪表主要选用美国 HACH 公司产品8,用于检测水中氢离子浓度指数(简称 pH)、电导、浊度、氨氮、溶解氧、余氯、化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)等信号。在不同工艺段,分别设有 pH 仪、电导仪、浊度计、氨氮仪、溶解氧仪、余氯分析仪和 COD 仪等。上述仪表通过420 mA、010 V 等模拟量信号或可寻址远程传感器 HART、Profibus DP 协议等数字量信号将测量信息传送给现场控制站。3 软件程序设计3.1 工艺流程控制策略(1)进
18、水总管、格栅间、集水池、提升泵房。进水总管调流阀的控制与集水池的液位信号联动。当出现溢流报警状态时,系统关闭调流阀。回转式格栅机前后各设手电动板闸,保证格栅运行时手电动板闸处于开启状态。格栅停止时,手电动板闸处于关闭状态。回转式格栅开启控制条件为:液位差计的液位差达到设定值时自动开启;根据时间控制、运行经验设定格栅的开启、关闭时间,且时间可调。集水池设置液位计。集水池液位信号实时上传SCADA 系统。当集水池的水位达到溢流水位或停泵水位时,SCADA 系统发出报警信号。提升泵的联动控制要考虑 3 个因素,分别为集水池水位、节能要求和水泵运行时间与次数。考虑到水泵运行时间、开停次数均衡、控制水泵
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