一、 项目简介
安庆市自来水公司为国家中型企业，始建于1911年。自新中国成立，特别是改革开放以来，供水事业有了很大 的发展。现供水能力为日供水量41.5万m3，其中第三水厂是利用德国政府xx，引进国外先进的技术及设备而兴建的一座现代化水厂。该水厂的主要生产设备 从国外进口：西门子公司SIMATIC S7-400 PLC和西门子工控计算机组成的自动控制系统、RTU、KSB水泵、VEM电机、Erhard阀门、Passavant闸板阀、Auma电动驱动装置、 Passavant搅拌器、ALLDOS加氯系统、Jesco加药机、E+H和SIEMENS仪表、中低压开关柜等；其它设备在国内采购，如刮吸泥机、高 压开关柜等。
二、 系统介绍
第三水厂于1996年底动工兴建，设计规模20万m3/d。净水工艺系机械混合、机械絮凝平流沉淀池，均粒滤料滤池等常规净水工艺。见图一：
现场一共有五个PLC分站，主要模板有：CPU有CPU413-1（2块）、CPU413-2DP（2块）、CPU314IFM（1块）；通讯模板有 CP443-5（3块）、CP441-2（2块）和CP342-5（1块）；信号模板有SM431（9块）、SM432（1块）、SM421（22块）、 SM422（5块）、SM331（25块）、SM322（25块）、SM321（50块）、SM334（1块）和接口模块、机架若干等。编程器为 PG740。PLC编程软件为STEP7 V4.02,操作员面板的编程软件是Protool。
整个自动控制系统主要负责采集和显示现场仪表、水泵、阀门、搅拌器等设备的运行数据、状态，负责执行通过操作员面板发出的手动命令和能按照应用软件程序对 现场设备进行自动控制，并能自动存储工艺数据和自动打印报表和故障信息等。
三、 控制系统结构与配置
水厂的自动控制系统采用“集中检测、分散控制”的方式，构成“纵向分层，横向分站”的网络体系结构，整个控制系统网络分为二层：
{dy}层为现场设备控制层：主要有各现场PLC控制分站、检测仪表、电控设备等组成。直接完成生产过程中的数据采集、调节控制以及实现反馈控制或顺序控制等 功能。根据水厂生产工艺流程和现场构筑物的分布情况，分为五个分站；取水泵房分站、加药间分站、加氯分站、滤池分站、送水泵房分站。
第二层为中心控制室操作站：设有两台监控计算机，采用双机热备方式，如果一台出现故障，则另一台仍然能够独立工作，并且具有所有的功能，以确保整个控制系 统的可靠性、连续性和安全性，根据需要可以完成全厂生产处理的在线监测，并向PLC发出控制命令。
中心控制室内的监控计算机与加药间分站、加氯分站、滤池分站、送水泵房分站采用Profibus通过TCP/IP通讯协议组成工业局域网。局域网采用光缆 连接，每个分站以双绞线通过光缆连接模块（OLM）连至Profibus网，中心控制室内的工控机通过CP5412网卡和OLM连至Profibus网。 由于水厂取水泵房距离水厂距离2公里多，该分站与厂区控制系统采取有线通讯的实际操作性很小，因此采取了无线传输方式将该分站的一些重要数据发送至厂区的 送水泵房分站，从而传送到系统网络。
在滤池分站，由于滤池共有24组，分布范围比较大，距离长度比较大，所以在每组滤池设立了一个ET200M，将滤池分站PLC作为主站，24个 ET200M作为从站，采用西门子Profibus-dp现场总线。
系统配置图如下（图二）：
四、 生产控制系统的功能
水厂自动控制系统按以下三种方式运行：一是自动运行，即xx通过PLC，根据预先编写的程序自动控制运行；二是操作员通过控制室监控计算机或PLC上的操 作员面板操作，发出运行指令，设备的运行还是通过程序自动进行的；三是手动控制设备的运行，xx脱离PLC，通过现场控制箱上的按钮就地手动操作。在水厂 内每台电动设备旁都有一个“就地控制箱”。就地控制箱上有“就地”和“远程”转换开关。“就地”方式适用于人工干预或维修时使用，任何一项操作都是通过按 钮来执行，在此方式下，PLC不能发出控制命令，只进行监测。“远程”方式是控制系统自动运行设备。
1、中心控制室操作站
负责水厂工艺和设备过程控制、数据备份、数据处理。在监控计算机上可以显示水厂各处理单元模拟画面，包括工艺布置图、实时动态参数、设备的运行状态及实时 /历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线等，并周期循环发布日报表、月报表、年度报表。同时，可进行离线/在线编程及修改设定参数。以下列举几张工 艺流程图：
2、现场设备控制层
现场设备控制层分为五个分站；取水泵房分站、加药间分站、 加氯分站、滤池分站、送水泵房分站。
2.1取水泵房分站
由于取水泵房距离水厂距离较远，该分站与厂区控制系统采取有线通讯的实际操作性难度较大，因此采取了以MODBUS协议（借助总公司的无线网络）的无线传 输方式将该分站的一些重要数据发送至厂区的送水泵房分站，从而传送到系统网络，传送的信号有取水水位，水泵出水压力，水泵的开/停/故障，开关柜合闸/断 开/故障，、泵机分电量，调节阀门的信号。
? 硬件：CPU413-1、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、 UR1、PS407、RTU等。
? 监测范围：取水水位，水泵电流，水泵出水压力，水泵的开/停/故障，开关柜合闸/断开/故障，、泵机分电量， 泵站总电量，调节阀门的信号等。
? 自动控制：在取水水位允许的情况下，根据水厂的水库水位操作员在OP37面板上手动控制水泵的开停，当水库水 位较低时，开启或增开取水泵；当水库水位较高或取水水位较低时，减少取水泵的台数；当取水水位很低或水泵出现或故障水泵电流异常或出水压力异常时，自动控 制系统将不允许开启取水泵。
2.2加药间分站
? 硬件：CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM432、SM421、 SM431、OP37、UR1、ER1、IM460-1、IM461-1、PS407、OLM等。
? 监测范围：源水流量，源水浊度，源水PH+ 温度，药剂混合池、准备池的水位，SCD值，沉淀池出口浊度以及各设备的运行状况等。
? 自动控制：
⑴自动加药系统：根据加药准备池的水 位状态自动进行输、配药控制，采用闭环控制加药泵进行自动投加加药量，通过调整加药计量泵的变频器的频率来实现。
采用SCD仪与源水流量计一起构成前馈——反馈控制的混凝自动投加系统。控制原理如图所示，根据流量计测量到的源水流量作为前馈，SCD仪通过采样反应池 的反应絮凝情况检测出SCD值作为反馈，与设定值进行比较后，通过PLC来改变变频器的频率，从而控制投药计量泵的电机转速，达到改变投药量的目的，在单 纯以源水流量比例控制下引入SCD反馈环节能够进一步提高沉淀水浊度的合格率和稳定性，降低药耗，并能根据源水水质及反应效果灵活地对各项参数进行设置与 调整。原水浊度、PH+温度以及沉淀池的出口浊度作为监控参数进行参考，出口浊度不作为控制参数，主要是由于其滞后时间太长。
当药剂准备池的液位过低时，为防止加药泵的干运转，所有的加药泵将不允许自动运行；当其中一台加药泵出现故障时，其备用加药泵将自动投入运行。
（2） 刮泥桥
刮泥桥的自动控制方式有两种：①定时开停：在PLC中设置两个计时器，一个运行计时器，一个停止计时器，当停止计时器计时到期时，PLC开始自动启动刮泥 桥，并且运行计时器开始计时；当运行计时器计时到期时，PLC开始停止启动刮泥桥，同时停止计时器开始计时，如此循环。当把停止计时器设置为0时，刮泥桥 将连续运行。②根据沉淀池出水浊度值进行自动控制：当浊度达到一定值时，自动运行刮泥桥，浊度值低于一定值时，刮泥桥将自动停止运行。
对刮泥桥设置三种运行模式：将沉淀池平均分为三段，{dy}种模式是刮泥桥在沉淀池的进水方向三分之一段来回运行；第二种模式是刮泥桥在沉淀池的进水方向三分 之二段来回运行；第三种模式是刮泥桥在整个沉淀池上来回运行。由于进水方向的泥量较多，越往沉淀池出口方向，泥量越少，这样，在进水方向段，可以使刮泥桥 刮泥的次数增加，在出水方向段，可以减少刮泥次数。即：{dy}种模式运行次数最多，第二种模式运行次数次之，第三种模式运行次数最少。
刮泥机在排水 泵站污水水位过高出现报警时禁止自动开启。
2.3、滤池分站
该分站包含：24组滤池，反冲洗泵房，排水泵房的控制和监测。
? 硬 件：CPU413-2DP、CP443-5、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、ET200M等。
? 监 测范围：滤池水位，滤水阀门的开启度，反冲洗水位，反冲洗压力，反冲洗泵状态，排水水位，排水压力，排水泵及各阀门的状态等。
? 自动控制：
（1） 滤池：按恒水位滤水，当水位高于上限时，调节打开滤水阀门，当水位低于下限时，调节关闭滤水阀门。
(2)反冲洗泵房
①定时反冲洗：根据实际需要设置合适的定时时间，8小时、12小时、24小时……，PLC将根据每组滤池的申请时 间进行排队，PLC将自动关闭滤池进水阀和滤水阀，再打开反冲洗阀和排水阀进行反冲洗，每次反冲洗一组滤池，按照排队顺序依次进行冲洗，先排先冲洗，后排 后冲洗。
②按阀位开启度自动反冲洗：滤池滤水阀门的开启度间接反映了滤池需要反冲洗的要求程度，因为滤池按恒水位过滤，当滤水阀门的开启度越大， 说明滤料越脏，则滤池需要反冲洗的要求越大。我们可以根据实际运行情况，在PLC中设置一定的开启度（如70%），当滤水阀门达到该开启度时，则该组滤池 就提出反冲洗申请，然后进行自动反冲洗。
自动反冲洗在以下情况不允许启动：
反冲洗水位过低时
反冲洗泵、出水阀门以及滤池阀门出现故障
排水泵房污水水位 过高出现报警
排水泵房所有排水泵均出现故障或都不在“自动”位置时
④强制反冲洗：根据现场需要，如果想对任何一组滤池随时进行反冲洗 时，只要在PLC的操作面板或控制室中对该组滤池输入反冲洗的命令，然后PLC将按照操作程序自动进行反冲洗。
(3)排水泵房:根据排水水位控制 排水泵的开停以及运行台数。根据设计和实际运行情况可以设定一个排水泵运行水位范围，在这个范围内分设几台污水泵的开启和停止水位值，PLC通过这些水位 值来自动控制排水泵的运行。
2.4加氯间分站
硬件: CPU314IFM、CP342-5、SM331、SM322、SM321、SM334等。
检测范围：滤后水流量，滤后水余氯值、压力计，氯 瓶重量，泄氯报警及各设备状态等。
自动控制：
（1）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4-20mA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xx的效果。
加氯间装有泄氯报警装置，当泄氯报警探头检测出加氯间的氯气含量超过允许的范围后，将发出声音报警，并将报警信号送 至PLC，由PLC自动启动中和装置，降低加氯间的氯气含量，确保人员安全和降低环境污染。
(3)氯气瓶的切换
加氯间有两组氯气瓶，一用 一备，相互切换，当氯瓶的重量过低时，系统会发出报警，提醒工作人员进行更换，此时该组氯瓶的气压将会降至很低，PLC自动将切换阀开到另外一组氯瓶进行 加氯。
2.5送水泵房分站
该分站负责水泵和阀门的监测和控制，出厂水质和变配电系统等设备的监测，并通过RTU与取水泵房分站进行通讯。
硬 件：CPU413-1、CP443-5、CP441-2、SM422、SM421、SM431、OP37、UR1、PS407、OLM、RTU等。
检 测范围：出厂水瞬时流量，累积流量，余氯，出厂水压力，清水池水位，PH值+温度，交流电压、交流电流、电量等。
自动控制：由“管网压力信号 （由压力传感器所测——控制器——变频器——水泵机组）”构成一个闭环系统。当管网压力低于压力设定值时，PLC将自动调增水泵速度或增加水泵台数，以增 加供水量和压力；当管网压力高于压力设定值时，PLC将自动降低水泵速度或减少水泵台数，以减少供水量和降低压力。
五、 应用体会
水厂自动控制系统的控制难点主要有几点：
1、加药自动控制中，由于流动电流仪（SCD）测量反馈值很不稳定，导致控 制输出不稳定。在实际运行中，只好以源水流量和源水浊度为参数进行开环控制，再根据季节不同设置不同的比例参数，实践证明效果不错。在加药间分站，CPU 与OP37数据交换量比较大，当室温较高时，会经常出现OP37死机，经过采取安装空调降温后，排除了死机故障。
2、送水控制中，测压点的选择要 求也很高，测压点的压力要能反映整个供水管网的整体压力情况，不能只代表局部管网的压力。我们通过总公司GIS系统，经过不断的摸索实践，确定了合适反映 整个供水管网的整体压力情况的压力信号，取得较好的效果。
3、总公司原来采用以RTU的无线调度，但由于RTU维护量较大和每年无线电台频点占用 费较高，影响了取水泵房分站与送水泵房分站的通讯。后通过联通公司CDMA无线业务，建立了GIS系统，很好地解决了这问题。
六、 结束语
西门子公司的S7-400系列PLC功能强大，结构紧凑，编程指令丰富，友好的用户界面，自水厂2000年12月投产试运行以来，自动控制系统运行稳定， 满足设计要求，与传统水厂人工控制相比，大大降低电耗、药耗、氯耗，出厂水质浊度一直控制在0.5NTU以下，得到中外专家的充分肯定和赞许。
