濟(jì)南華通中控科技有限公司
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系統(tǒng)簡介
該系統(tǒng)適用于供水企業(yè)遠(yuǎn)程控制管理水廠，水廠操作人員可以在水廠控制室遠(yuǎn)程監(jiān)測廠內(nèi)水池水位、進(jìn)場流量、出廠流量、出廠壓力、水質(zhì)等信息；遠(yuǎn)程監(jiān)測加壓泵組、配電設(shè)備及其他自動化設(shè)備的工作情況；可以遠(yuǎn)程控制加壓泵的啟停。自來水公司調(diào)度中心工作人員及公司主管領(lǐng)導(dǎo)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測各水廠的工作情況及水廠操作人員的操作情況。
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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī) 3 聯(lián)想商用
交換機(jī) 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(yùn)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(jī) 2
交換機(jī) 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(jī)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
水廠自動化和信息化系統(tǒng)的總體設(shè)計方案
一. 設(shè)計原則
水廠的計算機(jī)自控系統(tǒng)采用計算機(jī)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(qiáng)，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(jī)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)行狀態(tài)實時傳送至上位機(jī)。
*接收0.4KV進(jìn)線柜網(wǎng)絡(luò)電力儀表及電動機(jī)柜軟啟動器、變頻器送來的各種信號并上送至上位機(jī)。
*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(jī)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(yùn)行。
*通過接口監(jiān)控脫水機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行，出廠水質(zhì)、水壓、水量符合指標(biāo)，設(shè)備正常運(yùn)行。
（2）PLC系統(tǒng)、計算機(jī)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(jī)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(jī)接口畫面響應(yīng)時間：
主機(jī)的聯(lián)機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)以雙冗余模式運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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。
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