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1、SCADA自动化系统设计方案 重庆捷路科技有限公司摘要：基于SCADA系统应用提出了一些建议，主要包含水厂自动化控制、管网监测、数据集中分析等几个关键要素，其中水厂自动化控制和数据集中分析作为典型例子进行了详细的论述，希望本文能对其它自来水公司SCADA系统建设有所帮助。关键词：水厂自动化控制系统 管网数据监测 SCADASCADA自动化系统前言 第一章 水厂自动化控制系统；1.1河流型水厂采用工艺流程；1.2水厂的控制要求；1.3水厂的系统需求；1.4自动化控制系统的设计；1.5对药剂的制备与投加的控制；1.6滤池自动控制系统；1.7恒压供水系统；1.7水厂中控室上位监控系统；第二章 供水管

2、网监测管理；第三章 总调度室SCADA系统；前言n 随着科学技术的发展和社会的进步，我国各大城市的自来水厂正逐步向“安全供水、科学管理、优质服务”的方向发展。因此如何提高供水质量、达到节能降耗、实现高效管理，是当前自来水厂所面临的首要问题。另外，提高自动化、信息化水平对自来水厂来说也越来越重要。n随着自动化控制技术的迅猛发展，自来水厂纷纷建立起SCADA系统来实现水厂从取水到制水、配水的全过程监控，供水系统自动化控制技术在分散控制、集中管理系统上日益成熟。水厂自动化改造将成为必然趋势。本方案的目的是从设计、实施到后期维护进行统一规划，为用户提供一个具有先进技术的、易于开发维护且易于扩展及分步实

3、施的解决方案。第一章 水厂自动化控制系统 水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直到九十年代，随着可编程序控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方便以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为：由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可

4、以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破，取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由功能划分改为以距离划分，可在中控室内监视水厂运行的全过程。1.1 河流型水厂采用工艺流程：主要分为以下几个工艺过程如图1所示：药剂的制备和投加取水混凝平流沉淀过滤清水池二级泵房前加氯混凝剂原水供水管网滤后加氯图1 *水厂工艺流程图1.2 水厂的控制要求：（1）出厂水浊度小于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保证水质水量的同时，要求低药耗、低氯耗和低电耗；（2）滤池要求采用恒水位运行，水位偏差不能大于2.5cm，要能根据水头损失

5、或运行周期自动进行反冲洗，且同一时间内只能有一个进行反冲洗；（1）取水：将江河水抽入净水厂；（2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的；（3）混凝：包括混合与絮凝，即江河水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥；（4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥；（5）过滤：沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂；（6）送水：通过多台离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网；1.集中监控、分散控制自来水厂的监控系统通常分为控制层及管理层两层结构。控制层完成具体的

6、取水、混凝、沉淀、过滤、送水等环节的测控；管理层主要负责状态监控、数据采集、故障报警处理等工作。控制层的各工艺环节位置分散，位于中控室的控制中心将进行统一监控，因此自来水厂具有集中监控、分散控制的特点。基于该特点，自来水厂往往在控制环节少配或不配工作人员，仅在中控室配备有经验的工作人员，目标是实现“无人或少人值守”。这对SCADA系统的性能要求很高的，采集、分析、控制若不够快速或者数据传输不够安全，控制中心的作用便会大打折扣，就会造成工艺流程执行的错误，严重的还会影响供水及水质。因此，高效的性能是集中监控的关键。2.高集成性自来水厂通常在控制中心实现统一的状态监控、数据采集、故障报警，为便于控

7、制中心了解所有有价值的数据，它会要求将所有的信息及数据集成到控制中心，如，测点数据、报警状态、历史数据、视频信息等。控制中心需通过一整套完整的平台体系实现所有信息的观察及联动。这对SCADA系统的集成性是一个很大的考验。3.管理及调度除了完成正常的制水、配水工作外，自来水厂作为一个企业，同样具有成本管理、资源调配的要求。这要求计算机监控系统除了对各工艺环节有控制功能外，还需要考虑如何控制最节约成本，对资源的浪费最小。为了实现这些上层的管理及调度功能，需要SCADA系统能够汇总大量的过程数据，针对这些数据结合优化算法实现专业的分析，最终做出指导性的决策。1.3水厂的系统需求：1.4 自动化控制系

8、统的设计 由于自来水生产工艺主要具有以下特点：（1）各生产工艺段相对独立，单体设备多。（2）采集的数据量大，整个系统共有数字量输入、输出超过3000路，模拟量输入、输出超过1000路，且工艺参数种类多，包括压力、流量、温度、差压、液位、电流、电压、功率等，但上下游相关联的生产参数少。（3）自来水生产具有连续性、不可替代性和不间断性。（4）各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。根据以上特点，本系统选用法国施耐德的中小型莫迪康M340 PLC对各工艺段生产设备分散控制，利用目前世界上最流行的GPRS和TCP/IP组成网络，在各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进

9、行后续处理。通过PLC采集水厂现场设备及仪表数据，将数据上传到中控室；通过中控室上位机将数据信息通过以太网传送到自来水总调度室，并且总调度室上位机可实时在线显示水生产数据、控制水厂机械设备(启/停)或调节水压等；凡是水厂中控室有的数据或功能，在总调度室均能实现操作；而且配有操作权限的高低和操作的冗余，避免操作出错。全厂控制网络如下图示。RTURTU管网压力流量管网压力流量阀门开度阀门开度1.5 对药剂的制备与投加的控制1.5.1 自动加药控制：水厂在保证出厂水质的条件下降低药耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加药自动化控制，至今尚无行之有效的方法。经过多年运行的经验，*水厂已得出了一系

10、列适合自身加药控制重要参数，其中流量比例可作为加药控制的主要参考依据，基本可以达到在保证水质的同时降低药耗的目的。Primus227Primus227系列系列 机械隔膜计量泵机械隔膜计量泵1.5.2 自动加氯控制：利用液氯杀菌是目前生产自来水的主要消毒手段。在工艺设计上，一般设前加氯（原水）和滤后加氯（滤池出水）两处加氯点。目前的加氯量控制方法：前加氯通常采用流量比例控制加氯量；滤后加氯采用流量比例、余氯反馈“复合环路”控制加氯量；滤后加氯是自来水消毒处理的主要环节，但由于在水中投加氯后，需要在清水池内至少有30分钟以上的接触时间，才能达到比较好的杀菌效果，也是一个滞后控制。为了解决滞后控制问

11、题，将滤后加氯检测取样点移到清水池前，一般距加氯点10D（D为管径）。DEPOLOX 3 plus 余氯分析仪gs1401加氯机1.6 滤池自动控制系统：滤池是水厂关键的组成部分，也是控制最集中的地方。为了保证水厂净水工艺这一关键部位能正常运行，局部出现故障后不会因为某个阀门的损坏而影响整个滤池的自动运行及调节，我们在滤池上设置了多个PLC，每两格滤池由一个PLC控制。这样，某一部位的阀门等设备出现故障后，只会影响一个PLC，仅会使两格滤池退出自动运行状态，等待维修，而其余大部分滤格仍可正常自动运行。1720D低量程浊度控制仪1.7恒压供水系统：恒压供水系统原理如图7所示，它主要是由PLC、变

12、频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及6台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准

13、的闭环控制系统。同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#、5#、6#。PID压力传感给定压力变频器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC控制器I/OI/O变频/工频备用选择液位变换钟控允许自动/手动TC时间控制器报警液位电极池底下限复位供水管网1#泵1#电机2#泵3#泵4#泵5#泵6#泵2#电机3#电机4#电机5#电机6

14、#电机图7 恒压供水系统原理图1.7.1 工作原理 （1）运行方式 该系统有手动和自动两种运行方式：A、手动运行。按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-6#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。B、自动运行。合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。（2）故障处理 A、故障报

15、警。当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。B、水泵检修。为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次96小时每

16、次连续可调。1.7.2 PLC控制系统 该系统采用的是施耐德可编程序控制器modicon系列，I/O点数为60点，PLC编程采用unity pro v5.0，它是modicon PLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，能实现梯形图与语句表的相互转换,并且支持多语言编程方式。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。系统选用ABB风机水泵专用型变频器图9 泵组切换示意图M1M1M2M2M2M3M3M4M3M4M5M4M5M5

17、M6M6M6M1M6M1M2M1M2M3M2M3M4M3M4M5M4M5M6M5M6M1M5M6M1M2M6M1M2M3M1M2M3M4M4M5M6MIM3M4M5M6M2M3M4M51#泵启动：2#泵启动：3#泵启动：4#泵启动：5#泵启动：6#泵启动：图例：N台泵运行切换到N-1台泵运行N台泵运行切换到N+1台泵运行M4M44#泵变频运行4#泵工频运行 泵组的切换示意图如图9示。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变

18、频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，如水压仍不满足，则依次启动4#、5#、6#泵，具体泵的切换过程与上述类同。同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器

19、频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短

20、时缺水现象，提高了供水品质。要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：A、变频转工频开关切换时间TMC 设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。B、上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，

21、管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。1.7.3 恒压供水系统效果分析 在供水系统中采用ABB风机水泵专用型变频器调速运行，质量稳定可靠，经久耐用，有效保护电机使用寿命，正常使用情况下ABB变频器有效寿命可达15年以上。系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；同时针对所用四台泵均已使用多年、需要定期进行检修的实际情况，增加了

22、硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质；变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。1.8 水厂中控室上位监控系统 在自来水厂，通过PLC将水厂各动力设备于监测仪表数据采集，并上传到中控室进行设备控制。上位监控系统主要包含的功能有：自动控制、手动远控、设备操作记录、动态显示、报警记录、故障记录、实时报表、实时曲线、历史报表、历史曲线等；表格与曲线包含：时间、日期、设备代号、设备地点、操作人名称、（报警原因、恢复时间、恢复方式）等记录。注：下图中风扇转动者为机组开机，红灯亮

23、者为机组待机，供水厂厂内各种实时测量数据浏览设计效果（局部）第二章 供水管网监测管理 供水管网通过RTU实时掌握各段管道流量和压力、阀门开度、设备温度、湿度、电池电压、移动信号强弱度等数据，且具有定时自动上传数据、数据补传等功能。通过RTU实时反馈的数据，对数据进行内部处理、校准数据差，并将各数据显示在相对应的供水管道模拟图上；对管网压力值变化较大的数据，实行变化值没到定时反馈时间时也要及时反馈当前波动值，并记录在对应数据库里。管网数据设定一个超高和超低报警值，把RTU采集回来的数据和设定报警值进行比较，如果超出设定范围则立刻在报警窗口进行显示和发出报警提示音，并记录在历史报警表里；报警显示表

24、包括：报警时间、报警地点、报警内容、报警原因、处理报警时间、处理报警人、备注（方法）等；这样有利于其它操作人员的查看报警和即时寻找到处理报警的方法，对问题的原因进行分析，避免再次出现同类似的事件发生；从根本上提高生产效益、管理效益。现场连接图420mA420mA/开关量输入、输出RS485-MODBUS压力变送器电磁流量计电动阀门等站1站n站XGPRS无线网络TCP/IP网络运营商第三章 总调度室SCADA系统 自来水公司总调度室包括整个自来水生产与管理系统。主要包括：各分水厂生产控制与数据的收集与管理，现场仪表所包含的实时记录与历史记录的收集与管理；管网监测数据的收集与管理；用户用水量的反馈

25、与水厂出水量或区域管道流量的数据比较和分析等。全面掌握生产数据与使用数据，方便应对突发性事件查寻事故根源；将历史数据的生产量与实际用水量进行比较，方便查询是否具有管道漏水发生，（如果管网测量数据够大）更能方便及时查找漏水源点，节约大量测量时间；管道测压能实现高效节能的供水效果，更能应对爆管或大量漏水事件及时查源及抢修。打开地图共享GIS系统数据，如下图，在城市地图上显示当前水压设计效果（局部）通过选择测点组名称来选择要比较的测点组，下图为水压测点组当前水压显示设计效果 在主控台上同时显示所有测点当前测量周期实际测量水压值和管网测流点实时测量流量。水压正常的测点用蓝色背景。水压高于控制上限的测点

26、用黄色背景。水压低于控制下限的测点用红色背景。下图为管网水压实时测量值显示设计效果。测压点当前测量周期实际测量RTU电池电压浏览在主控台上点击【测点电压】菜单显示数据。无需授权权限。在主控台上同时显示所有测点当前测量周期实际测量电压值。电压正常的测点用蓝色背景。电压低于控制下限的测点用红色背景。下图为 RTU工作电压实时测量值显示设计效果 测压点当前测量周期实际测量RTU芯片温度浏览在主控台上点击【测点温度】菜单显示数据。无需授权权限。在主控台上同时显示所有测点当前测量周期实际测量RTU芯片的温度值。温度正常的测点用蓝色背景。温度高于设定上限温度的测点用红色背景。下图为测点RTU芯片温度超限报

27、告设计效果 水压突变报警事件一览表通过【水压突变报警一览表】菜单打开专用窗口。无需授权权限。列表显示所有的报警事件的所有数据（报警记录表的所有字段）。记录默认按报警界面打开时刻降序排列，最后一次报警的记录在最上面。可选择“按报警时刻”、“受理人员+按报警时刻”两种排序方法。如下图：水压突变报警记录浏览设计效果（局部）测点组压力比较曲线 测点组（每组最多可包含5个测点）历史压力比较折线图，用折线图形式比较同组各个测点的历史测量值。例如把玉林市东南西北中五个测点设为一个组，把五个测点的压力值放在同一个坐标系中进行比较。供调度员从宏观角度了解测点组各个成员所在地历史压力的相对高低。用颜色区分测点组成

28、员，并用图列说明那种颜色代表那个测点组成员。设计有由鼠标拖动的水平标线，移动标线能显示标线与曲线交点的水压值。如下图：测点组水压历史数据展现设计效果（局部）上图：某测点水压月同比设计效果（局部）上图：某测点水压日同比设计效果（局部）上图：某测点水压日同比设计效果（局部）上图：出厂流量月同比设计效果（局部）上图：清水池日动态水位曲线设计效果（局部）上图：余氯日动态曲线设计效果（局部）上图：浊度日动态曲线设计效果（局部）上图：PH值日动态曲线设计效果（局部）注：清水池进出水量之差决定清水池水位。在不超过水处理能力的前提下及时调度清水池进水量，使清水池保持高水位（低于溢流高度）运行是水厂节约用电的有

29、效方法。举例的水厂水池溢流高度5.9米，从图上看到：8-14和18-22点供水量大的时候清水池水位偏低，浪费了节电的机会，存在水位调节节电的空间，这与本功能的计算结果相符。上图：水池水位控制节电空间评估功能设计效果 注：举例的城市供水压力目标0.3Mpa，从图上看到：8-14和18-22点供水量大的时候水压偏高，存在水压调节节电的空间，这与本功能的计算结果相符。（上图）水压控制节电空间评估功能设计效果注：通过月份24小时水压管理评估可以评价某月供水调度的合理性和科学性。从上图可以看到0-6时供水压力偏高，此期间用水量极小（参看图53），无需保持与白天相同的水压。同时看到全月压力陡坡林立，说明水压经常大幅度波动，对管网冲击大，容易诱发爆管、加大漏损。需要采取削峰填谷措施（例如采用变频启动水泵）。（上图）月份24小时水压管理效果评估设计效果。