小型水厂净化水处理DCS控制系统设计.docx

小型水厂净化水处理DCS控制系统设计.docx

《小型水厂净化水处理DCS控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型水厂净化水处理DCS控制系统设计.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

小型水厂净化水处理DCS控制系统设计

小型水厂净化水处理DCS控制系统设计

作者：

刘汗青指导老师：

申红军

摘要：

随着科技的发展，供水企业需要建立一套全集成的、开放的供水信息综合自动化的平台。

现结合实际详细分析净化水厂DCS综合管理系统。

文章主要任务是设计一套符合污水处理工艺要求、采用DCS技术、SiemensS7-200和组态软件‘组态王6.53’实现监控功能的PLC控制系统。

此系统不仅能降低能耗、节约成本、减少维修维护工作强度、提高管理水平、确保供水质量，还能推进我国给水工艺的发展，对减小与先进水平的差距都具有现实意义。

关键词：

DCS系统；水厂；网络

SmallwaterpurificationandwatertreatmentdesignofDCScontrolsystem

Authors:

LiuHanqingInstructstheteacher:

ShenHongjun

Abstract:

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,watersupplyenterprisesneedtoestablishafullyintegrated,openwaterinformationintegratedautomationplatform.IsactualadetailedanalysisofDCSintegratedmanagementsystemforwaterpurification.Thearticleismainthetaskistodesignasettoconformtothesewagetreatmentprocess,usingthetechnologyofDCS,SiemensS7-200andconfigurationsoftware'Kingview6.53'realizethemonitoringfunctionofPLCcontrolsystem.Thissystemnotonlycanreduceenergyconsumption,costsavings,reducemaintenanceandrepairworkintensity,improvethelevelofmanagement,ensurethequalityofwatersupply,butalsotoadvanceourcountrywatersupplytechnologydevelopment,toreducethedifferencewithadvancedlevelhastherealmeaning.

Keywords:

DCSsystem;waterworks;network

1绪论

水与人的生活息息相关，特别在现代社会生活及生产中人们对水的需求量与日俱增。

然而，水资源是有限的。

据报道我国人均拥有淡水量为2400吨，为世界平均值的1/4，在全球149个国家（参与统计国家中），我国人均淡水资源位居110位，属于淡水资源贫乏的国家。

而且我国水资源时空分布极不均衡，全国500多个城市缺水，其中多个严重缺水，北方地区缺水现象尤其严重，人均拥有淡水量仅有240吨。

令人担忧的是淡水总量日益减少，用水成本不断升高，淡水的浪费非常严重。

我国北方地区水资源的超采，己形成漏斗地势、水位下降、湖泊干涸、河水断流、生态恶化。

淡水资源的短缺己经成为我国急需解决的问题。

1.1课题的背景

未来10年，中国工业污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其中工业污水处理设备投入约300亿元。

采用先进、实用的技术改造传统工艺，在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术，是推动环保产业升级，实现环保发展战略的重要环节。

在这种形势下工业污水处理自动化控制系统无疑是一个具有巨大的社会效益、环境效益及经济效益的研究课题。

对于环境保护问题，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标。

其中处理过的污水还可以循环再利用，由于我国是一个水资源匮乏的国家，而且时空分布上极不均匀，许多地区和城市严重缺水。

所以水资源也是一种保护。

因此，从环保、注水等多方面的因素考虑，对于工业污水处理非常有必要。

因此，有效的结合目前最新的工艺状况、计量自控检测仪表使用、PLC控制系统技术，将为当前工业污水处理控制系统提供有效的自控方法。

1.2研究目的和意义

世界任何国家的经济发展，都会推进社会进步、促进工农业生产能力，使人民生活得到进一步改善，但是也随之带来不同程度的环境污染，污水也是造成环境污染的来源之一。

这个污染源的出现引起了世界各国政府的关注，治理水污染环境的课题被列入世界环保组织的工作日程。

我国是一个严重缺水的国家，虽然我国年平均水资源总最为28000亿m2，居世界第6位，人均水资源量为2220m2，居世界第110位，已经被联合国列为世界上13个缺水国家之一。

目前我国约300个城市缺水，其中严重缺水城市有50个。

据中国经济信息网分析统计，全国按目前正常需要，年缺水总里约为300亿～400亿立方米，因缺水造成的经济损失每年达2300亿。

超过洪涝灾害。

水资沟的匮乏和水资源的污染，己经严重的影响了人民的日常生活，严重的影响了我国的经济建设和发展。

因此建设符合我国国情的污水厂自动控制系统对降低工业污水处理成本、改善环境、建立可持续发展社会和和谐社会、保持我国经济高速发展具有重要意义。

2自来水厂净化水处理自动控制

2.1控制系统的选择

在自控系统的设计上，一般水厂选择了集散型控制系统（DCS：

DistributedControlSystem），是由于以下一些原因：

（1）现代化的生产工艺系统日趋大型化，复杂化，需要检测和控制的参数大量增加，使得传统的仪表控制系统显得难以胜任，势必得另辟蹊径。

（2）传统的仪表控制系统通常使用多个生产厂家提供的产品，使得工艺生产所需的备品备件品种繁多，为此而化费大量人力物力。

（3）数字电路技术的迅猛发展，尤其是大规模集成电路技术的应用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在过程控制中大量使用微处理器在成本上成为可能。

（4）自动化控制理论的发展，特别是连续系统离散化理论，采样理论，这些理论大大地推进了过程控制从传统的仪表控制系统向DCS系统变革的进程。

2.2控制系统的结构

系统以微处理器为基础，集中型控制系统的主控机通过管路和线路与现场一次仪表和执行机构连接，它的全部监测和控制任务，都是由一台主控机完成的。

这样考虑主要是看它的优，即投人少、操作方便。

但随着系统规模更大，一次仪表的执行结构的数量增加，电缆、电线数量增多，也会暴露出一些缺点，即可靠性差、系统扩展不灵活。

水厂的DCS系统可分三层来描述。

第一层为现场设备层，第二层是网络链路层，第三层是管理控制层。

各部分不管哪一级出现故障，影响的仅限于它本身，不会影响其它部分的正常工作。

第一层：

现场设备层，由取水泵站、一期滤池、二期滤池、西区滤池、加药问、出水泵站和污水泵站各PLC子站和现场监测仪表构成。

第二层：

网络链路层，第二层包括现场PLC和现场计算机、管理机之间的高速以太网和NP-WAY网络。

正常睛况用以太网通讯，一旦出现一种通讯故障，整个水厂仍然可以保持运行，各生产点上的现场计算机与现场PLC可用Ethernet协议通信，各生产点上的操作者可操作现场计算机来控制现场PLC。

各点的生产信息通过PLC的串行连接网络（NP-WAY）传递到中控室模拟屏。

第二层的通讯连接主要采用了基于光纤的以太网，这样可以避免电信号的干扰，增强工业环境下的可靠性。

另一种采用了基于同轴电缆的Ethernet网络。

第三层：

管理控制层，第三层作为人机交互界面，包含生产数据的收集，命令的发送，事件的记录以及实时和历史曲线的记录。

这一层设备由中控室PLC6和两台互为热备用的管理机WSG1和WSG2组成。

一但WSG1出现故障，WSG2将提供第三层的功能，整个水厂自动运行不受影响。

3净化水处理的工艺流程

3.1主要设计参数

（1）进水阀门井：

两趟管路进水，阀门井两座，单座尺寸3.25m×3.25m×2.9m。

（2）进水控制井：

一座，尺寸：

12.2×8.4×11.0m。

（3）管道混合器：

规格DN600，不锈钢材质，过水流速1.0m/s,水头损失不大于0.5m。

（4）加药间：

加药装置投加量7mg/l，污泥加药系统投加量5mg/l；尺寸：

20.85×12.84×8.25m。

（5）网格絮凝池：

设计水量4375m3/h，分为两组，每组5.25万m3/d，每组分2座絮凝池；网格絮凝池每个阶段的设计上升流速为0.12m/s、0.09m/s、0.06m/s，絮凝时间为31.8分钟。

（6）斜板沉淀池：

设计水量4375m3/h，分为两组，每组5.25万m3/d，每组分2座沉淀池；斜板沉淀池的设计表面负荷为9m3/m2.h，沉淀时间为34min。

（7）D型滤池：

滤池分组：

共12池，24格，每格宽B=2.0m，长L=6.0m，每池单独反冲。

每池有效过滤面积为：

24m2，设计滤速：

17m/h。

水冲洗气强度：

q水=6L/s.m2，t=4min；气冲冲洗强度：

q气=30L/s.m2，t=4-6min；气水冲洗，t=8-10min；水冲洗气强度：

q水=6L/s.m2，t=2min。

图3-1水工艺处理图

3.2水厂监控中心

水厂监控中心包括：

服务器、供水调度工作站、企管工作站、打印机、集线器、网关、电台、UPS电源等几个部分。

其系统结构如图1所示。

这里存在一个实时数据库，存储水厂分控中心通过Ethernet连线和网关采集的水厂监控分站的数据，或是通过无线电台采集进出水和管网监控站的数据。

这些数据将通过服务器被企管]作站和供水调度工作站所分享，同时通过通讯媒体以联网的方式上传给水司控制中心。

图3-2监控中心网络图

3.3负荷情况

主要用电设备为反冲洗水泵3台，2用1备，单台容量为18.5KM；反冲洗风机3台，2用1备，单台功率为45KW；加药间搅拌机7套，单台功率4KW；计量泵9套，单台功率0.37KW6套，单台功率0.25KW3套；污泥调节池搅拌机4套，单台功率4KW，提升泵4套，单台功率5.5KW，上清液回流泵4套，单台功率11KW；螺旋泵3套，单台功率4.0KW；排水提升泵3台，单台功率1.5KW；其余为电动阀门120KW。

3.4水厂净化水流程

（1）沉淀处理

混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个过程在沉淀池中进行。

水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。

水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。

（2）过滤处理 

过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。

（3）滤后消毒处理 

水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。

消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。

虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。

消毒的加氯量（液氯）在1.0-2.5g/m3之间。

主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。

消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。

4设计方案

4.1程序设计前的准备工作

程序设计前的准备工作大致可分为三个方面：

（1）了解系统概况，形成整体概念。

这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明书来了解控制系统的全部功能，控制规模，控制方式，输入和输出信号的种类和数量，是否有特殊功能接口，与其它设备的关系、通信内容与方式等。

没有对整个控制系统的全面了解，就不能对各种控制设备之间的关联有真正的理解，编出的程序拿到现场去运行，肯定是问题百出，不能使用。

（2）熟悉被控制对象，编出高质量的程序。

这一步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。

可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或按控制区域进行划分。

确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、相互间的关系并预见以后可能出现的问题，使程序设计有的放矢。

（3）充分利用硬件和软件工具。

如果是得用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。

4.2系统的控制流程图

（1）送水泵位于整个自来水厂工艺管线的最末端。

由于工艺的需要。

送水泵往往位于送水泵房底部，水泵、阀门的控制元件通常分布在就地按钮箱和水泵房配电柜内。

且就地按钮箱和配电柜都能对水泵、阀门的状态进行掌握并进行控制。

在某些规模较大的水厂。

甚至需要在中央控制室对水泵、阀门的情况进行全面的掌握和控制。

这就要求，送水泵、阀的控制系统能接受来自上级系统或控制中心的信号。

并能将本系统的工作情况（运行数据、故障数据等）向上级系统或控制中心进行反馈。

（2）系统应具有远程自动、就地自动、就地手动控制三种[作模式。

以适应不同的工作要求。

（3）能根据工艺的要求对水泵、阀门的开关进行控制，控制过程如下：

开机过程：

当系统接收到“开机”信号后，系统首先根据清水池液位信号判断清水池是否为低液位，如果液位低则终止开机过程，输出故障警示；在清水池液位满足开机要求的情况下判断继续判断阀门状态。

在阀门关阀到位的状态下。

首先开启所控制水泵。

当水泵运行并监测到相关出水管压力达到一定值后。

才开启阀门，直到阀门开到位，才完成开机操作。

进入正常运行状态。

并且在开关阀门和水泵最初运行的增压过程中。

均设置延时。

当延时完成阀门仍没有开到位、关到位或出水管压力仍不能正常形成的情况下均输出相应的故障代码并报警。

另外。

阀门过力矩信号也可以在阀门开启和关闭过程中紧急中止开关阀过程并报警。

开机流程详见图4-1。

图4-1泵、阀联动开机流程示意图

关机过程：

系统在正常运行过程中。

在接受到“关机”信号后。

先执行关阀操作。

当阀门关到位后才停止水泵运行。

完成关机操作。

系统进入待机状态关阀过程中的故障同样可以终止关机进程。

输出报警信号。

关机流程详见图4-2。

图4-2泵、阀联动关机流程示意图

4.3控制系统的工艺要求

针对水泵阀门控制现场条件复杂。

输入输出均采用控制继电器进行中间隔离。

既解决了现场对输入输出的干扰。

又消除了现场恶劣条件等情况对PLC输入输出接1：

3的损坏特别在输出部分选用自带LED指示灯型的产品。

便于现场的调试和维护。

另外，在PLC的输入、输出和供电回路上均加入一监视电源电压的PLC输出加载功能电路。

时刻监控系统供电情况当系统电源输出欠电压和断电等异常情况时。

系统禁止PLC的输出并输出故障信号。

避免系统非正常运行。

且当此类故障发生时。

PLC将处于待命状态。

只有接收到人手动加载的控制信号后系统才恢复运行并进行系统控制。

系统开关量输入DC1：

自动模式。

软启动完毕，出水压力达标，阀门全开，阀门全关。

阀门过力矩，开／关机，软启动器故障，低水压，输出加载。

系统开关量输出RELAY1：

软启动开。

软启动关，开阀，关阀，系统故障，系统运行。

散热风扇运行，远程加载。

另外，为保证CPU在电压突变（电涌）时不被损坏。

设置一隔离变压器。

并在隔离变压器输入端设置电涌保护器。

以保护系统不被突发电流冲击所损坏。

同时。

考虑到水厂供水泵房就地环境比较恶劣，且控制系统多处于无人职守状态，在机箱内部设置一散热风机。

对机箱内部进行强制通风散热。

保证系统的正常运行。

在PLC控制程序的编制方面。

系统程序依照基本的工艺要求编制而成。

虽然控制程序使用的是PLC的一些常用的输入输出、位操作、计数器、定时器、跳转、子程序等基本指令。

但其结合电气控制部件所产生的效果是以往单纯采用传统电气元件所构成的控制回路所无法比拟的。

通过控制程序的设计，我们可以轻易根据工艺要求调整控制功能。

并通过对各种故障的判断和操作来使控制系统具有一定的“智能”。

从而将PLC的智能化控制较好的发挥出来。

特别是对于各种故障的判断和处理。

更能显示出PLC控制的优点，比如：

（1）在开机的关阀过程中，阀门一旦出现过力矩，则立刻停止关阀动作．输出系统故障信号。

（2）系统发出水泵启动信号的同时．系统就开始计时．当计时达到预设值而水压还未建立时．则停止水泵并输出故障信号。

（3）当水压建立后系统进行开阀过程中一旦开阀过力矩．则立刻执行关阀子流程，当阀门关到位后再停泵，输出故障信号。

（4）待机时若清水池液位低，则禁止系统开机。

（5）正常供水过程中若清水池出现液位低信号，则进行停泵、关阀程序，并输出故障信号；当清水池低液位信号消除一段时间后．系统恢复进入待机状态．允许进行开机操作。

（6）在系统程序关键位置设置标记．并将这些标记通过PLC输出点显示出来．便于维修人员在系统故障发生时迅速查找故障源。

（7）在系统故障时（低水位除外），系统将“自锁”，不能执行开机操作。

只有在手动方式下，阀门关到位后或PLC复位后．系统才能解除“自锁”状态。

4.4程序设计原理图

供水系统由主供水回路、备用回路、一个清水池及泵房组成。

其中，泵房装有1#-3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。

为防止系统给变频器反送电，造成变频器损坏，KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6必须进行机械互锁。

本系统的泵机部分原理如图4-3所示。

图4-3泵机部分原理图

4.5系统控制的工艺要求

（1）供水压力要求恒定，波动值一定要小，尤其在换泵时。

（2）三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则。

（3）为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。

当时间到时，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死。

（4）要有完善的保护和报警功能。

（5）为了检修和应急要设有手动功能。

（6）需具有水池防抽空功能。

4.6PLC选型

根据系统在提高供水质量和节能方面的要求和功能，本系统采用以西门子s7-200的CPU224和变频器为中心组成的恒压供水控制系统。

本系统由西门子S7-200的CPU224,ABBACS400系列7.5KW变频器和具有压力显示的PID调节器组成。

利用变频器的两个可编程继电器输出端口RO1和RO2进行功能设定。

当变频器达到最高频率时，RO1的常开触点R01B-RO1C闭合；当变频器达到最低频率时，RO2的常开触点R02B-RO2C闭合；可以此作为CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。

为了节省成本，不采用西门子的EM235拓展模块，而采用具有模拟量输入输出的PID调节器，将压力传感器的信号（4-20mA或0-5V）送给调节器，调节器再将模拟量输出给变频器进行频率调节。

系统控制框图如图4-4所示。

图4-4系统控制框图

本系统占用PLC的4个输入点，9个输出点，具体的I/O分配表见表4-1。

表4-1I/O分配

输入

功能

输出

功能

I0.0

变频器高频到达RO1

Q0.0

KM1（1#电机接变频器）

I0.1

变频器低频到达RO2

Q0.1

KM2（1#电机接工频电源）

I0.3

启动

Q0,2

KM3（2#电机接变频器）

Q0.3

KM4（2#电机接工频电源）

Q0.4

KM5（3#电机接变频器）

Q0.5

KM6（3#电机接工频电源）

I0.7

水池水位下限信号

Q0.7

DCOM1-DI1

Q1.0

DCOM1-DI2

4.7电气控制系统原理图

（1）主电路图

电气控制系统主回路如图4-5所示。

图中，M1，M2，M3为三台电机，交流接触器KM1-KM6控制三台电机的运行，KH1，KH2，KH3为电机M1，M2，M3过载保护用的热继电器，QF1,QF2,QF3，QF4，QF5分别为主电路、变频器和三台泵的工频运行空气开关。

图4-5电气控制系统主回路

（2）PLC的接线图

本系统的接线图如图4-6所示。

CPU224的传感器电源24V（DC）可以输出600mA电流，通过核算在本系统中容量满足需求，CPU224的输出继电器触点容量为2A，电压范围为5-30V（DC）或5-250V（AC），如果用在较大容量的系统中，一定要注意PLC的输出保护。

101-106接控制电路图中的虚线框内相对应的控制线，201接变频器的DCOM1，202-203接变频器的DI1-DI2，变频器的RO1的常开点接到PLC的I0.0，RO2的常开触点接到PLC的I0.1，如图4-6所示。

图4-6接线图

（3）控制电路图

本系统的电气控制线路如图4-7所示。

图中SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动中间继电器，打在1位置为手动状态，打在2位置为自动状态，同时KA吸合。

在手动状态，可以按动SB1-SB6控制三台泵的起停。

在自动状态时，系统根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。

HL1-HL8为各种运行指示灯。

中间继电器KA的常开触点接I0.3，控制自动状态时启动。

中间继电器KA的三个常闭触点接在三台泵的手动控制电路上，控制三台泵的手动运行。

在自动状态时，三台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。

KH1，KH2，KH3为三台泵的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。

图4-7系统电气控制电路图

4.8系统程序设计

本系统运行的关键就是PLC程序的合理性、可行性问题。

本系统控制梯形图程序如图4-8所示，现说明如下：

系统程序包括主程序和启动子程序，主程序内包括参与调解程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。

启动子程序实际上是清零程序，在PLC上电时，先将VD200，VD201，VD260赋值为零，作为中继的M复位。

在主程序中T56，T57为变频器频率上、下限到达滤波时间继电器，主要用于稳定系统。

VB200为变频泵的泵号，VB201为工频运行泵的总台数，VD260为倒时间存储器。

（a）主程序

（b）子程序

图4-8系统控制梯形图程序

4.9系统仿真

本文所使用的仿真软件是英文版S7-200PLC仿真软件（Version2.0），原版为西班牙语

使用方法：

1.本软件无需安装，解压缩后双击S7_200.exe即可使用；

2.仿真前先用STEP7-MicroWIN编写程序，编写完成后在菜单栏“文件”里点击“导出”，弹出一个“导出程序块”的对话框，选择存储路径，填写文件名，保存类型的扩展名为awl，之后点保存；

3.打开仿真软件，输入密码“6596”，双击PLC面板选择CPU型号，点击菜单栏的“程序”，点“装载程序”，在弹出的对话框中选择要装载的程序部分和STEP7-MicroWIN的版本号，一般情况下选“全部”就行了，之后“确定”，找到awl文件的路径“打开”导出的程序，在弹出的对话框点击“确定”，再点那个绿色的三角运行按钮让PLC进入运行状态，点击下面那一排输入的小开关给PLC输入信号就可以进行仿真了。

图4-9主程序仿真截图

图4-10子程序仿真截图

5监控系统的设计

5.1组态王6.53简介

组态软件是指在软件领域内，操作人员根据应用对象及控制任务的要求，配置（包括对象的定义、制作和编辑，对