某水处理厂自控系统设计方案.docx

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某水处理厂自控系统设计方案

某污水厂三期自控系统

技术方案

1．概述

杭州市某污水处理厂三期工程自动控制系统的主体设备采用美国罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC控制系统，现场PLC站为双机冗余热备配置，并选用经过特殊的涂覆处理、能抗酸性和腐蚀性的防腐型模块。

ControlLogix系列PLC是一个全开放的过程控制系统，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快，维修成本低，符合真正的工业等级。

某污水厂三期整个自控系统为三级管理，包括中央控制室、分控制站及就地控制。

现场各种数据通过PLC采集，并通过主干网络传送到中央控制室操作站集中监控和管理。

同样，中央控制室主机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。

现场与中央控制室的主干网络为1000M工业以太网，工业以太网采用环网结构，以确保系统的安全性。

另外，现场PLC分控制站与现场远程I/O站之间采用光纤网的形式并以ControlNet工业控制网协议联接。

按照标书要求，某污水厂三期自控系统的现场PLC控制站按工艺区域分成位于进水泵房变电站的LCS1控制站、位于鼓风机变电站的LCS2控制站、位于鼓风机变电站加药间的2#PLC、位于脱水机房变电站的LCS3控制站，其中，LCS2控制站下挂6个远程I/O子站：

位于3个初沉池和生物反应池上的RIO211、RIO212、RIO221、RIO222、RIO231、RIO232；LCS3控制站下挂1个远程I/O子站：

位于加药间的RIO31。

系统共计3个现场PLC控制站、7个远程I/O子站。

控制系统的主要功能是完成整个污水处理工艺的生产过程自动化，包括实时采集生产数据和设备实时运行工况，控制相关的生产环节，及时处理生产过程中的故障，对相关设备进行保护。

中央控制室位于化验控制楼内，它包括2套互为热备的监控操作站、2套数据服务器、1套工程师站、1套大屏系统、相应的外围设备。

监控计算机通过EtherNet/IPt直接连接控制系统，是对现场3个LCS控制站和7个RIO远程I/O子站的集中监控和管理，负责反映实时工况，进行事件及曲线记录，故障报警，下达生产指令，设定工艺参数等等。

信息服务器建有完整的历史数据库，其中1台还提供WEBServer的功能，将有关信息分门别类地提供给全厂各个相关的部门和人员，以供浏览。

总体而言，这一系统的出发点和最终所要达到的目标就是：

现场无人职守，总站少人值班。

2．系统的网络配置

2．1．主干网络和主干网络协议

根据标书要求，本项目选用先进的工业控制以太网和EtherNet/IP以太网工业（应用）协议，工业控制网络的核心技术是控制与信息协议（ControlandInformationProtocol,CIP）。

CIP协议的控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。

信息处理部分用以进行报文信息的交换，如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。

EtherNet/IP在网络应用层中采用了CIP协议，是由国际现场总线组织ODVA和ControlNet+International于2000年初宣布推出的在现有商用以太网基础上开发的开放的工业网络标准。

EtherNet/IP利用了现有成熟的以太网通讯芯片、物理介质和TCP/IP套件，并且在其应用层植入CIP协议，这种商业应用基础与新的网络技术CIP协议的融合，很好地将工业网络的技术优势和以太网应用的广泛性、经济性结合在一起。

EtherNet/IP具有处理大量报文信息能力，1000Mbps的网络速度，每个数据分组可以达到1500个字节，提供了一种大量数据通讯的处理方式。

另外，EtherNet/IP的开放性能将使系统在规模上的扩展和内容上的增加（如在以太网上增加话音、图象等内容的传输）变得极为方便。

EtherNet/IP具有极为突出的网络效率，在同一介质上定义了三种最基本的功能：

2．1．1．实时控制：

基于PLC或者智能型设备中所储存的程序，提供控制的具体操作或者工艺过程中的实时数据交换，通过网络的传输实现控制目的。

这些控制指令的刷新可以预先规划，也可以基于状态变化，或者在每次新一轮操作开始时进行。

2．1．2．网络组态：

允许在某一中心位置集中起动网络或者网络上某一个具体的网络设备，或者起动其他的基于CIP协议的网络（如EtherNet/IP、DeviceNet）。

可以在网络起动时进行网络设备组态，在线修改设备参数，或者通过网络修改PLC程序。

而不必为了完成对PLC的编程从一个网络移动到另外一个网络，或者从一个PLC设备移动到下一个PLC设备。

无需进行任何的逻辑或者梯形图编程，就可以实现沿网络进行路由，而且可以浏览到网络上所有的设备。

借助于CIP协议，可以从一个位置上起动整个的网络系统。

2．1．3．数据采集：

采集人机接口显示所需要的数据。

包括趋势和分析、配方管理、系统维护和故障诊断。

无论是基于既定节拍，还是根据应用需要，都可以非常方便地实现数据采集。

在整个数据采集的过程中都无需PLC参与数据的流量控制。

2．2．主干网络拓扑和主干网络交换机

EtherNet/IP支持包括星形、树型、总线形和环形等各类不同物理结构的网络拓扑，在本项目中，系统的PLC的主干网络为100Mbps全双工交换式光纤环网。

环形结构是目前比较典型的一种工业网络结构，其特点是当线路上有一个断点时，整个网络仍可正常通讯，也就是说这种结构具有线路冗余的性能。

由于EtherNet/IP在底层（ISO定义的OSI参考模型中的第1～4层）采用的是符合IEEE802.3标准的以太网，而IEEE802.3标准实际上是一个总线标准，一般办公用的交换机（或HUB）不支持环形结构，比较高级的办公用交换机可以采用SpanningTree（生成树）算法在两个交换机之间建立两个通道（正常运行时只有一个通道工作），类似于环形结构，但由于生成树算法的限制，当其中一个通道发生故障时，另一个通道一般需要经过30～90秒才能接通，这明显不能满足工业要求，不可以称为容错冗余光纤环网。

本系统配置了德国赫斯曼公司的采用HIPER-Ring冗余概念的工业以太网交换机，不仅完全支持以太网标准，而且可以保证在毫秒级的时间内完成网络的自愈和系统的重新组态。

2．3．LCS控制站与RIO远程站的连接网络和网络协议

根据标书要求，LCS与RIO之间的连接选用先进的ControlNet工业控制网，ControlNet是一种开放的、高速、高吞吐能力的实时工业控制网络，采用了基于“生产者/消费者模式”（producer/consumer）的网络通讯协议。

此外，ControlNet网络同时支持设备组态和数据采集，但是却不会对按计划进行的控制或者输入输出产生影响。

ControlNet保证了整个数据通讯可以依计划进行，不会随着工况的改变使得完成数据通讯的时间产生变化，保证了数据通讯的质量。

ControlNet是特别面向工业控制所设计的网络。

充分考虑了用户在工厂控制级所面临的一些关键问题：

苛刻的工业应用环境，电缆的噪声屏蔽，强壮的协议，不可缺少的灵活性等。

ControlNet特别适合于协调传动控制、批处理和过程控制等应用。

ControlNet网络拓扑支持主干线/分支线结构，物理层支持网络介质冗余结构，提供备用通讯电缆系统，每个节点设备都可以从互为备用的两套通讯电缆系统中选择信号质量较高的链路。

借助于介质冗余，即便是网络链路上某一网段出现故障，网络设备仍然能够保持网络连接，保证数据通讯的正常进行。

ControlNet是确定性的、可重复的网络，网络能够精确地管理控制数据何时能够成功发送。

通过系统组态，网络支持规划报文传送，保证规划报文按照预先要求传送，所花费的时间具有确定性，不随节点变化、拓扑变化、网络通讯量的变化而改变。

由用户来确定网络上的每台设备的数据在什么时间、以什么样的时间间隔进行数据交换。

3．软硬件配置

3．1．硬件配置

3．1．1．PLC部分

PLC部分将选用美国Rockwell自动化公司的ControlLogix系列产品，该系列产品是罗克韦尔自动化公司Logix控制引擎系列中最具代表性的产品。

从外表看起来似乎像一个可编程控制器系统，但是实际上它却远远超越了传统意义上的PLC系统。

ControlLogix体系结构是最新科技的多控制律集成控制平台，是先进的混成控制（HybridControl），可以完成顺序控制、运动控制、传动控制和过程控制。

不同于传统的可编程控制器，ControlLogix系统是完全的模块化设计。

从框架电源、模块类型，到内存、控制器数量、网络类型等，一切都根据应用需求来进行选择。

这种高度的灵活性允许在一个机架中混合使用多个处理器、不同的网络和I/O模块。

其中多个处理器使得一方面能够共享系统资源，另外一方面又能够将应用分割成若干个部分，由不同的处理器协调处理。

ControlLogix另外一个核心特性是集成的网关功能。

系统提供不同最新网络之间的桥接，如Ethernet/IP、ControlNet、DeviceNet等，同时包括过去既有的网络如DataHighwayPlus和通用型UniversalRemoteI/O网络等，系统可以在现有网络或者其它的网络和ControlLogix系统之间透明地发送和接收数据，所有的网络桥接不用处理器参与，无须专门的程序就可以实现，极大地解放了处理器，保证了通讯的性能，而且保证了系统开发的效率和使用的简便性。

ControlLogix体系结构在处理器和高速的背板总线之间提供高性能的数据通讯。

处理器本身的计算能力也达到业界最高水平。

每千字节指令的处理速度仅为80微妙。

由于框架背板基于网络而非总线的连接，每一模块均作为网络节点而存在，可自由的实现带电插拔，在不终止其他模块正常运行的情况下方便了设备的维护和系统的扩展

正是由于ControlLogix系统独特的设计和优异的性能，在1997年底一经发布，就迅速得到工业界的广泛认同，大量应用于汽车、石化、电力、制药、造纸、基础设施等几乎所有的行业中。

3．1．2．PLC的防腐处理和冗余配置

PLC所有模块、槽架、电源均经过特殊的涂覆处理，并符合ANSI/ISA-S71.04-1985“EnvironmentalConditionsforProcessMeasurementandControlSystem:

AirborneContaminates”（“过程测量与控制系统的环境条件：

空气污染”）标准中G3环境级别的使用要求，G3环境级别规定污染空气中的硫化氢浓度小于50ppm，二氧化硫浓度小于300ppm，氯气浓度小于10ppm，因此，满足G3环境级别将可极大地提高系统在难以控制的恶劣环境中的可靠性。

按照标书要求，PLC还采用了CPU和电源热备的冗余方式，下图为满足要求的配置方案：

3．1．3．现场操作终端

现场操作终端是一个位于PLC柜上的可视化操作界面，选用Rockwell自动化公司的配套产品PanelView，现场操作终端通过工业以太网与控制系统的PLC或中控室监控计算机进行数据交换，以图形或文字的方式现场显示实时工况，也可以下达操作指令，是现场操作人员的得力助手。

3．1．4．系统防雷

为了能抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电压能量，在保障供电连续的条件下，保障计算机、PLC控制站及其它主要设备免受过电压的干扰和侵害，使用电设备安全正常地运行，在系统的供电回路中设置电源防雷器。

本系统采用深恩公司高性能电源防雷器。

为防止厂区感应雷袭击，为PLC、仪表4~20MA信号提供信号避雷器，本系统采用深恩公司高性能信号防雷器。

3．1．5．UPS

本系统采用美国EMERSON公司高性能产品，具有高频在线、正弦波输出、输出输入完全隔离、采用专用CPU控制、LCD+LED显示、RS232等接口可与控制系统实现网络连接、开机自检测功能，热备冗余及自动旁路功能。

在主电力供应正常或不正常时能够持续提供超出额定功率至少25%的负载在出现瞬时过电流或过压时能够承受并保护被供电设备

3．2．软件配置

软件方面仍然考虑罗克韦尔公司的相关产品。

其中RSLogix5000和RSNetWorx用于对ControlLogix的网络组态、编程、高级诊断；RSViewStudio用于上位机的人机界面开发；RSViewSEServer和RSViewSEClient组成了C/S结构的人机界面运行平台。

配置的RSSql提供了PLC对其他多种数据库的接口。

3．2．1．PLC编程软件RSLogix5000

RSLogix5000用于5000系列PLC的编程，罗克韦尔公司的编程软件以设计人性化，易用、功能强大著称，RSLogix5000编程软件具有友好的引导性的使用界面、可靠的通讯、高级诊断功能，并具有以下特点：

基于标签的逻辑地址分配方式，抛弃了繁杂的内存地址和数据表管理，用户不必关心数据类型或内存组织形式；

结构化的指令、功能块、设备，不需要为获取设备状态、诊断信息等添加逻辑指令，结构化的定义大大减少程序复杂程度，提高了程序一致性，有利于系统的故障诊断和后期维护；

“智能”的数据类型，数据类型能够智能地与其要求的功能相匹配，数据结构将自动地被建立和定义；

稳定、丰富的指令和功能库。

3．2．2．网络组态软件RSNetWorx™

RSNetWorx是开放网络EtherNet/IP和ControlNet通讯的组态工具，提供实现网络设计、网络设备参数设定、通讯规划、在线监测、故障诊断等功能的友好的操作界面。

通过RSNetWorx组态，可以很好地发挥EtherNet/IP和ControlNet网络的优异性能，实现同一网络的多处理器结构、端到端的互锁、预定和非预定通讯以及共享输入等功能。

RSNetWorx充分利用CIP协议的优点，把过去以处理器为核心的网络组态模式变成了单一界面的软件网络图形设定的方法。

3．2．3．企业级控制数据事务处理软件RSSql

RSSql是基于Windows的工业事务处理系统，提供控制系统和企业级数据库系统之间的双向连接。

RSSql是罗克韦尔软件面向企业级用户的软件套件RSBizware中最基础的一个软件。

在控制系统方面，RSSql提供向RSLinx、RSViewSE、或者其他任何的AdvanceDDE或OPC的服务器相连接。

在企业一侧，RSSqlL可以与微软SQLServer通过OLE-DB、或者与Oracle通过OracleCallableInterface（OCI），或者与任何ODBC兼容的数据库提供连接。

3．2．4．人机接口软件RSViewSE

RSViewSE是Rockwell自动化公司于2003年新推出的以MFC（微软基础级）和DCOM（分布元件对象模式）为基础的新一代基于网络的人机监控软件包，是第一个真正意义上的网络构架MMI产品，提供了以服务器为核心的集成的一体化的监控方案。

RSViewSE是一个强大的管理级的监控软件。

它具有多服务器集群和多客户端的分布式结构，和强大的可伸缩性。

RSViewSE的多服务器多客户端结构可以很容易的建立分布式应用的方案。

这种具有高度伸缩性的结构可以应用在小到一台服务器一个客户端的小系统，也可以应用在多服务器多客户端的大系统上。

由于采用了最新的Rockwel产品的FactoryTalk底层通讯和数据服务架构，RSViewSE可以和众多不同网络中的不同PLC，如ControlLogix和SLC进行通讯。

同样的，还可以利用高性能的网络接口和OPC技术同时挂接众多第三方的PLC和网络进行通讯。

RSViewSE集成Windows安全控制。

可以直接利用再Windows里面存在的用户和用户组。

然后针对不同的用户配置不同的权限。

RSViewSE的Domain域控制技术，提供了网络式信息监视控制的高效方法，数据通过TCP/IP协议传输，实现互连网上的安全通信。

作为完整的Client/Server结构系统，RSView32/RSViewSE软件包括服务器宿主构架和客户端平台，服务器宿主平台和客户端平台，采用同一安装软件的不同网络设定进行安装，体现了系统的整体和方便性。

RSViewSE运行于系统的服务器内，系统所有的开发和运行文件均在服务端系统内，用户可以在各工作站方便地对服务器进行访问，在技术上，RSViewSE不仅支持LAN的访问，还可以进行远程注册登录访问，甚至可以通过Internet网进行远程客户访问。

RSViewSE客户端软件运行于网络上各监控工作站上，RSViewSE使各工作站实施了与服务器相一致的安全机制，调度员在工作站上进入系统操作，同样要进行操作员登录、输入密码等操作。

根据用户的需要，RSViewSE支持将各个工作站配置成诸如：

控制操作端、报警管理端、趋势图显示端等承担不同任务的客户端。

4．系统功能

4．1．PLC控制部分

对控制系统而言，PLC将接收生产设备的手动控制和PLC控制二种运行状态信号，设备运行状态的转换由该设备MCC柜上的转换开关进行切换控制，生产设备在二种不同的运行状态下接收不同的控制信号来源，控制系统亦在生产设备二种不同的运行状态下执行不同模式的监控功能。

本系统的控制按控制级别由高到低为：

现场手动控制、就地检修控制、遥控控制、自动控制。

PLC控制方式：

现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，在此控制方式下，设备的运行取决于PLC的输出控制，PLC将根据有效的输出控制指令执行有关的控制逻辑。

当现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式，PLC将根据现场的实时工况以及事先设定的工艺参数自动对设备的运行作出控制和对被控设备的故障保护。

当现场控制站的“自动/遥控”设定为“遥控”方式，PLC将接受人机操作界面对单台设备点动的运行控制、以及对组合操作设备组点动的一步化控制。

现场手动控制方式：

现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式，在此方式下，PLC退出对设备的控制，但继续保持对设备运行状态的监测、数据采集以及故障报警等工作，操作人员将通过转换开关的控制，进一步确定在设备现场（主要可用于设备调试与检修）或在MCC柜上对设备进行操作。

4．1．1．工况监测

无论设备处于何种控制方式下，自控系统都将对生产过程进行实时监测，有关输入输出信号数据的采集是系统进行自控的前提，也为生产管理提供了最原始的材料。

4．1．2．数据处理

基于工况监测中所得到的实时数据，PLC将进行一些基础性的数据处理，内容包括流量、压力、水位、水质参数和用电数据的平均值计算，最大值，最小值比较；脉冲量的累计转换；设备的运行时间和周期累加等等。

这些基本的数据处理将有利于计算机信息系统进一步工作的展开，而在PLC中进行这些工作也提高了数据的安全性和可靠性。

4．1．3．控制思想

在经过了工况监测和一些基本的数据处理之后，结合事先设定的工艺参数，自控系统将对污水厂生产设备进行符合工艺要求的自动控制。

4．1．3．1．LCS1控制站的自动控制

LCS1控制站的覆盖区域为：

粗格栅、进水泵站、中格栅、旋流沉砂池、细格栅。

粗格栅控制：

两台粗格栅和螺旋输送机、栅渣压榨机各1台为1组，共2组。

正常的除污操作根据时间间隔及持续时间的定时方式来控制，粗格栅的时间间隔及持续时间的设定可在中控室及现场LCS1控制站的操作面板上进行。

时间间隔从0～8小时，持续时间从0～3小时，最初将时间间隔设置为1小时，持续时间设置为1分钟。

粗格栅的前后提供液位差测量，以监测格栅是否堵塞。

如果液位差超过控制器设定的数值，则粗格栅开始连续工作，直到液位差低于预先设定的数值，如果液位差继续增加，触发“持续高液位”警报，并且粗格栅继续工作。

粗格栅的预先设定的高液位差值的设定也可在中控室及现场LCS1控制站的操作面板上进行。

预先设定的液位差的范围采用0.30米。

螺旋输送机、栅渣压榨机与粗格栅联动，同一组内螺旋输送机和栅渣压榨机启动为有任意一台粗格栅运行时就自动运行，两台粗格栅都停止运行时，延时一定时间停止螺旋输送机运行，螺旋输送机停止后再延时一定时间停止栅渣压榨机运行。

延时时间约1分钟。

进水泵房控制：

10台潜污提升泵分为2组联动系统，每组5台潜污提升泵，每台潜污提升泵可分别独立“远程联动”控制，根据水量的大小控制投入联动运行的提升泵的数量。

根据液位控制潜污泵的启停台数，按照环行队列，控制潜污泵的启停，先开先停，以节约能源的损耗，同时可使各泵的运行累计时间相对均衡，合理安排设备的大修。

在提升泵联动状况下，根据相应的超声波液位计控制提升泵的运行，当液位低于最低液位时，关闭所有水泵，液位超过启泵液位时，启动第1台水泵，2分钟后液位继续上涨或液位超过正常液位时，启动第2台水泵，依次类推，直到启动第4台水泵；当液位超过最高液位时，启动第5台水泵，当液位从最高液位回落到正常液位时，停止第5台水泵；当液位回落到停泵液位时，停止第4台，2分钟后液位继续下降，再次停止1台水泵，依次类推，直到保留1台水泵运行；启泵、停泵的顺序为：

启动时，根据前一次水泵停止的时间及水泵的允许启动条件的限制，允许启动的泵谁先停先启动，停止时，根据谁先启动先停。

同时，进行水泵启动条件的设置，每台泵10分钟内不能再次启动，1小时内不能启动6次，但在液位高液位时,启动条件解除，直到液位下降到停泵液位时投入；

所有控制液位均可由中控室及现场LCS1控制站的操作面板进行设置。

中格栅控制：

四台中格栅和螺旋输送机、栅渣压榨机各1台为1组，共2组。

中格栅的控制基本同粗格栅。

沉砂池控制：

沉砂池的搅拌器、涡轮砂泵、砂水分离器联动时，搅拌机自动启动并连续运行，砂泵的操作，根据时间间隔及持续时间的定时法来控制。

砂水分离器的运行与砂泵联动，即同时开，延时关，延时时间为1分钟。

持续时间和间隔时间均可由中控室及现场LCS1控制站的操作面板进行设置。

间隔时间能从0～24小时，持续时间能从0～3小时进行设定。

最初将间隔时间设置为1小时，持续时间设置为10分钟。

细格栅控制：

联动时，8套细格栅总体为一组，根据液位差或时间进行自动联动控制，当联动控制时，细格栅除污机根据格栅前后液位差及时间来控制。

当前后液位差超过上位机可设定的阀值时，格栅进行液位控制，其余时段为由时间控制，运行时间与间隔时间均可由上位机进行设定，格栅液位控制的时序为：

当前后液位差超过上位机可设定的阀值时，格栅机除污机自动启动3秒后，停3秒，二次运行后，如液位降至阀值以下时，自动转为时间控制，如液位仍未降至阀值以下时，细格栅自动转入持续工作状态，直到液位降至阀值以下，停止运行而转入时间控制方式。

格栅液位控制的时序为：

经过可设定的休止时间后，细格栅除污机运行一次，运行时间为3秒钟；细格栅运行两次累计运行两次后或格栅在持续运行时，螺旋输送机和螺旋压榨机自动运行，同时格栅累计运行次数值清零，螺旋输送机和栅渣压榨机运行一段时间后，停止螺旋输送机运行，螺旋输送机停止后再延时一定时间停止栅渣压榨机运行。

冲洗系统根据时间间歇运行，冲洗一定时间后间隔一定时间再进行冲洗，反复进行；

细格栅及冲洗系统运行时间和间隔时间均可由中控室及现场LCS1控制站的操作面板进行设置。

最初将细格栅系统间隔时间设置为1小时，持续时间设置为3秒钟。

冲洗系统间隔时间设置为1小时，持续时间设置为1分钟。

4．1．3．2．LCS2控制站的自动控制

LCS2控制站的覆盖区域为：

鼓风机房、初沉池、生物池。

初沉池控制：

初沉池刮泥机连续运行，当旋转撇渣管采用与刮泥机联动运行方式时，旋转撇渣管开启时间和关闭时间根据中控室及现场LCS2控制站的操作面板的设置运行，一般初次设定每2小时1次，每次开启时间初次设定为3分钟。

当初沉池发生事故或进水变化需超越初沉池时，可通过中控室及现场LCS2控制站的操作面板进