水厂自控制系统.docx

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水厂自控制系统

农村饮用水自控项目

技术解决方案

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1.0.0

河南碧波源电子科技有限公司

2017年9月

1.概述

村镇集中供水厂自动化控制系统由值班室计算机监控系统、水源井测控系统、二氧化氯消毒系统、二次变频恒压供水系统、水质在线监测系统、视频监控系统六部分组成。

值班室计算机监控中心是整个供水系统的监测和控制中心，可以对整个供水过程进行全方位监控和调度。

水源井测控系统实现取水潜水泵的开停控制，井下水位的监测，井泵电压、电流的采集，并通过无线或有线方式与值班室计算机监控中心进行通讯。

二氧化氯消毒系统主要实现二氧化氯的生成和投加，并能依据供水出口的余氯数据自动调节投加量。

二次变频恒压供水系统以变频方式实现二次恒压供水，根据反馈的压力数据自动完成加压泵的工频、变频、停止控制。

水质在线监测系统主要实现对PH值、余氯、浊度、电导率等水质参数的监测。

视频监控系统实现对重要区域的实时监控，可以控制云台的转动和镜头的变焦，并能对图像进行存储和处理。

2.系统功能

通讯功能：

系统支持有线（RS485、电话拨号、双绞线以太网）和无线（230M无线、GPRS无线、微波）多种通讯方式，能用多种手段将水源取水系统、管网测压系统、大用户测流系统和水厂本地系统与值班室计算机监控中心建立通讯。

监测功能：

值班室能实时监测水源井的动静水位，井泵的电压、电流、开停状态，加压泵的电压、电流、开停状态，清水池水位，出厂水压力、余氯、流量、PH值等数据。

控制功能：

可通过值班室计算机控制水源井泵和加压泵的启停，也可控制二次变频恒压供水系统的启停及管网运行压力。

变频恒压供水：

将管网出口压力与设定压力进行PID运算，通过PID运算结果来调节变频器的输出频率，以此实现对管网出口压力的调节。

软启控制：

对加压泵、井泵实现降压启动，以减小对电网的冲击、干扰，延长泵和电机的使用寿命，保证整个供水系统安全运行。

水质在线监测：

可通过值班室计算机实时观察和记录出厂水余氯、浊度、PH等水质数据。

消毒处理：

通过投加二氧化氯，对出厂水进行消毒处理，使水质达到饮用水标准。

视频监视：

对水厂厂区重要区域进行监控，实时直观的观察供水设备现场运行情况，保障安全供水。

必要时还可以翻看历史影像信息，为寻找事故原因提供重要手段。

井房防盗：

有人闯入井房内，或突然掉电，系统将及时向值班室发送报警信息，提醒用户某井房有异常情况。

报警功能：

对异常数据和异常事件进行记录和报警，如：

水位越限、压力越限等。

数据存储：

对系统采集到的所有数据进行保存，保存时间大于10年。

数据显示：

对采集到的各种数据，按要求以不同的形式进行显示，显示方式为画面、表格、图像等不同形式，并可用颜色和符号表明数据性质。

报表打印：

对采集到的数据，按照用户要求的报表格式生成报表。

3.系统设计原则

3.1.高可靠性

选用国际上可靠性商品化、符合工业级标准的成熟定型产品，如测量点RTU，通讯选用目前使用中认为质量、通讯速度和效果、功能等最好的GPRS模块。

无论从设备选型、系统设计、施工质量上，还是售后服务上我们都力求是本工程为免维护和少维护系统。

3.2.先进性

首先，我们从设备选型上，选用成熟且先进的产品，设备制造商有一定规模，如计算机选择业界公认的研华工业计算机，组态软件选择已经经过多年用户考验过的调度软件，不但组态全面丰富、配置灵活、报表功能强大，还支持各种数据库、通讯方式、网络查询等；

其次，我们从设计上采用目前国内（国际）上认为最先进、最好的手段和方法，如支持多种通讯的组网方法、软件多种安全防护、组态功能画面、优化调度等等。

我们保证系统采用国际上先进且成熟的技术，系统设计上考虑前瞻性。

3.3.开放性

本系统设计为开放式结构。

首先硬件上选用国际国内规模很大的厂商，具有良好的扩展性，将来如有功能变化，无论是增加功能，还是改变功能都很容易实现。

3.4.实用性

生动、丰富的组态画面和图像控制技术，显示直观、名了，方便；事件（如报警，超界、断电等）发生时，系统立即弹出报警窗口，并有提示或声光报警。

内嵌通用的标准通信软件，如网络通讯、串口通讯（如MODBUS）等；

3.5.规范化

系统全部采用并执行了国际保准、国家保准和相应的规范。

如：

现场检测控制柜采用IEC439《低压开关设备和控制设备组件》和GS7251.1-1997《低压开关成套设备》；压力等传感器的外壳防护执行IEC529《外壳防护等级》等等。

3.6.网络化

系统网络组成机构采用目前广泛应用的无线网、局域网和互联网等成熟可靠的计算机网络技术。

所有网络设备均采用国内外知名品牌，如GPRS模块选用目前使用中认为质量、通讯效果、通讯速度、功能等做好的产品。

3.7.可维护性

上位机系统选择开放的操作系统（Windows2000Server版），数据库选用SQLServer和应用组态软件，RTU采用通用芯片和嵌入式计算机系统及通用编程方法，一般技术人员通过培训或自学都可以掌握，大大增加了系统的可维护性、可扩展性、易用性等。

3.8.可扩展性

扩展时对现行的设备及软件重新设置的要求做小；扩展或修改时不降低系统的可靠性、可用性及安全性。

系统的扩展性分硬件和软件，一般来说软硬件的可扩展性，取决于所选的设备、系统结构设计、软件水平。

3.8.1.系统硬件的可扩展性

硬件设备包括RTU及仪表等设备，都必须要求具有可扩展，硬件设备不需要修改、增加扩展模块或很少修改、增加扩展模块，就能适应重设、功能变换等要求。

对于RTU,我们预留30-50%以上的采集端口，将来现场采集量有变化或增加时，无需变动RTU硬件，只需修改上位机组态的配置即可，如检压终端，我们除了能后采集压力、流量、水位等模拟量和防盗、报警等开关量的采集等。

把目前能想到的都考虑到，并预留，大大地增加了硬件的扩展性。

3.8.2.系统软件的可扩展性

软件的可扩展性比硬件更难，要充分考虑将来可能会遇到的各种情况，预留接口或模块形式，同时要考虑一旦预留接口或模块被使用或修改，不能影响整个系统及其应用。

对于调度中心的上位机组态软件，我们采用经过多年使用、完善的具有网络检查和标准浏览器形式的自来水调度组态软件，用户可以进行简单二次开发、报表制定、参数配置等用户化，更能适应和贴切具体用户的实际应用，具有极强的可扩展性。

软件系统都有多极权限和独立的安全模块。

特别值得提出的是RTU,其软件可扩展性一般不容易做到，我们采用和硬件预留点结合，全部编程，无需修改和增加投资，用户自己都可以实现其扩展功能。

3.8.3.支持多种通讯方式

系统能采用各种通讯媒介和方式（包括RS485、超短波、扩频微波、PSDN、GPRS、CDMA、光纤、局域网和公用数据网）。

目前我们的调度软件，已经具备多种通讯功能。

网络版就基于局域网、互联网的结构，通讯方式支持有线（超短波、扩频微波、GPRS、CDMAX、无线网桥等），而且可以多种通讯方式混用，例如网络查询采用局域网或互联网，远程测压点、大户计量等采用电台通讯，电台通讯受限制（飞机场、军事基地附近）的可用GPRS、CDMAX或PSDN，需要实时视频图像监控的重要地点可用光纤或无线网桥，水厂内部可以采用工业现场总线等等，这些通讯可以在同一个系统内同时使用。

4.设备组成

4.1.值班室计算机监控中心

值班室监控中心是指挥整个供水系统有序、高效运行的职能部门，了解现场运行数据、设备运行状态，对他们至关重要。

主要有以下设备组成：

调度操作计算机：

视频监控计算机：

打印机：

大尺寸液晶显示屏：

UPS电源：

4.2.厂区深井监控站

实现的功能：

a）采集水井的动静水位；

b）采集水泵电机相关的电量参数（三相电压、三相电流、电度）;

c）泵的运行、停止指示；

d）控制水泵的启动和停止；

e）实现水泵工频软启动；

需要的设备：

深井水位计：

测量井下水位深度，输出4~20mA信号连接到井房监控终端的模拟量接口上。

三相电能表：

测量泵运行时三相电压、三相电流、电量数据，输出RS485信号连接到井房监控终端上。

控制柜：

控制水泵的开启或停止，有本地、远程两种控制方式，同时还可进行过载、断相保护；远程控制功能有遥信、遥控信号连接到井房监控终端的相应接口。

工频软启动柜：

具有控制柜的所有功能，同时还实现了水泵的软启动。

井房监控终端：

采集与之相连的仪表数据，计算处理后通过远程信道将数据传输到水厂监控中心；接收水厂监控中心通过远程信道发来的控制指令，并转化成控制信号。

以下对井房监控终端、工频软启动柜、控制柜进行重点论述。

4.2.1.井房监控终端

资源配置：

1.模拟输入：

用于水位、压力、瞬时流量等传感信号检测，4～20mA/0~5V,4路

2.控制输出：

控制水泵开停，AC220V，5A，4路

3.遥信输入：

用于检测控制柜工作状态，8路

4.RS485接口：

用于抄读电表、电子流量计等设备数据，2路

5.掉电检测：

检测AC380V三相四线电源是否断相、掉电，1路

6.防盗输入：

可接红外微波双鉴报警器、报警开关、门磁，2路

7.后备电池：

主电源掉电后供电10min

8.远程通讯方式：

电台、电话拨号、GPRS、CDMA、TCP/IP、光纤可选

终端外观：

4.2.2.工频软启动柜

电气图：

水泵工频软启动控制系统图

水泵共计1台，系统控制原则：

1.三相电流单独指示

2.三相电压由转换开关选择指示

3.对电机进行热过载保护

4.使用软起动器平滑启动电机，减小对电网的冲击，节省变压器所需容量

5.水泵监控终端完成对水泵的远程测控（RTU）功能

4.2.3.水泵控制柜

电气图：

水泵直接启动控制系统图

水泵共计1台，系统控制原则：

1.三相电流单独指示

2.三相电压由转换开关选择指示

3.对电机进行热过载保护

4.或水泵监控终端完成对水泵的远程测控（RTU）功能

4.3.水厂监控站

现场情况

水源进入水厂后，经过加氯、加药、沉淀、过滤等工艺处理后，再经加压泵送入到管网。

水处理工艺依据不同水源而改变，如：

井水水源加氯后就可直接送入管网；地表水则需要复杂的处理工艺。

水厂自控系统主要实现对重要生产工艺参数的采集与监视，对加氯、加药、过滤、加压泵等设备的远程启停控制，及部分设备的闭环控制。

实现的功能：

遥测数据

采集清水池水位、余氯、PH值、出厂水压力、流量等数据；

采集配电三相电压、电流、电量数据；

采集加压泵运行三相电压、电流数据；

遥信遥控

远程手动控制加压泵的启停，及相应阀门的开闭；

实现自动闭环横压供水控制；

在手动状态下实现加压泵的工频软启动；

视频监控

实现对清水池、加氯间、低压配电间等重要位置的视频监控；

需要的设备：

水位计：

测量清水池水位深度，输出4~20mA信号连接到监控终端的模拟量接口上。

压力变送器：

测量管网出口压力，输出4~20mA信号连接到监控终端的模拟量接口上。

流量计：

测量管网出口瞬时水量和累计水量，输出RS485信号连接到监控终端上。

三相电能表：

测量三相配电及泵运行时三相电压、三相电流、电量数据，输出RS485信号连接到监控终端上。

余氯仪：

测量出厂水余氯含量，通过485线连接到监控终端的接口上。

PH仪：

测量水酸碱度，通过485线连接到监控终端的接口上。

工频软启动柜：

实现水泵的软启动过程，控制水泵的开启或停止，有本地、远程两种控制方式，同时还可进行过载、断相保护；远程控制功能有遥信、遥控信号连接到监控终端的相应接口。

变频调速柜：

实现水泵的软启动过程，控制水泵的开启或停止，有本地、远程两种控制方式，同时还可进行过载、断相保护；远程控制功能有遥信、遥控信号连接到监控终端的相应接口。

PLC控制器：

采集与之相连的仪表数据，计算处理后通过本地信道将数据传输到水厂监控中心；接收水厂监控中心发来的控制指令，并转化成控制信号；实现加压泵的闭环变频控制。

监控软件：

见软件系统功能。

闭环控制主要实现以下功能：

●三台二级加压泵，配置变频器及软启动器各一台，正常供水时使用变频器，变频器一拖三运行，当变频器出现问题时使用软启动器，软启动器一拖三运行，保证安全供水。

●水泵与出口电/手动阀门联动，保证系统安全运行。

●应用PLC进行智能程序控制，控制柜中PLC根据管网出口压力值与设定值进行比较，完成PID运算，实现恒压供水。

变频器先启动1#泵变频运行，当出口压力<实际压力时，变频器提高转速加大泵供水能力，保持出口压力不变，当1#泵达到满负荷，系统检测2-3分钟，还达不到出口设定压力值时，自动把1#泵投到工频，进行工频运行，然后自动启动2#泵作变频运行，如压力还不能满足供水压力，系统检测2-3分钟，系统把2#泵投到工频，启动3#泵作变频运行……；当PLC检测出口压力>设定值时，系统检测2-3分钟，系统根据先起先停的原则，把1#泵停下，以此类推，把2#泵停下，3#泵变频运行维持压力恒定……，泵投切无需值班人员干预。

当变频设备故障时，可方便的对水泵进行手动控制。

●晚间用水量小时，可采用一台小泵供水，减少用电量。

●使用变频及软起动器可减少水泵及机械设备冲击，延长水泵的寿命，减少水泵及管道维护量。

●加压泵与清水池水位联锁，当水位低于设定的下限时停泵，避免泵在无水时空转。

控制柜安装在线压力、水位显示控制仪表。

4.3.1.变频调速柜

主控制电气图：

水泵变频控制系统图

4.4.视频监控

每个需监视场所为一个监控点，配置一台一体化日夜两用型摄像机，可以通过变焦（值班室为广角镜头）调节画面，对任意局部进行放大，便于仔细观察。

配置一台网络视频服务器，完成数据编码、传送。

另外需配置相应的解码器、摄像机防护罩、支架等。

结构图如下：

视频监控目标

◆系统能自动地通过摄像机进行摄录，进行无终止监视。

系统平时的工作方式为各摄像机循环扫描全面监控，监控人员可以任意放大观看任意摄像机的画面。

每天不同的时段、星期几、每月的几日到几日，可以有不同的设置参数，即系统可以按时间划分不同的工作模式。

◆通过调整摄像机，可以清楚地看到视场中的情况，分辨出进出物体。

◆录入的图像数字化压缩存贮在计算机硬盘里，压缩比可用软件进行调整。

存贮的图像文件自动循环删除，硬盘中图像文件保留的时间取决于：

硬盘空间大小、图像分辨率、图像压缩比、扫描切换时间等，系统可以日复一日，年复一年地无休止工作。

还可以根据用户需要，加大硬盘以扩展存储周期，或增加其他外存设备。

◆系统可以随时方便、即时地检索、回放记录存贮的图像，如可按时间、地点（镜头）或图像文件进行检索和回放。

回放图像稳定、清晰，可反复读写，不存在传统监控系统中所存在的录像带的信号衰减和磨损问题。

◆系统利用计算机强大的图像处理功能，可对采集的图像进行处理，包括画面修改、编辑、调节、放大、缩小以及打印等等；也可以将图像保存为通用数据文件格式，用其他专业图像处理软件进行处理。

◆全数字智能监控系统有安全密码，没有权限的人员将不能对监控系统进行查询、设置系统、删除文件等操作。

系统一旦遇到意外断电时，可以自动恢复工作。

◆系统可以与其他计算机联网。

◆计算机可以同时存储并显示来自1-16个摄像机所捕获的全部动态画面。

◆该系统克服传统系统的不足，具有良好的人机界面，使操作更加简单易学，更加直观，日常维护更加容易。

系统设置简单直观，可以根据时间、日期及报警输入等的具体要求，对每一个摄像机的记录情况进行设定。

5.软件功能

5.1.通信功能

系统通过有线和无线通信方式，水厂中控室与监控站之间采用RS485工业现场总线。

中控室与深井监控站、用户流量监测站及管网末端监测站之间采用GPRS/230M无线通讯方式。

5.2.数据管理功能

5.2.1.数据存档功能

中控室对采集到的水厂、各压力、泵站监测点的各种数据，按照类型、名称、属性、时序等特征分类，建立各种必须的数据库。

这些数据库是开放性的平台，支持大多数的软件系统，例如：

GIS系统、管网模型系统、调度支持决策系统等，并具有良好的与各种硬件的兼容性能。

5.2.2.数据显示功能

数据显示功能是调度中心站对采集到的各种数据，按要求以不同的形式进行显示，显示方式为画面、表格、图像等不同形式，并可用颜色和符号表明数据性质。

如各种动态的组态画面、报表、曲线、图标等。

5.2.3.数据处理功能

数据处理功能是调度系统对存放在数据库中的数据，进行最大值、最小值、平均值、前差值、积累值、和其它各种特殊的运算处理、统计分析。

经过处理的数据给据需要，生成各类报表、趋势曲线、使用图表，包括即时报表、班报、月报、年报、各类趋势曲线、棒状图等等。

这些报表、曲线、图表可根据需要随时打印成操作日志。

5.3.报表生成和打印功能

调度系统的软件具备报表自动生成和用户定制功能，即操作人员利用系统提供的使用程序，以及WINDOWSEXCEL,通过简单的人机对话，就可以完成报表的制作工作，并具有定时打印和是随时打印的功能。

5.4.检测和报警功能

5.4.1.检测功能

在调度系统的显示屏上以组态画面、报表、图像的形式动态显示调度系统的参数。

显示屏幕上可以显示当前检测数据，亦可查询方式显示历史数据（趋势曲线）。

显示画面，可以通过不同数据量定义不同颜色或数据量值不同定义不同颜色，例如越界数据和报警定义红色、正常数据定义绿色，管线水流定义淡蓝色等等。

通过颜色变化、百分比、色标填充等手段增强了画面的可视性和用户的个性化。

5.4.2.检测画面

检测画面包括水厂、各综合检测点、生活管网检测点的相关参数图、管网运行状态图、报警画面、各类参数趋势图、棒状图等。

调度系统在显示屏上的监视画面上，还可以通过转换设备将所有画面传送到DLP、投影屏和电子屏上等其它大屏幕设备上显示。

5.4.3.报警功能

当故障、报警、越界发生时，系统自动发出警报，弹出报警画面，并通过声光方式通知值班人员。

报警画面不但显示故障点和故障类型，而且还可以按照报警等级做出相关反应，记录故障的信息。

报警信息一般要进行手动确认，超过时间未进行确认，则自动通过短信方式将报警信心传送到相关责任人及部门负责人的手机上。

报警画面与其它显示画面相比，具有更高的优先级。

5.5.事件处理功能

5.5.1.事件提示

当报警、越界、故障等事件发生时，在调度系统的屏幕上（无论当前正在显示何种画面），立即弹出报警窗口，显示事件发生的信息。

5.5.2.事件确认

当操作员观察到是事件发生信息时，可以打开事件确认画面，按动确认钮，确认已经知道了事件的发生。

若超过时间未进行确认，则自动通过短信方式将事件信息传送到相关责任人及部门负责人的手机上。

5.5.3.事件登录

当事件发生时，将所有的事件按事件顺序排列，都一一记入不可修改的“事件登记薄”，即报警日志。

5.5.4.事件打印

系统上可以设置专用的事件打印机，当事件发生时将事件发生的时间，事件说明在事件打印机上打印出来。

5.5.5.事件检索

通过事件检索画面，操作人员可以对已经发生上的事件进行检索、查询和并在打印机上打印出书面文档。

5.6.系统用户安全性设置

系统应设置不同的操作使用权限（如：

系统管理员、中心操作员、监控站操作员、网络查询和浏览者）及相应的用户登录及注销界面。

操作员交接班必须进行就用户注销及新用户登录操作并保持数据接受及传送的连续性。

主控中心应能确认、设置各监控站的操作员工号。

5.7.系统调度指令功能

系统应能利用本网络和设备对水厂、加压站监控终端实现调度指令的发布、回执，并能显示、存储、查询、浏览、打印指令信息（如：

时间、工号、指令信息、执行时间等）。

指令信息特别时控制指令具有更高的优先级，系统能够通过设置指令属性表区分不同的级别，并且用户可按操作权限自主增减指令信息。

5.8.部分功能截图