【摘要】本文詳細(xì)地介紹了在某典型水廠工程項(xiàng)目中，應(yīng)用施耐德電氣自動(dòng)化產(chǎn)品對(duì)水廠工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的解決方案。
【ABSTRACT】：This paper introduces the solution in detail that Automation products manufactured by Schneider Electric is used to monitor and control the process devices of a certain typical waterworks.
【關(guān)鍵詞】DCS，PLC，上位機(jī)，以太網(wǎng)，冗余
【KEY WORDS】：DCS，PLC，HMI，ETHERNET，REDUNDANCY
一、概述
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)以及控制技術(shù)日新月異的發(fā)展，控制廠商得以研發(fā)、集成越來(lái)越先進(jìn)的控制系統(tǒng)，為過(guò)程控制提供多種可選擇的解決方案。水處理行業(yè)為了適應(yīng)整個(gè)社會(huì)日益強(qiáng)烈的減員增效、信息化運(yùn)作的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其過(guò)程控制也提出了越來(lái)越高的要求。越來(lái)越多的現(xiàn)代化水處理企業(yè)在采用當(dāng)今最先進(jìn)的水處理工藝設(shè)備的同時(shí)，廣泛采用最先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)如DCS或者PLC以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的有序、高效。
筆者就職的國(guó)電南瑞科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)電南瑞）是一家業(yè)界著名的高科技股份公司，主要從事電網(wǎng)監(jiān)控、電力市場(chǎng)、配電網(wǎng)管理、變電站監(jiān)控、火電廠監(jiān)控、軌道交通控制以及市政環(huán)保監(jiān)控等領(lǐng)域的技術(shù)研究、軟件開發(fā)、設(shè)備制造、系統(tǒng)集成和工程服務(wù)。
本文介紹國(guó)電南瑞應(yīng)用Schneider電氣自動(dòng)化產(chǎn)品為一大型現(xiàn)代化水廠提供的過(guò)程控制解決方案。
二、工藝描述
水廠位于中國(guó)西北地區(qū)一重化工基地，承擔(dān)向整個(gè)重化工基地提供滿足要求的工業(yè)用水和生活用水，設(shè)計(jì)規(guī)模40萬(wàn)m3/d，工藝流程見(jiàn)下圖：
圖1下面介紹水廠主要工藝系統(tǒng)。
1、進(jìn)水泵房進(jìn)水泵房規(guī)模為40萬(wàn)m3/d。通過(guò)軸流泵提升來(lái)自水庫(kù)的原水，當(dāng)水庫(kù)蓄水為正常水位時(shí)，來(lái)水直接通過(guò)進(jìn)水泵房自流進(jìn)入配水井；當(dāng)水庫(kù)蓄水水位較低時(shí)，來(lái)水無(wú)法自流進(jìn)入配水井，此時(shí)需要啟動(dòng)軸流水泵提升來(lái)水進(jìn)入配水井。
2、配水井配水井規(guī)模為40萬(wàn)m3/d。采用溢流堰配水，來(lái)水通過(guò)溢流堰均勻配水后分別輸送到4座沉淀池。為防止水庫(kù)中細(xì)小物質(zhì)、浮游生物等進(jìn)入水廠，配水井中設(shè)有攔污格柵。
3、折板絮凝斜管沉淀池折板絮凝斜管沉淀池2座，每座池規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，每座池又分為獨(dú)立兩組，每組設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d。沉淀池為水廠的核心工藝系統(tǒng)，包含了水廠的核心工藝：混合、絮凝和沉淀。
4、濾池水廠采用V型濾池作為水處理過(guò)程中過(guò)濾核心工藝的生產(chǎn)系統(tǒng)。該工藝系統(tǒng)還包括濾池反沖洗系統(tǒng)。V型濾池每座池設(shè)計(jì)規(guī)模為10.0萬(wàn)m3/d，正常運(yùn)行9.0萬(wàn)m3/d，每座池分為8格，雙排布置。
5、清水池、吸水井、送水泵房清水池2座，單池有效容積為10000m3；吸水井1座，設(shè)計(jì)規(guī)模40萬(wàn)m3/d，分為完全獨(dú)立的兩格，設(shè)手動(dòng)閘板連通，正常運(yùn)行時(shí)各自獨(dú)立運(yùn)行；送水泵房1座，總設(shè)計(jì)規(guī)模40萬(wàn)m3/d，分為2部分，其中沉淀后水送水規(guī)模為22萬(wàn)m3/d，濾后水送水規(guī)模為18萬(wàn)m3/d，泵房均勻供水，兩套系統(tǒng)各設(shè)5臺(tái)臥式離心水泵，4用1備。
6、加藥間、儲(chǔ)液池加藥間、儲(chǔ)藥池為水處理核心工藝絮凝沉淀的加藥而設(shè)置，包括固體藥劑儲(chǔ)藏區(qū)、投配池以及絮凝劑投加系統(tǒng)等。該部分主要工藝設(shè)備包括：原液提升泵、攪拌機(jī)，以及投配池進(jìn)出口閥門和計(jì)量泵等。
7、回收水池回收水池1座，40萬(wàn)ton/d規(guī)模。主要工藝流程為：濾池反沖洗廢水、沉淀池排泥水經(jīng)回收水池處理，上清液采用潛水泵抽送至配水井，與原水充分混合流入混合池后充分利用；回收水池內(nèi)設(shè)有攪拌器以防止污泥沉淀。
三、施耐德解決方案自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案采用施耐德電氣自動(dòng)化產(chǎn)品，包括其高端PLC產(chǎn)品MODICON QUANTUM系列，HMI產(chǎn)品XBT觸摸屏。
根據(jù)水廠的工藝流程，結(jié)合DCS和PLC的工程經(jīng)驗(yàn)，按照功能相對(duì)集中和工藝系統(tǒng)相對(duì)位置靠近的原則，將整個(gè)水廠水處理工藝流程分成四個(gè)相互獨(dú)立的控制站，按照功能分別叫做：進(jìn)水泵房控制站，加氯加藥控制站，濾池控制站，送水泵房控制站。為了提高整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性，四個(gè)控制站PLC系統(tǒng)均采用了QUANTUM熱備配置。
由于施耐德電氣QUANTUM系列產(chǎn)品支持更具開放性的TCP/IP以太網(wǎng)，因此采用100M環(huán)形光纖以太網(wǎng)作為自動(dòng)化系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)出于系統(tǒng)安全可靠性考慮，采用雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖：
圖2對(duì)于加氯加藥控制站和濾池控制站，分別設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制單元，并配置XBT觸摸屏，保證運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)可以實(shí)時(shí)了解各現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的狀態(tài)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制單元跟加氯加藥站和濾池控制站分別進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)各現(xiàn)場(chǎng)控制單元數(shù)據(jù)在自動(dòng)化主干網(wǎng)絡(luò)上的共享。
下面分別對(duì)四個(gè)控制站做詳細(xì)介紹。
1、進(jìn)水泵房控制站進(jìn)水泵房控制站設(shè)在進(jìn)水泵房。該控制站的監(jiān)控范圍包括：進(jìn)水管道閥門、進(jìn)水泵房、配電間等構(gòu)（建）筑物的設(shè)備及儀表。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺(tái)XBT觸摸屏，用于本站自動(dòng)控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機(jī)熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號(hào)為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO84300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。
另外，輔助配套不間斷電源，光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，直流開關(guān)電源、信號(hào)防雷器以及各種隔離器，以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運(yùn)行；
2、 通過(guò)140CPU43412A主控制器模件上的其中一個(gè)MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與低壓系統(tǒng)的多功能數(shù)顯表通訊，監(jiān)視低壓變配電系統(tǒng)的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率等信號(hào)；
3、 通過(guò)熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實(shí)現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機(jī)系統(tǒng)采集；
4、 通過(guò)140CPU43412A主控制器模件上的另一個(gè)MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
2、加氯加藥控制站加氯加藥控制站設(shè)在加藥間，監(jiān)控范圍包括：加藥間、加氯間、回收水池、配水井、沉淀池等，其中在沉淀池上設(shè)4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元站，各現(xiàn)場(chǎng)控制單元與加氯加藥控制站之間通過(guò)MODBUS PLUS通訊連接。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺(tái)XBT觸摸屏，用于本站自動(dòng)控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機(jī)熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號(hào)為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO35300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制單元，采用具有更高性價(jià)比的QUANTUM 140CPU11302模件作為主控制器模件。
另外，輔助配套愛(ài)默生不間斷電源、光纖雙環(huán)網(wǎng)通訊的赫斯曼工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、直流開關(guān)電源、變頻器、信號(hào)防雷器以及各種隔離器，以保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠工作。
該控制站完成如下控制功能：
1、 監(jiān)視該部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運(yùn)行；
2、 通過(guò)熱備系統(tǒng)的以太網(wǎng)模件140NOE77100模件，實(shí)現(xiàn)該部分PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)該部分?jǐn)?shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上共享，供上位機(jī)系統(tǒng)采集；
3、 通過(guò)140CPU43412A主控制器模件上的其中一個(gè)MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
4、 通過(guò)140CPU43412A主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)控制單元主控制器模件140CPU11302通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
現(xiàn)場(chǎng)控制單元完成如下功能：
1、 監(jiān)視沉淀池部分工藝系統(tǒng)，控制其按照工藝要求正常運(yùn)行；
2、 通過(guò)140CPU11302主控制器模件上的MODBUS口，采用MODBUS協(xié)議與XBT觸摸屏通訊，在觸摸屏上顯示該部分系統(tǒng)的生產(chǎn)信息；
3、 通過(guò)140CPU11302主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS協(xié)議與加氯加藥控制站主控制器模件140CPU43412A通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制單元數(shù)據(jù)在光纖環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)共享。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
3、濾池控制站濾池控制站設(shè)在鼓風(fēng)機(jī)房及反沖洗泵房，監(jiān)控范圍包括：鼓風(fēng)機(jī)房及反沖洗泵房、濾池等構(gòu)（建）筑物的設(shè)備及儀表，其中在16個(gè)單格濾池上共設(shè)16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元站，各現(xiàn)場(chǎng)控制單元與濾池控制站之間通過(guò)MODBUS PLUS通訊連接。
該控制站的主要設(shè)備包括一臺(tái)XBT觸摸屏，用于本站自動(dòng)控制、工藝參數(shù)采集和網(wǎng)絡(luò)連接的雙機(jī)熱備冗余PLC系統(tǒng)，包括CPU模件、電源模件、DI、DO、AI、AO模件和各種網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器等。其中，XBT觸摸屏的型號(hào)為：XBTG5330；熱備冗余的PLC系統(tǒng)包括：140CPS11420電源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100遠(yuǎn)程IO處理器模件，140NOE77100以太網(wǎng)模件以及140CHS21000熱備套件；遠(yuǎn)程IO站包括：140CPS11420電源模件，140CRA93100遠(yuǎn)程IO適配器模件，140DDI35300數(shù)字量輸入模件，140DDO35300數(shù)字量輸出模件，140ACI03000模擬量輸入模件，140ACO02000模擬量輸出模件。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)控制單元，采用具有更高性價(jià)比的QUANTUM 140CPU11302模件作為主控制器模件。
另外，輔助配套愛(ài)默生不間斷電
