论水厂自控系统的选型和解决方案

论水厂自控系统的选型和解决方案

摘要：笔者介绍了水厂自控系统的典型架构，并结合株洲四水厂实例，给出了几种基于PLC的自控系统解决方案和水厂自控系统的选型建议，以供参考。

关键词：水厂；自控系统；DCS；PLC；解决方案

对于水行业自控系统的选型，国际上以爱默生和ABB为代表的DCS厂商在欧美发达国家推广基于DCS的水厂自控系统，取得了良好的应用效果。国内水处理行业的自控系统的应用相对起步较晚，近几年才开始进行大规模的自控改造，在选型方面使用较多的是西门子、施耐德、罗克韦尔这几家的PLC。随着水行业生产过程的节能降耗、优化控制和管控一体化的需求，近年也开始逐渐使用DCS系统。

1 水厂自控系统结构介绍

1.1 净水厂自控系统网络

净水厂的生产工艺一直在不断改进，目前已经有部分净水厂增加深度净化处理单元以获得高品质的直接饮用水。以常规处理工艺为例，介绍净水厂的自控系统，具体见图1。

图1采取常规工艺的净水厂自控系统结构

净水厂自控系统由光纤环网构成主干网，连接工程师站、操作员站和各个现场控制站。现场站主要包括取水泵房、加药间、滤池、沉淀池、二级泵房等；滤池主站通过总线方式连接8～16个现场滤格控制单元。沉淀池上有桁车，为移动单元，一般通过无线方式连接到沉淀池的主站。

如株洲第四水厂自动化控制系统选用法国TE公司PLC网络控制系统，采用集散控制模式，全厂设中控室及取水泵房、加矾加氯、回收泵房与反应沉淀池、V型滤池和送水泵房等五个PLC子站，考虑到系统尽可能分散的原则，在滤池单池设有PLC控制台。各PLC站均由一块电源模块，一块CPU模块，一块通讯模块以及若干块输入输出（I/O）模块组成。关于I/O模块的数量确定，首先绘制全厂的PID图，统计出各PLC站实际所需I/O点数，在考虑各PLC站适量的I/O点预留后，确定I/O模块数量。各PLC站之间以FIPWAY通讯连络，各PLC站与中控室之间采用ETHERWAY通讯连络。

1.2 污水厂自控系统网络

目前国内大中型城市污水处理厂经常采用传统活性污泥法、A2/O、SBR、氧化沟等工艺。以株洲某污水处理厂为例，介绍污水处理过程中自控系统结构，具体见图2。

图2污水处理厂的自控系统网络结构

整个自控系统由5个现场控制站和中央监控室组成，通过光纤环网连接在一起；每个现场站都配置触摸屏，供现场操作使用。

①1#站设置在鼓风机房(1#变配电间)，主要负责进水、细格栅、鼓风机等工段以及与电力监控系统通讯。

②2#站设置在排污泵房(2#变配电问)，主要负责出水、污泥回流、排污泵房等工段以及与紫外线消毒、污泥压滤机等设备通讯，同时接收变电所的电量信号。

③3#现场控制站设置在污泥脱水机房，主要负责与污泥脱水和加药系统进行通讯，以及相关的辅助设备控制。

④4#现场控制站设置在中控室，主要负责采集氧化沟的水质分析参数，对氧化沟进行生物工艺智能优化控制。

⑤5#现场控制站设置在污泥堆肥控制室，主要负责污泥堆肥系统。

2 水厂自控系统解决方案

2.1 净水厂自控系统解决方案

自来水厂自控系统的配置一般在进水泵房、加药间、滤池、沉淀池和二级泵房设置5个现场控制站；中控室配置4台上位机，各现场站配置触摸屏供现场操作。

在使用PLC的解决方案中，一般选用3～4个系列的控制器。其中进水泵房、加药间、沉淀池和二级泵房控制规模居中，一般选用中档控制器即可；滤池站是整个自控系统的核心站，一般选用高档控制器；各滤池子站以及沉淀池上移动的桁车控制站的控制点数都较少，选用低端控制器。依据PLCI/O模块，所有涉及PLC自控的设备，均可通过在机旁控制箱手/自动转换开关、在PLC站操

作面板XBT上Local/Remote设置来实现机旁控制箱、PLC站XBT、中控室监控计算机三地控制。软件配置：PLC编程软件、中控室上位软件、触摸屏组态软件3种。

在使用DCS系统的解决方案中，硬件和软件是一体化设计。一般选用同一平台的硬件构建整个自控系统；通过网关，以通讯方式将第三方系统接入到DCS系统。选用同一个软件平台完成DCS系统的软件编程、控制逻辑图形化组态、操作员站和现场触摸屏的监视与操作。

2.2 污水厂自控系统解决方案

污水厂的控制点相对较少，各站点的控制要求基本相当。例如，株洲某污水厂的自控系统配置有1台工程师站、2台操作员站、4个现场站、4个现场触摸屏。PLC解决方案一般选用相同类型的中档控制器，也有少数项目会在控制点数较多的站配置高档的控制器，例如西门子的S7-412；配置PLC编程软件。中控室上位软件、触摸屏组态软件；DCS解决方案选用热备冗余控制器。

3 DCS与PLC解决方案比较

对比上述PLC与DCS解决方案，从硬件和软件两方面可以看出，DCS方案的整体性较好，DCS系统软、硬件平台一体化设计，硬件和软件的种类少，较适合于水处理行业管控一体化的要求。

3.1 硬件

从上述净水和污水处理过程自控系统应用实例可以看出，DCS和PLC都可以根据系统的实际规模灵活配置，PLC需要选用多个系列的硬件组成一个自控系统，而DCS系统则选用同一系列的硬件平台，使用同一系列的控制器，使用相同系列的I/O卡件来构架整个自控系统，系统总体的协调性和无缝扩容性也具有明显的优势，更有利于管控一体化。同时，可减少备品备件的储备种类和数量，便于系统运行与维护，降低管理成本。

3.2 软件

PLC的编程软件一般都由厂商提供，与硬件配套使用；上位机组态软件与硬件系统独立，另外配套，国际品牌有INTOUCH、IFIX、WINCC等，国内有组态王、力控、杰控、世纪星等；水行业现场控制站上一般都配置触摸屏，供现场操作使用，触摸屏自身也需要相应的组态软件。这样虽然污水厂中控制站较少、控制点分布平均，但使用PLC系统还得需要至少3种软件(编程、上位组态、触摸屏组态)；而在净水项目中由于控制器有多种，系统需要的软件则较多，通常会超过4种。

DCS系统的控制器软件和人机界面HMI软件是一体化设计的软件平台，编程和组态使用这同一软件平台，控制器程序和上位机组态使用同一个变量数据

库。DCS的同一软件平台和同一变量数据库，一方面减少了软件学习和软件编程的工作量，另一方面降低了变量数据库的创建和维护工作量，同时在编程、组态过程中修改方便、不易出错。同时，DCS系统的软件在线组态功能确保过程控制的连续性和控制的有效性。

3.3 工程实施

DCS系统对安装和运行条件的要求，特别是对接地、屏蔽和运行环境等都有较为严格的要求，这为水处理厂整个生产过程的安全可靠运行提供了保障。水行业自控系统属于中等规模，除基本的监控之外，污水厂的进水泵房、净水厂的泵房/加药/滤池等工段都有闭环控制回路和联锁、顺控回路。在系统调试过程中，经常需要现场修改程序或组态，DCS系统变量库单一，具备在线修改能力，实现更改非常方便，能确保生产过程控制的连续有效。

3.4 系统维护

DCS系统的硬件和软件都只有一种，目前在水行业获得应用的都是国产系统，在界面友好性方面具有优势，中文手册和全中文界面使维护人员可以很快掌握日常故障处理。另外DCS系统需要的备件种类较少，减少了库存量，降低了管理成本。

4DCS分散控制系统的应用实践

株洲污水处理厂自动化监控系统，采用基于DCS的污水处理厂整体解决方案。工程范围包括全厂DCS控制系统、仪表监测系统、大屏幕显示系统、工业视频监控系统、高低压配电及其电力监控系统。

株洲污水厂选用DCS系统的实践，显示了大型污水处理厂采用DCS实现自动监控已经是一种发展趋势，在大型污水处理厂或多期扩建形成的较大规模污水处理厂中，DCS系统在系统扩容和基于网络的企业管理方面显示了更多优势。与传统的PLC相比，采用国产DCS系统实现自控系统具有软硬件类型少、编程工作量小、工程实施快速方便、备品备件类型少、数量小、成本低、故障查找容易、对运行维护人员要求低等优点。显示了污水处理企业对生产管理的要求已不再局限于通常意义上对生产现场状态的监视和控制，同时还希望把现场信息和管理信息结合起来，形成一个意义更广泛的综合管理系统。

5 结束语

我国水行业自动化控制目前正处于由PLC控制与DCS管控一体化控制并存的局面，以实现节能降耗的高效管理。国际上，使用DCS实现水厂特别是大型水厂自控系统，迎合了水处理行业的需求，是近几年的发展趋势。国产DCS厂商的DCS系统整体性、软硬件一致性、软件中文界面的友好性、项目全生命周期维护支持方面更具优势；DCS的属性更有利于推动和更适合于水处理行业的管控一体化的需求；随着国产DCS系统的应用，其整体的性价比更好，使用

国产DCS系统实现水厂自动控制，将逐渐成为水行业自控系统选型主流。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。