施耐德电气自动化产品在水厂中的应用———国电南瑞科技股份有限

【摘要】本文详细地介绍了在某典型水厂工程项目中，应用施耐德电气自动化产品对水厂工艺设备实现监控的解决方案。
【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.
【关键词】DCS，PLC，上位机，以太网，冗余
【KEY WORDS】：DCS，PLC，HMI，ETHERNET，REDUNDANCY
一、概述
随着计算机技术、通讯技术以及控制技术日新月异的发展，控制厂商得以研发、集成越来越先进的控制系统，为过程控制提供多种可选择的解决方案。水处理行业为了适应整个社会日益强烈的减员增效、信息化运作的发展趋势，对其过程控制也提出了越来越高的要求。越来越多的现代化水处理企业在采用当今最先进的水处理工艺设备的同时，广泛采用最先进的过程控制系统如DCS或者PLC以实现生产过程的有序、高效。
笔者就职的国电南瑞科技股份有限公司（简称：国电南瑞）是一家业界着名的高科技股份公司，主要从事电网监控、电力市场、配电网管理、变电站监控、火电厂监控、轨道交通控制以及市政环保监控等领域的技术研究、软件开发、设备制造、系统集成和工程服务。
本文介绍国电南瑞应用Schneider电气自动化产品为一大型现代化水厂提供的过程控制解决方案。
二、工艺描述
水厂位于中国西北地区一重化工基地，承担向整个重化工基地提供满足要求的工业用水和生活用水，设计规模40万m3/d，工艺流程见下图：

图1
下面介绍水厂主要工艺系统。
1、进水泵房
进水泵房规模为40万m3/d。通过轴流泵提升来自水库的原水，当水库蓄水为正常水位时，来水直接通过进水泵房自流进入配水井；当水库蓄水水位较低时，来水无法自流进入配水井，此时需要启动轴流水泵提升来水进入配水井。
2、配水井
配水井规模为40万m3/d。采用溢流堰配水，来水通过溢流堰均匀配水后分别输送到4座沉淀池。为防止水库中细小物质、浮游生物等进入水厂，配水井中设有拦污格栅。
3、折板絮凝斜管沉淀池
折板絮凝斜管沉淀池2座，每座池规模为20万m3/d，每座池又分为独立两组，每组设计规模为10万m3/d。沉淀池为水厂的核心工艺系统，包含了水厂的核心工艺：混合、絮凝和沉淀。
4、滤池
水厂采用V型滤池作为水处理过程中过滤核心工艺的生产系统。该工艺系统还包括滤池反冲洗系统。V型滤池每座池设计规模为10.0万m3/d，正常运行9.0万m3/d，每座池分为8格，双排布置。
5、清水池、吸水井、送水泵房
清水池2座，单池有效容积为10000m3；吸水井1座，设计规模40万m3/d，分为完全独立的两格，设手动闸板连通，正常运行时各自独立运行；送水泵房1座，总设计规模40万m3/d，分为2部分，其中沉淀后水送水规模为22万m3/d，滤后水送水规模为18万m3/d，泵房均匀供水，两套系统各设5台卧式离心水泵，4用1备。
6、加药间、储液池
加药间、储药池为水处理核心工艺絮凝沉淀的加药而设置，包括固体药剂储藏区、投配池以及絮凝剂投加系统等。该部分主要工艺设备包括：原液提升泵、搅拌机，以及投配池进出口阀门和计量泵等。
7、回收水池
回收水池1座，40万ton/d规模。主要工艺流程为：滤池反冲洗废水、沉淀池排泥水经回收水池处理，上清液采用潜水泵抽送至配水井，与原水充分混合流入混合池后充分利用；回收水池内设有搅拌器以防止污泥沉淀。
三、施耐德解决方案
自动化系统解决方案采用施耐德电气自动化产品，包括其高端PLC产品MODICON QUANTUM系列，HMI产品XBT触摸屏。
根据水厂的工艺流程，结合DCS和PLC的工程经验，按照功能相对集中和工艺系统相对位置靠近的原则，将整个水厂水处理工艺流程分成四个相互独立的控制站，按照功能分别叫做：进水泵房控制站，加氯加药控制站，滤池控制站，送水泵房控制站。为了提高整个自动化系统的可靠性，四个控制站PLC系统均采用了QUANTUM热备配置。
由于施耐德电气QUANTUM系列产品支持更具开放性的TCP/IP以太网，因此采用100M环形光纤以太网作为自动化系统的主干网络，同时出于系统安全可靠性考虑，采用双网冗余结构。系统结构见下图：

图2
对于加氯加药控制站和滤池控制站，分别设置现场控制单元，并配置XBT触摸屏，保证运行人员现场巡检时可以实时了解各现场控制设备的状态。同时现场控制单元跟加氯加药站和滤池控制站分别进行通讯，实现各现场控制单元数据在自动化主干网络上的共享。
下面分别对四个控制站做详细介绍。
1、进水泵房控制站
进水泵房控制站设在进水泵房。该控制站的监控范围包括：进水管道阀门、进水泵房、配电间等构（建）筑物的设备及仪表。
该控制站的主要设备包括一台XBT触摸屏，用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的双机热备冗余PLC系统，包括CPU模件、电源模件、DI、DO、AI、AO模件和各种网络通讯接口适配器等。其中，XBT触摸屏的型号为：XBTG5330；热备冗余的PLC系统包括：140CPS11420电源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100远程IO处理器模件，140NOE77100以太网模件以及140CHS21000热备套件；远程IO站包括：140CPS11420电源模件，140CRA93100远程IO适配器模件，140DDI35300数字量输入模件，140DDO84300数字量输出模件，140ACI03000模拟量输入模件，140ACO02000模拟量输出模件。
另外，辅助配套不间断电源，光纤双环网通讯的工业网络交换机，直流开关电源、信号防雷器以及各种隔离器，以保证整个系统的安全可靠工作。
该控制站完成如下控制功能：
1、监视该部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过140CPU43412A主控制器模件上的其中一个MODBUS口，采用MODBUS协议与低压系统的多功能数显表通讯，监视低压变配电系统的电流、电压、有功功率、无功功率等信号；
3、通过热备系统的以太网模件140NOE77100模件，实现该部分PLC系统的以太网通讯，实现该部分数据在光纤环网上共享，供上位机系统采集；
4、通过140CPU43412A主控制器模件上的另一个MODBUS口，采用MODBUS协议与XBT触摸屏通讯，在触摸屏上显示该部分系统的生产信息。
系统结构见图2。
2、加氯加药控制站
加氯加药控制站设在加药间，监控范围包括：加药间、加氯间、回收水池、配水井、沉淀池等，其中在沉淀池上设4个现场控制单元站，各现场控制单元与加氯加药控制站之间通过MODBUS PLUS通讯连接。
该控制站的主要设备包括一台XBT触摸屏，用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的双机热备冗余PLC系统，包括CPU模件、电源模件、DI、DO、AI、AO模件和各种网络通讯接口适配器等。其中，XBT触摸屏的型号为：XBTG5330；热备冗余的PLC系统包括：140CPS11420电源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100远程IO处理器模件，140NOE77100以太网模件以及140CHS21000热备套件；远程IO站包括：140CPS11420电源模件，140CRA93100远程IO适配器模件，140DDI35300数字量输入模件，140DDO35300数字量输出模件，140ACI03000模拟量输入模件，140ACO02000模拟量输出模件。对于现场控制单元，采用具有更高性价比的QUANTUM 140CPU11302模件作为主控制器模件。
另外，辅助配套爱默生不间断电源、光纤双环网通讯的赫斯曼工业网络交换机、直流开关电源、变频器、信号防雷器以及各种隔离器，以保证整个系统的安全可靠工作。
该控制站完成如下控制功能：
1、监视该部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过热备系统的以太网模件140NOE77100模件，实现该部分PLC系统的以太网通讯，实现该部分数据在光纤环网上共享，供上位机系统采集；
3、通过140CPU43412A主控制器模件上的其中一个MODBUS口，采用MODBUS协议与XBT触摸屏通讯，在触摸屏上显示该部分系统的生产信息；
4、通过140CPU43412A主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS协议与现场控制单元主控制器模件140CPU11302通讯，实现现场控制单元数据在光纤环网上的数据共享。
现场控制单元完成如下功能：
1、监视沉淀池部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过140CPU11302主控制器模件上的MODBUS口，采用MODBUS协议与XBT触摸屏通讯，在触摸屏上显示该部分系统的生产信息；
3、通过140CPU11302主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS协议与加氯加药控制站主控制器模件140CPU43412A通讯，实现现场控制单元数据在光纤环网上的数据共享。
系统结构见图2。
3、滤池控制站
滤池控制站设在鼓风机房及反冲洗泵房，监控范围包括：鼓风机房及反冲洗泵房、滤池等构（建）筑物的设备及仪表，其中在16个单格滤池上共设16个现场控制单元站，各现场控制单元与滤池控制站之间通过MODBUS PLUS通讯连接。
该控制站的主要设备包括一台XBT触摸屏，用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的双机热备冗余PLC系统，包括CPU模件、电源模件、DI、DO、AI、AO模件和各种网络通讯接口适配器等。其中，XBT触摸屏的型号为：XBTG5330；热备冗余的PLC系统包括：140CPS11420电源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100远程IO处理器模件，140NOE77100以太网模件以及140CHS21000热备套件；远程IO站包括：140CPS11420电源模件，140CRA93100远程IO适配器模件，140DDI35300数字量输入模件，140DDO35300数字量输出模件，140ACI03000模拟量输入模件，140ACO02000模拟量输出模件。对于现场控制单元，采用具有更高性价比的QUANTUM 140CPU11302模件作为主控制器模件。
另外，辅助配套爱默生不间断电源、光纤双环网通讯的赫斯曼工业网络交换机、直流开关电源、信号防雷器以及各种隔离器，以保证整个系统的安全可靠工作。
该控制站完成如下控制功能：
1、监视该部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过热备系统的以太网模件140NOE77100模件，实现该部分PLC系统的以太网通讯，实现该部分数据在光纤环网上共享，供上位机系统采集；
3、通过140CPU43412A主控制器模件上的其中一个MODBUS口，采用MODBUS协议与低压系统的多功能数显表通讯，监视低压变配电系统的电流、电压、有功功率、无功功率等信号；
4、通过140CPU43412A主控制器模件上的另一个MODBUS口，采用MODBUS协议与XBT触摸屏通讯，在触摸屏上显示该部分系统的生产信息；
5、通过140CPU43412A主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS协议与现场控制单元主控制器模件140CPU11302通讯，实现现场控制单元数据在光纤环网上的数据共享。
现场控制单元完成如下控制功能：
1、监视滤池部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过140CPU11302主控制器模件上的MODBUS口，采用MODBUS协议与XBT触摸屏通讯，在触摸屏上显示该部分系统的生产信息；
3、通过140CPU11302主控制器模件上的MODBUS PLUS口，采用MODBUS PLUS协议与滤池控制站主控制器模件140CPU43412A通讯，实现现场控制单元数据在光纤环网上的数据共享。
系统结构见图2。
4、送水泵房控制站
送水泵房控制站设在送水泵房，监控范围包括：监控范围包括：送水泵房、清水池、吸水井、变配电间、锅炉房等构（建）筑物的设备及仪表。
该控制站的主要设备为用于本站自动控制、工艺参数采集和网络连接的双机热备冗余PLC系统，包括CPU模件、电源模件、DI、DO、AI、AO、RI模件和各种网络通讯接口适配器等。其中热备冗余的PLC系统包括：140CPS11420电源模件，140CPU43412A主控制器模件，140CRP93100远程IO处理器模件，140NOE77100以太网模件以及140CHS21000热备套件；远程IO站包括：140CPS11420电源模件，140CRA93100远程IO适配器模件，140DDI35300数字量输入模件，140DDO35300数字量输出模件，140ACI03000模拟量输入模件，140ACO02000模拟量输出模件。
另外，辅助配套爱默生不间断电源、光纤双环网通讯的赫斯曼工业网络交换机、直流开关电源、信号防雷器以及各种隔离器，以保证整个系统的安全可靠工作。
该控制站完成如下控制功能：
1、监视该部分工艺系统，控制其按照工艺要求正常运行；
2、通过热备系统的以太网模件140NOE77100模件，实现该部分PLC系统的以太网通讯，实现该部分数据在光纤环网上共享，供上位机系统采集；
3、通过140CPU43412A主控制器模件上的其中一个MODBUS口，采用MODBUS协议与低压系统的多功能数显表通讯，监视低压变配电系统的电流、电压、有功功率、无功功率等信号；
系统结构见图2。
四、小结
整个方案结构简单，综合运用了QUANTUM系列PLC的高端产品、低端产品以及XBT触摸屏人机界面等，同时还包括跟第三方系统的通讯，当然也涵盖了CONCEPT以及Vijeo Designer的应用。
目前该自动化解决方案已经在水厂成功应用，实现了水处理工艺的自动化运行，从而大大减少了运行人员数量，降低了运行维护的工作量；解决方案采用了开放的网络设计，为该水厂以后的信息化管理提供了物理基础。
参考文献
1、Schneider Electric，Modicon TSX Quantum硬件手册。
2、Schneider Electric，Modicon Quantum Hot Standby， ， ，January 2003。
3、Schneider Electric，Modicon 984可编程控制器系统手册， ， ，1993年8月。
4、胡晓春，水厂自动化及设计（给水排水杂志）， ， ，1999。
5、王硕禾，中小型水厂自动化技术改造初探（给水排水杂志）， ， ，1999。
附件：作者简介
作者姓名：钱军，性别：男，出生年月：1978年7月，学历：工业自动化专业本科，工作单位：国电南瑞科技股份有限公司，职务：责任工程师。
通讯地址：江苏省南京市南瑞路8号国电南瑞科技股份有限公司工业控制分公司，联系电话：025-83096507，传真：025-83401283，E-mail：qianj@naritech.cn，邮政编码：210003。