摘要： 本文主要介紹水廠的DCS集散監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能要求，并分析和討論了主要的水廠控制策略。
關(guān)鍵詞： 水廠，自動化，DCS.，控制策略
The introduction of DCS and control strategy for water treatment plant
Wei Ri Qiang、Zhou Li You
（GuangZhou Water Supply Company, GuangZhou 510600,China）
Abstract: This paper introduces the structure，function and perbbbbance of DCS for water treatment plant. Then some control strategies are discussed.
Keyword: Water treatment plant, Automation, DCS, Control strategy
1. 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會進(jìn)步，城市給水行業(yè)遇到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。對水處理廠而言，符合標(biāo)準(zhǔn)的原水日益缺乏，而人們對水質(zhì)的要求不斷提高。這就導(dǎo)致了水廠的處理工藝不斷改進(jìn)，并對水廠自動控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為了滿足水處理工藝優(yōu)化控制的需要，水廠集散控制系統(tǒng)（以下簡稱DCS）的功能已從當(dāng)初簡單的數(shù)據(jù)監(jiān)測發(fā)展到今天的先進(jìn)控制。當(dāng)今，一個(gè)現(xiàn)代化水廠DCS的組成結(jié)構(gòu)、功能和性能要求、各種控制策略及其發(fā)展方向等方面的問題，越來越受到同行們的關(guān)注。本文試圖就這些問題作一些初步的探討。
2.水廠工藝特點(diǎn)簡述
水廠（指地表水廠，下同）一般常規(guī)處理工藝：河水經(jīng)取水泵站提升后，先加氯預(yù)消毒，再加混凝劑進(jìn)入沉淀池沉淀，然后進(jìn)入濾池過濾，過濾后的水用氯氨進(jìn)行二次消毒后進(jìn)入清水池，最后由送水泵站通過市政供水管網(wǎng)送到用戶。見圖1：
圖1：水廠常規(guī)工藝流程圖
3.水廠DCS系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)
水廠過程工業(yè)自動化在90年代以前仍是自動化孤島模式。進(jìn)入90年代末，企業(yè)把提高綜合自動化水平作為挖潛增效、提高競爭能力的重要途徑。集常規(guī)控制、先進(jìn)控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營決策等功能于一體的綜合自動化成了當(dāng)前水廠自動化發(fā)展的趨勢。
DCS控制就是集中管理、分散控制，注重于功能分散以求危險(xiǎn)分散，但又能夠集中監(jiān)控和管理，便于實(shí)現(xiàn)中央控制室、車間、就地現(xiàn)場三級控制。對于水廠生產(chǎn)來說，三級控制能最大限度地保證控制系統(tǒng)的可靠性，也便于維護(hù)和管理。水廠DCS系統(tǒng)是一種基于工程實(shí)際的已商品化的控制平臺，它把簡單的控制回路集成到分布式控制單元中。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了硬件和軟件部分，可以靈活高效地實(shí)現(xiàn)對各種實(shí)際過程的控制策略并具有良好的人機(jī)界面。
圖2為某水廠DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)采用以光纖為傳輸介質(zhì)、遵循TCP/IP協(xié)議的（10M/100M，雙網(wǎng)）工業(yè)以太網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場主要設(shè)備采用獨(dú)立SLC控制，采用DeviceNet等現(xiàn)場總線將其聯(lián)接構(gòu)成現(xiàn)場控制層，與主控PLC連網(wǎng)。主控PLC通過交換機(jī)連于全廠主網(wǎng)，控制排泥車等移動設(shè)備的小型PLC通過低功率、近距離的無線傳輸設(shè)備與子站主控PLC通訊。水廠內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)以多任務(wù)平臺上的實(shí)時(shí)監(jiān)控、開發(fā)和管理軟件組成工控局域網(wǎng)和管理以太網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)上聯(lián)至公司管理以太網(wǎng)和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
圖2： DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4．水廠DCS系統(tǒng)的功能
為了達(dá)到水廠安全、平穩(wěn)和高效運(yùn)行的目的，必須考慮以下因素：第一，水平衡。水平衡是指水廠的取水和送水平衡，及各凈水構(gòu)筑物的進(jìn)出水平衡，以保證水在各構(gòu)筑物內(nèi)的停留時(shí)間符合工藝要求。第二，合理加藥。以保證出廠水合符標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，根據(jù)原水情況合理投加混凝、消毒等藥劑。第三，合理控制各池體的排泥和反沖洗，保證高效工作狀態(tài)并減少浪費(fèi)。第四，各種設(shè)施、設(shè)備的不正常狀態(tài)應(yīng)得到及時(shí)報(bào)警和處理。
具體說來,水廠DCS系統(tǒng)一般包括取水、投加、凈水、送水、和調(diào)度中心五個(gè)監(jiān)控子站，用于全廠的數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理，其功能要求如下：
4.1報(bào)警處理功能
在任何時(shí)間和在任何顯示上工作站均能在畫面頂部或底部顯示出總的報(bào)警信息，包括報(bào)警設(shè)定值(報(bào)警條件)、報(bào)警值、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警時(shí)間。操作人員可以快速地調(diào)用與本報(bào)警有關(guān)的畫面，以得到可以尋找故障原因的詳細(xì)資料。在產(chǎn)生任何一個(gè)報(bào)警信號時(shí)，工作站可產(chǎn)生聲光報(bào)警。
4.2歷史數(shù)據(jù)的管理功能
可實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的存儲和檢索，可按要求進(jìn)行分類列表顯示。對于變量能表明時(shí)標(biāo)，屬性，測量范圍，實(shí)時(shí)值。也可以在表格上用“指針”選定數(shù)據(jù)點(diǎn)，對其設(shè)定值，測量范圍，數(shù)據(jù)性質(zhì)進(jìn)行修改(只能由賦予權(quán)利的人員進(jìn)行)。
4.3事件處理功能
以下事件都可記入不可修改的“事件登記簿”。這些事件登記是按時(shí)間順序排列的，如全部的報(bào)警、調(diào)度命令及設(shè)備操作命令、掛標(biāo)記牌操作(如檢修狀態(tài)、遙控禁止?fàn)顟B(tài)等)、報(bào)警的禁止或允許、寫入數(shù)據(jù)、修改設(shè)定值和報(bào)警的確認(rèn)刪除等。可實(shí)現(xiàn)在線檢索、記錄存儲等功能。
4.4人機(jī)界面功能
人機(jī)界面應(yīng)具有以下功能：采用開放系統(tǒng)的圖形窗口技術(shù)，可在線修改和編輯畫面，支持三維圖形，有聯(lián)機(jī)幫助功能等。
4.5數(shù)據(jù)通信功能
各PLC子站通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)通訊。移動設(shè)備與固定設(shè)備之間的通訊采用無線方式。數(shù)據(jù)與上層公司管理系統(tǒng)及調(diào)度系統(tǒng)的通訊采用有線方式或無線方式，如通過TCP/IP協(xié)議經(jīng)VPN連接或用GPRS 、CDMA等無線通訊方式。
4.6報(bào)表生成與打印功能
工作站接收各PLC站提供的帶時(shí)標(biāo)的數(shù)據(jù)，并儲存作為編輯報(bào)表的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際輸入信號，制作出及按需求打印出日、月、旬、季、年報(bào)表。
4.7實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)分析功能
根據(jù)水廠工藝運(yùn)行與管理特點(diǎn)，建立各種重要參數(shù)的歷史知識規(guī)則庫；實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算如泵站效率，供水成本，機(jī)組電耗等，自動根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)則庫建立水廠的重要參數(shù)的知識學(xué)習(xí)規(guī)則庫、分析判斷泵組是否在高效區(qū)運(yùn)行，分析供水電耗是否正常，供水成本是否合理，為生產(chǎn)運(yùn)行管理者提供決策依據(jù)。
4.8安全登錄和密碼保護(hù)功能
設(shè)計(jì)中把操作級別分為：廠長級、工程師級和操作員級，對各個(gè)級別的操作都設(shè)置密碼，并能記錄操作人員工號、操作內(nèi)容、時(shí)間等，防止非法操作，確保水廠設(shè)備安全有序運(yùn)行。
4.9操作控制功能
根據(jù)安全級別，實(shí)現(xiàn)在就地或遠(yuǎn)程對各子站的各種設(shè)備的手動、自動的監(jiān)控操作和控制。系統(tǒng)通過總線或直接I/O，無線和有線等方式采集泵組、水質(zhì)儀表、投加設(shè)備、濾池、排泥車及其他用電和供電設(shè)備等的各類參數(shù)。
4.10其它
具有服務(wù)器雙機(jī)熱備功能，可進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理、繪制重要數(shù)據(jù)的變化過程曲線和.給生產(chǎn)和管理人員有清晰、準(zhǔn)確的操作指示和對錯(cuò)誤操作加以屏蔽的功能以及在線幫助等功能。
5．水廠DCS系統(tǒng)的性能特點(diǎn)
隨著水廠自動化控制的需要，如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制、綜合最優(yōu)控制、優(yōu)化調(diào)度和數(shù)據(jù)共享等，都對DCS控制系統(tǒng)提出了更高的要求，要求其有較好的拓展性、高度的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的共享安全。隨著DCS控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、OPC技術(shù)的引入，使DCS系統(tǒng)具有以下特性：
5.1綜合控制性
新型的DCS強(qiáng)調(diào)的是信息與集成，集成即是集成過程控制與順序控制。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，DCS慢慢融合了PLC的順序控制功能，成為集過程控制、順序控制及批量控制為一體的混合控制系統(tǒng)。同時(shí)，PLC和DCS也在慢慢融合，PLC也在逐漸加強(qiáng)模擬量的處理能力，這種技術(shù)上的融合是一種自然的趨勢。
5.2開放性
不同時(shí)代引進(jìn)的PLC控制系統(tǒng)采用的是不同的品牌，采用的是各種品牌自有的通訊協(xié)議，隨著DCS系統(tǒng)的不斷發(fā)展已從過去的封閉式網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成現(xiàn)在的開放式網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的開放，帶來的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放，使不同品牌的PLC系統(tǒng)能無縫連接到大的DCS控制系統(tǒng)中。今天，先進(jìn)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)校正、智能健康維護(hù)等等一系列技術(shù)也正在基于這個(gè)開放的平臺得以發(fā)揮作用。以DCS為平臺的MES（生產(chǎn)過程制造執(zhí)行系統(tǒng)）應(yīng)用也已經(jīng)成為DCS未來的發(fā)展趨勢。
5.3穩(wěn)定性
水廠DCS控制系統(tǒng)的底層通常由PLC和現(xiàn)場總線等構(gòu)成，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已具有很好的穩(wěn)定性，其設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集能安全可靠的運(yùn)行。這一點(diǎn)是水廠非常愿意采用DCS控制系統(tǒng)的主要原因。
5.4冗余性
從過程控制的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的安全性和通訊的不間斷性的需要，不僅控制器要冗余、電源、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)都需要冗余，現(xiàn)在的DCS控制器都已具有這些功能配置，可大大降低數(shù)據(jù)丟失的危險(xiǎn)，給水廠造成嚴(yán)重的損失。(待續(xù))
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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