西江水厂棠下镇自动化控制改造技术方案含预算.docx
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西江水厂棠下镇自动化控制改造技术方案含预算
西江水厂(棠下镇)自动化控制改造
技术方案
广东慧信投资股份有限公司
2015年2月
1、水厂概括
江门市棠下镇西江自来水厂位于江门市滨江大道棠下段,主要给棠下区域供水。
一期现阶段每天供水量约25000m3,峰值可达40000m3/d。
根据要求需对厂区自控控制系统进行升级改造,使整个系统运行管理更加合理与简便。
目前只在二级泵房有浊度、pH、余氯三项指标在线检测并在线联网至水厂上级部门即江门供水公司水质部,其它位置水质指标的检测、监控均靠人工操作。
水厂采用常规自来水处理工艺,工艺流程图如下:
水源水→→→→→
↓
←
2、设计依据
●与给水厂有关的政府和相关部门文件
●给水处理和自动控制有关技术规范、标准
●《自动化仪表工程施工质量验收规范》GB50131-2007
●《控制室设计规定》HG/T20508-2000
●《过程检测和控制仪表的功能标志及图形符号》HG/T20505-2000
●《仪表供电设计规定》HG/T20509-2000
●《信号报警、联锁系统计规定》HG/T20511-2000
3、设计原则
自控系统的设计遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的总原则,整个系统还遵循以下原则:
●可靠性第一的原则:
从设备选择到控制策略制定都要考虑系统长期运行的可靠性。
选用成熟的技术,可靠的设备。
控制系统选用进口高性能产品,仪表选用有优秀应用业绩的产品。
●节能高效原则:
从降低能耗出发,优化控制策略,避免设备的无效运转。
降低给水处理成本。
●技术领先的原则:
自动控制是一门高速发展的技术,选择系统和制定控制策略都应力求采用先进的技术,且产品易于升级,系统易于更新,易于扩展,易于与外部网络交换信息。
●设计规范性原则:
在方案设计、设备选型、图纸设计、软件设计、系统调试中,遵循行业规范,因为这一原则将给系统运行、维护、管理以及升级带来许多便利。
●操作方便、易于维护的原则:
系统总体设计、画面设计、盘柜布置尽量考虑操作方便性、直观性、简单性。
系统应具备自诊断功能,易于判别故障、易于维护。
4、设计目的
●高效节能,降低给水处理成本:
作为自来水厂,既要使供水水质达到国家标准,又要降低处理成本和节省能耗。
作为现代化的自来水厂,基于可靠的监控平台,采用先进的最优的控制技术,应用于加药自动控制、滤池自动控制等,大大地提高了生产效率,不仅降低了能耗,而且节省了人力成本。
●降低工人的劳动强度实现厂区自动化运行:
采用了自动化控制技术的给水处理厂,操作员只需在中心控制室,便可监测到给水处理厂全厂各个工业区域设备的相关状态,同时还可以对现场下达指令,操作设备自动运行,完成工艺运行要求,减少了运行人员数量且工人的劳动强度大大降低。
●重要生产数据保存方便,随时可以查询:
在信息管理层,采集上来的数据除了用于显示外,同时还将存储在数据库中。
操作员可以通过监控计算机,查询过去一天、一个月、一年甚至更长时间的工艺数据,用于指导生产或诊断设备故障等,查询方便快捷。
5、自控系统介绍
自控系统遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则,仪表系统遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则。
力求满足西江自来水厂给水处理工艺的特性,保证给水厂生产的稳定和高效,减轻劳动强度,改善操作环境,实现西江自来水厂的现代化生产运行和管理。
自控系统采用西门子PLC为主控制器的集散式控制方案。
自控系统由上位监控站和控制站组成,实现对水厂的分数式控制和集中式管理。
上位监控站包括1台计算机及打印机,放置在二级泵房中控室内。
控制站由1台主控站和3台现场控制站组成,3台现场控制站通过光纤接入主控室路由器,主控站和上位监控站直接经以太网接入主控室路由器,自控系统网络结构为星型,通过以太网自控系统实现信息共享。
用户希望在距水厂4公里外的棠下镇和距水厂15公里外的江门市也能实时观察到水厂的运行工况,本方案拟通过虚拟专用网络(VPN),由设在棠下镇和江门市的客户端自动实时显示水厂运行工况。
自控系统网络结构图见图1。
图1:
自控系统网络结构图
系统网络拓扑图见图2。
以太网
以太网
光纤
以太网光纤收发器
以太网光纤收发器
以太网
3号站
2号站
路由器
光纤
以太网
以太网
以太网光纤收发器
以太网光纤收发器
MODBUS-RTU
光纤
以太网
以太网光纤收发器
以太网
以太网光纤收发器
1号站
主站
图2:
系统网络拓扑图
5.1上位监控站
上位监控站采用高性能商用计算机,运行上位监控软件,能随时独立完成给水厂工艺设备管理和监控、数据处理、数据存储等不同任务。
上位监控站通过以太网采集现场数据,以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势。
上位监控站是集数据采集、设备监控、故障报警、数据保存、报表打印、数据管理于一体的综合操作站。
5.2上位监控站组态软件
上位机监控软件选用在国内具有成功应用经验、可靠性较高的亚控公司的组态工控软件——组态王6.55。
组态王6.55是亚控科技在组态王6.0x系列版本成功应用后,广泛征询数千家用户的需求和使用经验,采用先进的软件开发模式和流程,由十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发,及四十多位试用户一年多的实际现场考验。
使用更方便,功能更强大,性能更优异,软件更稳定,质量更可靠。
它具有以下特点:
支持大画面、导航图:
用户可以制作任意大小的画面,利用滚动条和导航图控制画面显示内容。
绘制、移动、选择图素时,画面自动跟踪滚动。
方便的变量替换:
可以单独替换某个画面中的变量,也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。
自定义菜单:
支持二级子菜单。
丰富的提示文本:
系统提供丰富的图素提示条文本,包括简单图素和组合图素。
任意选择画面中的图素:
在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作。
组态王界面示意图见图3。
图3:
组态王界面示意图
上位监控机画面包括:
名称画面、工艺流程画面、一泵房画面、反应池沉淀池流程图画面、砂滤池清水池流程图画面、二泵房画面、参数设置画面、报警画面、实时曲线画面、报表画面(班报表、日报表、月报表)等。
5.3PLC控制站
PLC控制站选用西门子PLC系列产品SIMATICS7-300,它适合自动化工程的各种应用场合。
SIMATICS7-300产品符合以下标准系列:
ISO国际标准化组织IEC国际电工委员会
GB中国国家标准UL(美国)保险商实验室标准
CE欧洲安全标准
PLC控制站由1台主控站和3台现场控制站组成,主控站和现场控制站的PLC都选用SIMATICS7-300模块,SIMATICS7-300具有模块化、无排风扇结构、易于实现分布式配置、以及用户易于掌握等特点。
S7-300具有以下显著特点:
Ø循环周期短、处理速度高;
Ø指令集功能强大、可用于复杂功能;
Ø产品设计紧凑、可用于空间有限的场合;
Ø模块化结构、适合密集安装;
Ø有不同档次的CPU、各种各样的功能模块和I/O模块,满足不同需要;
SIMATIC系列产品技术参数
✧中央处理器(CPUs)
规格型号CPU315-2PN/DP
处理时间位指令0.05us,字指令0.09us,浮点数运算0.45us
内置存储器348KB
装载存储器8M
数字量I/O总数各16384
模拟量I/O总数各1024
定时器/计数器256/256
电流消耗(额定值)750mA
每机架的模块数量8(最多)
第1接口RS485接口(PROFIBUS-DP)
第2接口以太网RJ45
工作环境温度:
0~+60℃,湿度:
10~95%
尺寸40×125×130mm
重量340g
✧电源
规格型号PS307
额定输入电压120/230VAC
输入电压范围93~264VAC(宽范围)
额定电源频率50/60Hz
电源频率范围47~63Hz
额定输入电流1A
最大启动电流<45A,<3ms
电源掉电缓冲>20ms
额定输出电压24VDC
输出电压误差±1%
额定输出电流5A
转换效率>87%
RFI特性B级(EN55011)
保护等级IP20
工作环境温度:
0~+60℃,湿度:
10~95%
尺寸80×135×120mm
重量约0.5Kg
✧通讯模块
规格型号CP341
物理接口RS422/RS485
传输速率(最大)76.8Kbit/s
额定电压24VDC
功率消耗5.8W
电流消耗(最大)70mA(背板总线)
工作环境温度:
0~+60℃
湿度:
最大95%,在+25℃时
尺寸40×125×120mm
重量300g
✧模拟量输入(AI)
规格型号SM331
输入点数8点
输入信号4~20mA
允许最大输入电压30V
允许最大输入电流40mA
分辨率13位
误差/精度±0.5%
积分时间66ms
最大屏蔽电缆长度200m
典型功率消耗0.4W
最大电流消耗90mA
绝缘试验电压500VDC
工作环境温度:
0~+60℃,湿度:
10~95%
尺寸40×125×117mm
重量250g
✧信号模块数字量输入(DI)
规格型号SM321
输入点数32/16点
额定输入电压24VDC
输入电压范围信号1时:
13~30VDC;信号0时:
-30~+5VDC
典型输入电流信号1时,7mA(32点)/9mA(16点)
最大静态电流1.5mA
最大电缆长度600m(未屏蔽);1000m(屏蔽)
典型功率消耗6.5W/3.5W
最大电流消耗15mA/25mA(背板总线)
光耦合器隔离有
绝缘试验电压500VAC
保护等级IP20
工作环境温度:
0~+60℃,湿度:
10~95%
尺寸40×125×120mm
重量260g/200g
✧信号模块数字量输出(DO)
规格型号SM322
输出点数32/16点
输出信号类型晶体管输出
额定负载电压24VDC
负载电压范围20.4~28.8VDC
额定输出电流0.5A
最大电缆长度600m(未屏蔽);1000m(屏蔽)
典型功率消耗4.9W
最大电流消耗80mA(背板总线)
光耦合器隔离有
绝缘试验电压500VDC
保护等级IP20
工作环境温度:
0~+60℃,湿度:
10~95%
尺寸40×125×120mm
重量190Kg
5.3.1主控制站
主控制站(PLC)设在中控室,主控制站主要实现对二次泵房出水的压力、浊度、pH、余氯等在线检测,实现对二次泵房水泵的启停控制和联锁保护。
当检测管道压力产生变化,管道压力传感器穿输信号至PLC系统,控制水泵不同水泵开启,直至达到设定管道压力为止;当管道余氯量产生变化(余氯浓度升高)时,余氯传感器传输信号至主控PLC,主控PLC再传输信号至2号现场控制站,减少二氧化氯投加量,使管道余氯含量下降至合格水平。
主控制站、现场控制站、上位监控机通过以太网进行通讯。
主控制站PLC模块配置示意图见图4。
图4:
主控制站PLC模块配置示意图
主控制站IO点数统计表见表1。
序号
名称
信号类型
数量
二次泵房
31
二级泵房出口水压
AI:
4-20mADC
4
32
二级泵房出口浊度
AI:
4-20mADC
1
33
二级泵房出口PH
AI:
4-20mADC
1
34
二级泵房出口余氯
AI:
4-20mADC
1
35
二级提升泵1#
DI
4
DO
3
1#电机电流
AI:
4-20mADC
1
36
二级提升泵2#
DI
4
DO
3
2#电机电流
AI:
4-20mADC
1
37
二级提升泵3#
DI
4
DO
3
3#电机电流
AI:
4-20mADC
1
38
二级提升泵4#
DI
4
DO
3
4#电机电流
AI:
4-20mADC
1
表1:
主控制站IO点数统计表
5.3.21号现场控制站(一级泵房)
1号现场控制站设在一级泵房,主要实现对一次泵房出水的流量、水温、浊度、电机电流等在线检测,实现对一次泵房水泵的启停控制和联锁保护。
1号现场控制站通过以太网光纤与主控制站进行通讯。
1号现场控制站PLC模块配置示意图见图5。
图5:
1号现场控制站PLC模块配置示意图
1号现场控制站IO点数统计表见表2。
序号
名称
信号类型
数量
一级泵房
1
PH
AI:
4-20mADC
1
2
水温
AI:
4-20mADC
1
3
COD
AI:
4-20mADC
1
4
氨氮
AI:
4-20mADC
1
5
浊度
AI:
4-20mADC
1
6
电导率
AI:
4-20mADC
1
7
一级泵房出水流量
AI:
4-20mADC
1
8
一级提升泵1#
55KW,0:
00~7:
00
DI
5
DO
3
9
一级提升泵2#
110KW,7:
00~16:
00
DI
5
DO
3
10
一级提升泵3#
110KW,16:
00~0:
00
DI
5
DO
3
表2:
1号现场控制站IO点数统计表
5.3.32号现场控制站(反应池、加矾系统及沉淀池自动控制)
2号现场控制站设在加矾系统厂房内,主要实现对反应池余氯、污泥界面等进行测量,实现对沉淀池余氯、污泥界面等进行测量,实现对加药系统和前加氯系统的自控控制。
(1)加矾控制
自一级泵房输送的水源水,通过管道监控的流量、浊度、pH、水温等参数的监控,输送信号至2号PLC系统,PLC根据采样浊度、水温、pH控制加药泵流量,使流量、水温、浊度等参数与加矾流量形成一定关系,达到合理加矾的目的。
PLC自动记录水源水流量变化与加药量变化关系,储存数据并利用软件分析线性关系,当以后水源水的流量、浊度、水温达到数值要求时,PLC执行固定指令控制加矾泵加药量。
(2)反应池余氯监控
反应池设定余氯控制指标,如控制余氯在0.5mg/L,当超过此数值时,减少或停止二氧化氯投加,当远远低于此数值时,PLC控制增加二氧化氯投加量,达到余氯控制目的。
(3)刮泥车控制
由于刮你车为池底刮板式,因此在池底不能安装泥位计探头,将泥位计探头设置于刮泥车上,并根据现场控制经验,将刮泥车置于污泥监控较稳定的区域,防止污泥量过大频繁启动,或污泥量过少使前端污泥积聚,影响水质。
泥位计采用无线传输,与2号PLC通过无线信号控制,当刮泥车常驻区域污泥达到一定高度后,泥位计通过无线传输至2号PLC,PLC发出信号至刮泥车电机系统,启动刮泥车进行刮泥,首先向入水端前进,达到入水端触点后再行进至沉淀池末端,最后返回常驻点停止。
(4)沉淀池出水浊度控制
监控前端加矾量是否足够,如果浊度升高,输出信号至2号PLC系统,控制加药泵加药,并与水源水的流量、浊度、水温、pH共同执行作为加矾的指标。
2号现场控制站通过以太网光纤与主控制站进行通讯。
2号现场控制站PLC模块配置示意图见图6。
图6:
2号现场控制站PLC模块安装示意图
2号现场控制站IO点数统计表见表3。
序号
名称
信号类型
数量
反应池、加药系统及沉淀池自动控制
11
1号反应池余氯
AI:
4-20mADC
1
12
2号反应池余氯
AI:
4-20mADC
1
13
1号反应池污泥界面
AI:
4-20mADC
1
14
2号反应池污泥界面
AI:
4-20mADC
1
15
1号沉淀池污泥界面
AI:
4-20mADC
1
16
2号沉淀池污泥界面
AI:
4-20mADC
1
17
1号沉淀池出口浊度
AI:
4-20mADC
1
18
2号沉淀池出口浊度
AI:
4-20mADC
1
19
加药泵组
DI
8
DO
4
20
反应池排泥系统
DI
4
DO
2
21
沉淀池排泥系统
DI
4
DO
2
表3:
2号现场控制站IO点数统计表
5.3.33号现场控制站(砂滤池、清水池)
3号现场控制站设在砂滤池厂房内,主要实现对砂滤池液面高度、滤层压差等进行测量,实现对清水池液位及出口余氯等进行测量,实现对砂滤池气冲洗和水冲洗的自控控制,实现对清水池加氯系统的自控控制。
(1)砂滤池自动控制
砂滤池控制采用出水浊度监控、砂层压力差监控、定时监控。
由于滤池在整个净水处理系统中处于重要地位,因此必须采用多种手段联合及备用的方式,以保证滤池的稳定运行。
首先监控出水浊度,通过设定砂滤池出水的浊度范围,当出水浊度范围超过设定值时,浊度计输出信号至3号PLC,PLC关闭相应滤池进水阀门,关闭清水阀门,开启反冲洗水泵及风机,按照反冲洗流程逐一开启及关闭阀门,最后根据反洗水排水渠浊度,设定反冲洗浊度值,当低于此数值时,反冲洗停止,重新打开进出水阀门,关闭反冲洗水泵及风机阀门,重新开始过滤动作。
当浊度未到设定值,但砂层压力差较高时,说明砂层污染物过多,存在出水浊度升高风险,当压力差达到一定数值后,压力计共同输出信号至3号PLC系统,执行反冲洗流程;同样地,当浊度及砂层压力均未达到设定要求值,但长时间未进行反冲洗,系统应设定定时反冲洗作备用,以防止浊度计及压力计出现故障或堵塞的情况出现。
定时反冲洗可设置的时间较长,由于前面有两重保护,因此定时反冲洗你仅作为备用。
(2)清水池加氯控制
根据进入清水池30min后余氯的浓度,设定该值范围,当余氯在此范围值以外时,控制二氧化氯发生器动作,增加或减少加氯量。
3号现场控制站通过以太网光纤与主控制站进行通讯。
3号现场控制站PLC模块配置示意图见图7。
图7:
3号现场控制站PLC模块配置示意图
3号现场控制站IO点数统计表见表4。
序号
名称
信号类型
数量
砂滤池自动控制
22
1-6号砂滤池液面高度
AI:
4-20mADC
6
23
1-6号砂滤池压力差
AI:
4-20mADC
6
24
1-6号砂滤池出水浊度
AI:
4-20mADC
6
25
反冲洗水浊度
AI:
4-20mADC
2
26
流量计(管道)
AI:
4-20mADC
1
27
清水池余氯(加氯30min后)
AI:
4-20mADC
1
28
清水池液位
AI:
4-20mADC
1
29
反冲洗风机组
DI
8
DO
6
电机电流
AI:
4-20mADC
3
30
反冲洗水泵组
DI
12
DO
9
电机电流
AI:
4-20mADC
3
表4:
3号现场控制站IO点数统计表
5.3.4系统控制方式
为便于操作、调试和事故的紧急处理,系统控制方式分为两个级别三种模式:
●就地控制
就地控制方式是一种手动操作设备的方式,由电气系统独立完成设备操作,具有最高的优先级,一般分为两种:
就地现场箱手动操作和MCC盘柜手动操作。
在工程中根据设计这两种模式可以同时采用或用其中一种方式。
现场箱手动模式:
设备的现场控制箱“就地/停止/远程”开关选择“就地”方式时,通过现场控制箱按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
MCC手动模式:
马达控制中心(MCC)盘柜上的“就地/停止/远程”开关选择“就地”方式时,通过MCC盘上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
●远程控制
远程控制方式是由主控室上位监控站控制设备启停,优先级低于现场控制。
一般分为两种控制模式:
远程手动操作和程序自动(定时)操作。
在工程实施中通过编程同时实现这两种操作模式。
远程手动模式
现场控制箱或MCC的“就地/停止/远程”开关选择“远程”方式时,操作人员通过上位监控站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
远程自动模式
现场控制箱或MCC上的“就地/停止/远程”开关选择“远程”方式,上位监控站设定为“自动”方式时,设备的运行完全由各现场控制站PLC根据给水处理厂的工况及生产要求来依据事先设定的逻辑和参数完成对设备的运行或开/关控制,而不需要人工干预。
控制级别由高到低为:
现场手动控制、MCC盘柜手动控制、远程手动控制、远程自动控制。
控制级别优先级示意图见图8。
图8:
控制级别优先级示意图
5.4PLC组态软件
PLC组态软件选用西门子公司推出的组态工具STEP7V5.4。
由STEP7编程语言和SIMATIC管理器组成的组态工具系统,是系统的中心数据库和硬件及网络的配置工具,用于对硬件及通讯网络进行组态,包括对自动化站以及网络服务器的组态。
STEP7是标准的编程及组态工具,用于对SIMATICS7,SIMATICM7和SIMATICC7进行组态和编程,其友好的用户操作性使SIMATICPLC的控制能力得以充分的发挥。
STEP7广泛应用于自动化控制项目的各个阶段,如:
Ø硬件组态及参数化
Ø通讯系统定义
Ø自动控制系统编程
Ø测试及检修服务
Ø文档管理
Ø操作/自诊断功能
✧STEPT7包括如下工具集
ØSIMATIC管理器
Ø符号编辑器
Ø硬件组态
Ø通讯功能设定
Ø数据信息功能
✧STEPT7由以下经过现场检验的标准的PLC编程语言组成:
Ø语句表(STL)
Ø梯形图语言(LAD)
Ø功能块图(FDB)
5.5现场仪表
5.5.1E+H公司仪表
Endress+Hauser公司1953年创建于瑞士,是过程自动化领域的全球领导厂商。
作为物位检测测量技术的创始人之一,发展至今,已经拥有19个生产中心、43个销售中心和超过57个代表处,拥有遍布全球的合作伙伴网络,能迅速并有效地满足客户的要求。
E+H公司在中国苏州建有独资公司,保证中国市场的快速供货和良好的售后服务。
E+H公司产品中文网站:
WWW.CN.ENDRESS.COM
分析仪表的变送器选用双通道四线制CMM442通用变送器,选配不同的传感器与CMM442组合可以实现不同参数的测量,CMM442可以选配以下传感器:
Ph/ORP、电导率、酸碱浓度、溶解氧、浊度、悬浮物浓度、余氯、SAC、COD、TOC、氨氮、硝氮、污泥界面等。
一台余氯测量系统需占用两个通道,因此一台CMM442只能实现1个余氯参数的测量。
5.5.2E压力/差压变送器——SST
SST系列数字化·智能压力/差压变送器是采用世界先进的、成熟的、可靠的电容
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- 西江 水厂 棠下镇 自动化 控制 改造 技术 方案 预算