控制系统设计方案
1 系统总体结构
系统总体结构示意图
1.1系统总体结构概述
系统主要分为自动化监控系统、在线水质监测系统、视频安全监控系统、一体化水厂控制系统中心平台等。
传统供水站基本采用独立系统的思路进行设计建设，由于设备分布于不同的位置，控制和信息获取均分散实现，缺乏对整个供水站设备工作情况的整体掌握，极大的增加了工作人员的操作难度和工作量，容易造成供水站生产工艺流程的缺失从而导致供水质量事故，不利于现代化的管理。
采用一体化水厂自动控制系统，工作人员在控制中心便可以对整个供水站的各种设备进行实时监控与控制，调整系统的运行参数。同时系统还可以对设备状态变化进行智能判断，为工作人员的决策提供数据支持。
一体化水厂自动控制系统系统由中控室和多个控制站组成，各控制站采用PLC对设备进行控制和数据采集，通过工业以太网通讯，实现集中监控管理、集中控制、数据共享。控制模式上采用中控室和现场手动操作的两级控制模式。
1.2控制网络
由于供水站各设备、站点分布距离较远，需采用光纤、以太网或VPN专网进行通讯，系统通过光纤、以太网或VPN网络将各处分散设备连接起来，主要包括加药间、加氯间、清水池、送水站、污泥处理间、中控室等，从而实现各分散设备间的数据和信号传输。
2 自动化监控系统
自动化监控系统主要是实现自来水厂机电设备的自动化控制和监控，在关键位置安装监测设备，采集重要数据，数据通过网络传输到中心控制平台，从而实现对整个水厂的控制和有效监控。主要包括：
u 混合器设备控制
u 加药设备控制
u 排泥及气浮设备控制
u 滤池及反冲洗控制
u 加氯设备控制
u 送水站设备控制
u 污泥处理间设备控制
2.1混合器设备控制
实现混合器设备的远程控制和数据采集，主要包括：
a、电动阀远程启停控制
b、电动阀状态监测
c、电动阀根据清水池水位自动控制
d、进水流量监测
e、数据通过PLC采集上传至中控室计算机上显示
f、水源水位监测
2.2加药设备控制
原水进入水厂后需投加絮凝剂进行絮凝沉淀，使原水胶体成分快速聚集沉降，然后经过一系列的分离手段降低原水的浊度，从而达到饮用水的浊度标准。需对絮凝剂的投加量进行精确控制，保证饮水安全。
自动加药设备控制主要功能和要求：
1、配置成套加药设备，加药设备可通过现场控制箱本地控制，也可通过PLC进行远程控制。
2、储药罐容量至少可保证20小时连续运行，即日产3600方自来水的药剂投加量。
3、配置两套计量投加泵，将絮凝剂输送到投加点，计量投加泵为一用一备，当其中一套投加泵出现故障可自动切换到另一套投加泵使用。
4、絮凝剂的投加量能准确的显示在计算机上，操作人员可通过原水水质和出水水质信息对絮凝剂的投加量进行远程调节。
5、储药罐安装液位传感器，能通过PLC采集并传输到中控室，便于工作人员了解当前储药罐剩余的溶液量，及时配制絮凝剂。
6、计算机能显示相应的报警信息及故障信息。
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2.3加氯设备控制
原水经过絮凝、沉淀、过滤后，去除了大量无机物和杂质，但无法去除水中的微生物和细菌，需对其进行消毒处理。次氯酸钠是强氧化剂和消毒剂，它是通过取源于广泛价廉的工业盐或海水稀溶液，经无隔膜电解而发生的。为确保次氯酸钠质地新鲜和有较高的活性。消毒效果，本装置一边发生，一边将发生的次氯酸钠投加使用。它与氯和氯的化合物相比，具有相同的氧化性和消毒作用。
次氯酸钠消毒是电解法次氯酸钠发生器生产, 有如下诸多优点：
1、原料容易采购。次氯酸钠发生器所使用的原料是食用盐，食用盐的采购非常简单，比二氧化氯、臭氧发生器这样的设备相比，次氯酸钠发生器使用的原料采购难度可以忽略不计。因此，对于那些化学品采购比较困难的地区，可以考虑二氧化氯发生器。
2、安全。次氯酸钠发生器与其他类型的消毒设备另外一个最大的优势是安全。二氧化氯发生器或二氧化氯成品药剂，以及臭氧等在运输、制备或使用过程中都存在安全隐患，对于操作人员的要求比较高，所以对于那些不具备人员配备的用户来说，次氯酸钠发生器是很好的选择。
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3、次氯酸钠的效率十分，它会在水中与有机物微生物结合，通过渗透将这些有机微生物的细胞核破坏，从而死生物，达到目的。
自动加氯设备控制主要功能和要求：
1) 使用次氯酸钠对原水进行消毒处理。
2) 配置全自动次氯酸钠发生器。
3) 次氯酸钠发生器需满足水厂日产3600吨自来水所需的次氯酸钠产量。
4) 次氯酸钠设备具有通用的通讯接口（MODBUS），相关参数和信息可通过PLC采集上传到计算机，并能通过计算机对用户参数进行设置（例如计量泵流量调节，设备启停控制等）。
5) 制备次氯酸钠的原料具有一定的腐蚀性，需考虑防腐保护措施。
6) 加氯站有必要的通风及排气措施。
7) 加氯能实现前加氯和后加氯切换，前加氯管道接至絮凝剂投加点，提前对原水进行消毒、杀菌和杀藻处理；后加氯对过滤后的水进行消毒处理。
8) 次氯酸钠发生器能将消毒液可靠的输送至投加点。
2.4排泥设备控制
通过进水浊度仪采集的数据来分析，通过不同的浊度来决定排泥的时间，在低浊度的时候虽然泥量少也要保证排泥的最小时间，采用中控手动排泥，到时间自动提醒操作人员排泥。
1、沉淀池安装自动排泥阀；
2、排泥阀可本地手动控制也可远程自动控制；
3、可通过PLC设定自动排泥周期及排泥时间；
4、通过原水浊度自动调整排泥时间；
2.5滤池及反冲洗控制
在虹吸管安装反冲检测器，并记录时间，如果在规定的时间内没有自动反冲，那么将自动启动强制反冲系统电磁阀反冲，如果在中控手动，将发出警报提醒操作人员。
1、监测并记录每天反冲洗间隔时间和次数；
2、可设定反冲洗间隔时间，在规定的间隔时间内未反冲洗系统便自动强制反冲洗；
2.6送水站设备控制
实现送水站设备的远程控制和数据采集，主要包括：
1) 送水泵远程自动化控制
2) 送水压力检测
3) 送水流量监测
4) 清水池水位监测
2.7污泥处理间设备控制
实现污泥处理间设备的远程控制和数据采集，主要包括：
① 排水池水位监测
② 排泥池水位监测
③ 提升泵远程控制
④ 浓缩池设备自动化控制和监测
⑤ 储泥池设备自动化控制和监测
⑥ 污泥脱水间设备自动化控制监测
3 在线水质自动监测系统
3.1在线水质自动监测系统
在线水质自动监测系统是一个以在线自动分析仪器为核心，运用自动控制技术、计算机技术以及相关的专用分析软件和通讯网络，组成一个从水样采集、水样预处理、水样测量到数据处理及存贮的综合性系统，从而实现水质自动监测站的在线自动运行，加强对自来水厂的运行情况实施动态的监督管理。
水质自动监测系统包括采样系统、在线自动分析仪表系统、控制和管理系统、通讯系统及远程监控管理中心等系统构成。
系统通过在线水质监测，实时掌握一体化水厂控制系统供水的水质状况，预警预报水质污染事故。系统能够自动实现水样的连续等比例采样，完成氨氮、COD、溶解氧、PH值、浊度、温度、次氯酸钠等参数的在线监测，最后通过工业以太网络把信息传输到控制中心。在线水质监测设备应稳定可靠，测量准确，减少维护。在线水质监测系统主要包括：
u 原水在线水质监测
u 出厂水在线水质监测
3.2原水在线水质监测
对水源原水重要水质指标进行在线监测，主要监测水质容易受环境气候等因数出现变化的指标。系统根据实时采集的水质状况，自动分析水质变化趋势，当水质出现明显变化时，能够及时发出预警预报，防止受污染的原水进入厂区，并提醒工作人员调整制水工艺参数，保证水质合格。
原水在线水质监测主要包括：
u 浊度在线分析仪
u 温度在线分析仪
u PH在线分析仪
3.3出厂水在线水质监测
对经过净水厂处理后的清水进行在线监测，确保送出去的水是安全合格的。同时工作人员根据出厂水水质情况调整制水工艺参数，在保障水质合格的情况下降低药剂的消耗量，节约制水成本。
出厂水在线水质监测主要包括：
u 浊度在线分析仪
u 余氯在线分析仪
u PH在线分析仪
4视频监控系统
4.1网络视频监控系统
水厂对厂区内的生产设备、公共区域等重点场所进行全方位、全天候实时视频监控，为一体化水厂控制系统的安全生产提供强有力的保障，同时全面、科学、有效的提升一体化水厂控制系统生产管理水平。
一体化水厂控制系统网络视频监控系统，采用单独光纤或视频线传输，充分保证传输质量和信息的安全性。
设备安装于水源地、取水泵站、配水井、加药站、加氯站、沉淀池、送水泵站、厂区、大门等位置。
加药站视频监控：配合控制中心对加药设备进行监控，查看设备运行状态，加药灌液位是否正常，保障投药安全。
加氯站视频监控：对加氯设备进行监控，查看设备运行状态，储药罐液位是否正常，加氯设备运行是否正常，保障加氯安全。
沉淀池视频监控：用于监控原水投加絮凝剂后的反应情况，观察矾花的生成情况，以及沉淀效果，便于及时调整加药量，监控摄像机不仅可以方便的观测加药设备及管道是否正常，而且能很方便的观测到全一体化水厂控制系统的安全状况。
送水房监控，配合控制中心，视频和设备运行状态同步反馈，可安全便利的远程操作送水泵，水质在线监测设备 ，保证送水安全。
厂区视频监控：防止无关人员进入供水站厂区，保证厂区生产安全。
一体化水厂控制系统大门，监视整个厂区及进出厂区人员，保证厂区安全。
远程终端：可控制远端云台进行360°旋转，摄像头变焦图像拉近， 红外线镜头保证无光源情况下一定的可视度。一体化水厂控制系统网络视频监控系统可以实现本地、远程的录像存储及录像查询和回放。便于故障原因的分析，事故责任的认定。
5 一体化水厂控制系统中心平台
5.1 中控室平面布置图
4.5.2中控室网络示意图
4.5.3 防雷接地
采用均衡接地网方式埋设防雷接地体，接地网采用环形埋设方式，即在粘土地质条件下，在边长为4米的正方形四边开挖0.8米深的地沟，在正方形的四角各打入一根长度为2米的φ60毫米镀锌管或L80毫米镀锌角钢，并将四根桩用40毫米镀锌扁钢在沟底焊接在一起，再分两根引出地面，并进行接地电阻测量合格后对地沟回填土埋实即可。若打入四根桩接地电阻不能满足要求，则进一步拉开距离增加打接地桩，土质少的地质条件下还应采用降阻剂等措施使接地电阻达到要求值。
从接地网引出两根接地线，其中一根与交流电源地线在进入室内前相连接（焊接），另一根引到机房安装设备处作为设备防雷接地。防雷接地引线需要用3×30毫米镀锌扁钢，在扁钢顶端上预留φ8毫米孔装配接线端子（铜鼻子）与横截面积大于35mm2的多股铜芯线相连，接入机房地网。供电接地与交流电源零线不允许相连。
机房用3×30mm2中铜片在机房地板下沿四周铺设成二个闭合环，分别作为设备地和保护地，二个闭合环之间连接均衡器。
6软件系统
6.1一体化水厂控制系统中心平台系统
中心集中控制系统实现了水厂整体工艺流程监控、各主要工艺设备运行状态监控、过程控制及各生产环节生产数据的实时采集与显示。对于实时采集的数据提供临界值报警、生产数据历史变化记录，水质在线设备的时候在线数据分析。对水厂提高水厂管理的自动化、科学化、信息化发挥了巨大的作用。
一体化水厂控制系统中心平台系统是整个控制系统的核心，主要由计算机网络、数据库、应用系统组成。
集中控制系统系统结构图
6.2一体化水厂控制系统中心平台系统软件
一体化水厂控制系统中心平台系统通过工业以太网实现了对该项目的控制设备集中管理,统一调度控制，提高了现有设备的利用效率，减轻了操作人员的劳动强度。同时系统还通过视频监控模块实时监控厂区和各站点的安全状况保障了制水安全。
控制管理系统主要由数据通讯处理模块，实时监控模块，视频监控模块，实时数据记录模块，权限管理模块，历史数据查询模块，故障监测预警模块，在线水质分析模块，数据上传下达模块，对外信息发布模块组成。
6.2.1 实时监控模块
实时监控模块通过简单、直观、专业的图形化展示界面，实现对整个厂区的制水工艺流程的实时监控，提供给工作人员一个简单直接的展示界面。同时模块还对设备的运行状态进行实时的检测与分析，把设备的当前的工况参数、运行状态、故障信息等以专业的图表方式展示给工作人员，为水厂的运行状态分析提供数据支持。该模块的主要功能如下：
a. 实时状态展示
b. 设备状态监控
c. 设备工况数据展示
d. 设备实时运行曲线展示
e. 设备故障告警展示
4.6.2.2 数据通讯处理模块
数据通讯处理模块通过接入工业以太网，实时对数据进行采集。同时模块通过专业的数据通讯处理模块实现了高速数据交换服务，提高了整个系统的实时性和安全性。数据通讯模块的主要功能如下：
a. 实时数据采集
b. 异常数据过滤
c. 故障检测
d. 数据校验
e. 动态带宽优化
6.2.3 实时数据记录模块
实时数据记录模块通过接收数据采集模块传输的数据，对数据进行整理和验证。验证完成后通过数据库访问接口把数据存储到数据库中，在数据存储的同时为保证系统响应速度，还将数据更新到内存数据库中以便系统中其他模块快速调用和处理，模块的主要功能如下：
a. 实时历史数据存储
b. 实时内存数据更新
c. 数据校验
d. 数据变化趋势记录
e. 操作历史记录
f. 系统日志记录
6.2.4 视频监控模块
为保障系统安全稳定运行，实时视频监控是不可缺少的部分。系统中我们通过视频服务器对实时视频进行播放与记录，并可以通过历史时间选择调出任意时间段的视频录像信息，保障了厂区和供水安全，视频监控模块主要功能如下：
a. 实时视频网络服务
b. 历史视频信息存储
c. 历史视频检索
d. 云台控制
e. 视频访问控制服务
6.2.5 权限管理模块
系统采用多级权限管理，对不同的管理人员分配以不同的管理权限，对各种设备操作权限也需要进行独立授权，同时通过严格的权限认证管理体系对用户的每一步操作都将进行独立权限验证控制，极大的保障了系统的运行安全。权限管理模块主要功能如下：
a. 权限分配管理
b. 用户角色管理
c. 用户管理
d. 权限验证管理
e. 访问控制管理
f. 系统登录验证管理
6.2.6 历史数据查询管理系统
系统在运行状态中将对设备工况参数，进水流量数据，出水流量数据，设备运行状态，制水工艺数据等数据进行实时记录。在历史查询模块中将可以对记录的历史数据进行筛选，归类处理并产生各种专业的报表数据，系统的主要功能如下：
a. 操作历史记录查询
b. 抽水水量报表
c. 输水水量报表
d. 水厂日，月，年制水统计报表
e. 图形报表
f. 历史曲线报表
6.2.7 故障监测预警模块
在系统运行中如果设备出现突发异常，实时故障监测预警模块将及时通过声，光等多种方式对用户进行提醒和预警以保障系统的安全运行。模块中还将通过对设备运行状态的判断，给出常见故障的排除方式，为用户提供故障排除指引。故障监测预警模块主要功能如下：
a. 故障判断
b. 故障数据过滤处理
c. 故障综合预警处理
d. 声光报警系统
e. 常见故障维护指南
f. 设备故障检索
6.2.8 在线水质监测模块
水厂运行中水质安全是整个水厂安全运行的基础，只有保障了水质的安全才能实现供水安全。水质分析模块对水质进行实时分析，对入水口和出水口的水质进行实时比对分析，当水质指标低于设定警戒线时系统将自动进行告警。在线水质监测模块主要功能如下：
a. 实时水质变化曲线
b. 水质告警门限设置
c. 水质在线分析
d. 水质对比曲线
e. 水质分析历史报表
6.2.9 数据上传下达模块
为推动水厂管理信息化的建设，水厂管理系统中预留数据上传下达模块。通过该模块县、市水利管理部门可以定时接收到水厂自动上报到中心的运行数据，水厂管理部门可以及时了解到水厂运营状况以及实时水质状况等信息。数据上传下达模块主要功能如下：
① 日，月，年水厂运营报表上报
② 水质异常状况上报
③ 水厂每日用水信息上报任务通知下达
④ 信息上报管理
6.3在线水质分析系统
水质在线监测站可实时的对源水以及出水水质进行多参数的在线监测，为水质监控提供完整的解决方案.通过分析系统可及时地掌握系统中各流程点的水质状况，有效地保证饮水安全。系统主要功能如下：
a. 实现生产工艺过程水质自动监控；
b. 实现快速、准确、及时的监控水质安全，确保水厂水质安全；
c. 通过计量和监测，及时、准确地得到水质的分析数据，为科学决策提供依据；
d. 对汇总的信息进行分析，预测水源变化趋势，防止发生突发性污染事故。
系统软件完成数据的管理、统计、分类、打印监测数据，可显示及打印输出日、周、月、季、年平匀数据以及日、周、月、季、年最大值、最小值等各种监测、统计报告及图表（棒状图、曲线图多轨迹图、对比图等）。收集并可长期存储指定的监测数据及各种相关运行资料用于检索。系统具有监测项目超标及监测站状态信号显示、报警功能,统一的控制流程。
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