自來水廠自動化系統設計概述及方案比較

衣 巍 崔 丹

（濟南魯紡儀佳自控技術有限公司，山東濟南 250014）

概述、

自來水廠是社會公共事業中的一個重要部分，承擔著城鎮人們生活用水供應。按照國家行業標準《城鎮供水水質標準檢驗方法》（CJ/T 141-2018）規定，對自來水廠生產和供水水質指標有嚴格要求。自來水廠的凈水工藝為連續性工藝，將水庫或河流的水引入自來水廠，經過源水泵房、沉淀池、加藥/加氯、濾池、清水池、清水泵房等多個凈水處理、輸水加壓工段，最終將符合供水水質標準的清潔水源源不斷送給廣大用戶。在自來水廠工程設計和建設中除了要選用先進的凈水工藝，采用質量可靠的工藝設備，還應做好自來水廠自動化系統配套建設。

隨著信息技術進步，自來水廠自控系統應用水平近十年發生了很大變化。在凈水處理工藝重要部位設置了更多的在線監測、分析儀表和自動調節執行機構，從原來的常規現場一次儀表、就地儀表盤發展到當今的多功能傳感器、常規現場一次儀表、就地PLC柜（或DCS柜）、網絡集成，上位MES系統和SIS系統。在自來水廠集中控制室可實現對全廠凈水工藝的集中在線生產監控、智能化大數據管理和安全運行管理，為實現自來水廠的自動化、網絡化和智能化搭建一個基礎平臺。

自來水廠凈水工藝流程較長，廠區占地面積大，各工段擁有獨立的建筑物。比如一座產量為20萬立方/天的自來水廠，占地面積約2.5～3萬平方米，如果采用傳統的人工巡查方式，從源水泵房開始一直到清水泵房為止對整個凈水工藝巡查一遍，需要用時約40～50分鐘。所以當今在進行自來水廠的工程設計時，首先按照工藝專業提出的凈水工藝流程做好PI&D圖確認，進行現場儀表、現場一次儀表和執行機構的設計選型，確定集中控制室位置和面積，其中一個重要內容就是選用合適的集散控制系統架構。[1]所謂的集散控制系統是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機、通訊、顯示和控制等技術，其基本思想就是分散控制、集中管理。通過調查，目前我國自來水廠采用的集散控制系統架構基本采用兩種控制裝置，一種是PLC控制裝置，另一種是DCS控制裝置。在自動化領域，PLC（rogrammable Logic Controller） 是以實現的自動化功能來命名，DCS（istributed Control System）是以自動化組成的體系結構來命名。在我國行業內習慣稱謂PLC只是一種控制“裝置”，隨著PLC控制器的更新換代，尤其在功能模塊的擴展和通信功能的快速提升，采用PLC“裝置”也可以組成DCS體系結構。而DCS是另一種對控制“裝置”和“分散式控制系統”的統稱，兩者在“系統”與“裝置”上均有嚴格的區別。[2]這兩種由不同控制裝置組成的自來水廠集散控制系統相互之間有什么區別，在設計中需要注意哪些事項？本文通過對兩座相同凈水工藝、同等規模的自來水廠各采用不同的集散控制系統進行綜合設計對比，分析它們之間的不同。

1.水廠各工段的主要自控回路

自來水廠可以概括分為源水泵房、沉淀池、加藥/加氯、濾池、清水池、清水泵房等多個工段，根據每個工段的工藝流程和設備配置，按照工藝要求設計與之配套的自控回路。

①源水泵房也稱謂提升泵房，通過數臺水泵將地表水通過泵吸提升送入自來水廠內，在源水泵房工藝自控回路中需要設計有：提升水井液位指示，提升泵的遠程啟動/停止、故障報警、電流指示，提升泵的變頻調節等。

②沉淀池用于使源水中的固體顆粒和微生物凝聚、沉淀、排出，完成對源水的第一步凈化處理。在沉淀池工藝自控回路中需要設計有：進水流量指示，進水流量調節，格柵運行程序控制，刮泥機運行程序控制，定時排泥順序控制，池中沉淀物的礬花分析，出水濁度指示等。

③濾池是整個自來水廠工藝中最復雜的一部分，目前使用較多的是V型濾池，通過濾池過濾后可以將水處理的更加潔凈。每條濾池凈水工藝線由多個V型濾池組成，每個濾池的過濾、反沖洗、進水、排水均由嚴格的計算機程序自動控制完成。

④清水池具有自來水生產工藝的庫容存水作用，主要的工藝參數就是清水池液位指示和存水容量計算。

⑤清水泵房用來將處理后的凈水通過清水泵加壓外送，清水泵由多臺水泵組成，根據外供水量決定水泵的投運臺數。出于節能考慮，清水泵基本都采用變頻控制，可以實現多級變流量、恒壓供水方式運行。在清水泵房工藝自控回路中需要設計有：供水壓力指示/調節，清水泵的遠程啟動/停止、故障報警、電流指示，清水泵的變頻調節等。大功率的水泵還設有電機線圈、電機/變速箱軸承溫度指示。對于新建的自來水廠，還應該設置清水泵抽真空順序控制、清水泵泵后電動閥連鎖控制等。

在清水泵房還應設計出廠凈水的幾個重要參數的在線監測，常規的必測參數有：出廠水壓力、PH值、濁度、余氯、流量等。

⑥加藥/加氯間是水廠比較重要的工段，它由助凝/助濾藥劑調配池，計量泵，氯瓶/自動加氯機或二氧化氯發生器等組成。在加藥/加氯工藝自控回路中需要設計有：藥池液位指示、氯瓶自動切換、加氯量自動調節、計量泵加藥量自動調節、漏氯報警/風機聯鎖等。

⑦自來水廠的輔助工段主要有廢水回收工藝，空壓機供氣工藝，變配電，針對這些輔助工段需要設計的自控回路有：廢水池液位指示，潛水泵排泥連鎖控制，壓縮空氣壓力、濕度、溫度指示，配電室總電量指示等。

隨著自來水廠自控技術進步，許多自來水廠在設計以上常規自控回路之外，還研究開發了一些新的控制回路，比如，前/后加氯復合環自動投加控制回路，源水水質智能化分析回路，水廠能源綜合管理子系統，重要工藝設備故障自診斷子系統等。這些控制回路和子系統的功能在集散控制系統內可通過運行軟件組態來實現。

在新建自來水廠的工程設計中，需要總圖（或建筑）專業、工藝專業、電氣專業、自控專業集體協商確定水廠集中控制室在廠區內的具體位置和面積。集中控制室一般設在廠區內較為中心的區域，與水廠綜合辦公樓盡可能建設在一起，這樣能便于各工段至集中控制室之間的通訊電纜敷設和日后的生產管理。集中控制室的面積由自控專業根據需要安放的上位監控微機、操作臺、UPS電源柜體、大型顯示屏、網絡柜等數量來確定。在施工圖設計中還需要考慮自來水廠電纜敷設方式，一般在建筑物內的電纜采用電纜橋架敷設，建筑物外的電纜采用地下電纜甬道方式敷設，在較為集中轉彎處一定注意設電纜維修井，這樣的電纜敷設設計一勞永逸，對今后增加電纜的敷設或對電纜的維護檢查十分有益。

2.自來水廠集散控制系統網絡架構組成

根據自來水廠的工藝特點和廠內電控設備的分布，整個水廠采用集散控制系統是一個合理的自控系統設計方案。這個集散控制系統可以采用PLC控制裝置組成，也可以采用DCS控制裝置組成，究竟采用哪種更為合適，需要設計人員依據水廠的建設規模和水廠技術人員對自控系統的管理及應用能力來權衡確定。[3]

下面是一個典型的20萬立方/天自來水廠凈水工藝流程，占地面積約2.7萬平方米，全廠分為兩條凈水生產線，設有提升泵房、沉淀池、濾池、清水池、清水泵房、加藥間、二氧化氯間、高低壓配電間、綜合辦公樓等主要工段及建筑物，見圖1所示。

圖1 自來水廠凈水工藝流程及分布圖

按照每個工段自控專業設計最終確定的測量點、通訊節點、執行機構、電氣控制回路等進行各工段I/O點數匯總統計，由表1所示。

表1 自來水廠各工段I/O匯總表

如果按照西門子公司生產的S7-1200和S7-1500二個系列PLC模塊來組建每個現場控制站，共設S7-1500現場子站8個，S7-1200現場子站18個（其中每個V型濾格和每套二氧化氯加氯工藝現場各采用一套S7-1200），每個PLC柜體上設一個現場觸摸屏。每個濾格的PLC（S7-1200）采用MODBUS 通訊接口接入濾池主PLC（S7-1500），加藥/加氯設備配套的PLC（S7-1200）采用MODBUS 通訊接口接入加藥間主PLC（S7-1500），所有工段的PLC（S7-1500）采用TCP/IP通訊接口經光電轉換通過光纖引入水廠集中控制室，經網絡交換機與每個操作員站連接，操作員站共設5個，每個操作員站采用標準商業化工控組態軟件，由此組成了一個以PLC（S7-1200和S7-1500）為主體的自來水廠集散控制系統。見圖2所示。[2]

圖2 由PLC組成的自來水廠集散控制系統

再按照以NT6000系列DCS模塊為例來組建整個自來水廠集散控制系統，在兩條凈水工藝濾池間各設一個DPU柜，分別為DPU1和DPU2，由兩對DPU直接完成各自V濾工藝的邏輯控制。在A線沉淀池、A線清水泵房、原水提升泵房各設一個遠程I/O柜，采用冗余光纖將三個遠程I/O柜接入位于A線濾池的DPU1柜。在B線沉淀池、B線清水泵房、加藥/加氯間各設一個遠程I/O柜，采用冗余光纖將這三個遠程I/O柜接入位于B線濾池的DPU2柜。DPU1和DPU2再采用通訊形式通過冗余光纖引入水廠集中控制室，經網絡交換機與操作員站連接，操作員站同樣設5個，其中一個兼做工程師站。每個操作員站均安裝與DCS配套的工業組態軟件CCM Studio，由此組成以DCS為主體的水廠集散控制系統。見圖3所示。

圖3 由DCS組成的自來水廠集散控制系統

根據以上兩個不同集散控制系統架構圖可以看出，由多個現場PLC控制器組成的水廠集散控制系統與由兩個DPU控制器組成的水廠集散控制系統在功能上都可以實現在集中控制室對整個水廠工藝運行參數和運行操作的集中監控。但在整個自控系統架構上有較大的不同，在可靠性、性能指標上有一定的差距。下面從應用的范疇上來進行兩個系統的對比。

3.PLC與DCS兩個系統的綜合比較

DCS硬件系統在惡劣的工業現場具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。底層漢化的軟件平臺具備強大的處理功能，能提供方便的組態復雜控制系統的能力與用戶自主開發專用高級控制算法的支持能力，易于組態操作。DCS可提供多種通訊模塊，支持多種現場總線標準以便適應與各種帶通訊接口的智能設備進行通訊連接，滿足系統擴展需要。DCS系統采用合適的冗余配置和診斷至模件級的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統內任一組件發生故障，均不會影響整個系統的工作。

DCS系統通常采用國際標準協議 TCP/IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網絡，系統的拓展性與開放性更好。在DCS系統操作層，采用冗余的100Mbps以太網；在控制層，采用冗余的100Mbps工業以太網；在現場信號處理層，12Mbps的E—BUS總線連接中央控制單元和各現場信號處理模塊。而 PLC因為基本上都為單個小系統工作，在與其它的PLC或上位機進行組網通訊時，所采用的網絡形式基本都是單網結構，在網絡安全上 PLC沒有很好的保護措施。DCS系統是從整體上考慮，每個操作員站都具備工程師站功能，站與站之間在運行程序下裝后是一種緊密聯合的關系，任何站、任何功能、任何被控裝置間都是相互連鎖控制，協調控制；而將單個PLC互相采用通訊連接構成的系統，其站與站（LC與PLC）之間的聯系則是一種松散連接方式，做不出復雜協調控制的功能。所以，DCS網絡結構相比PLC網絡結構具有更高地可靠性、開放性及先進性。

DCS在系統產品設計上留有大量可擴展性接口，外接系統或擴展系統都十分方便。PLC所搭接的整個系統完成后，很難增加或減少操作員站。為保證DCS控制設備的安全可靠，DCS采用了雙冗余的控制單元、電源單元、網絡單元，當某一工作單元出現故障時，都會有相關的冗余單元實時無擾的切換為工作單元，保證整個自控系統的安全可靠。而PLC所搭接的集散控制系統則很難實現以上三個單元的冗余。

另外，DCS系統所有I/O板卡都帶有CPU，可以實現對信號采集及輸出信號品質判斷與量程變換，可故障帶電插拔，隨機更換。而PLC模塊只是簡單電路轉換，沒有智能芯片，故障后相應單元全部癱瘓。DCS各種模塊配有單獨的底座，底座上直接帶有與外部聯系的接線端子，每個底座通過通訊方式與DPU互聯。一個標準DCS柜體可以裝配I/O點數約300～350左右，柜內電纜敷設、接線、維護等均比較方便。而PLC模塊（如：S7-1200或S7-1500）采用的是集中底座結構，各種模塊均與CPU模塊、電源模塊、通訊模塊插在一個底座上，I/O與外部接線端子直接集成在模塊上端，與外部聯系的信號電纜需要先經過中間接線端子，再接到I/O模塊端子。一個標準PLC柜體只能裝配I/O點數約250點以下，柜內布置緊湊，模塊端子接線密集，對日后的I/O擴展和維護等遠不如DCS方便。[3]

進行自來水廠集散控制系統現場調試是一項復雜工作，當需要對某個控制回路進行邏輯變更，調試工程師只需要在集中控制室DCS工程師站上對新的邏輯回路進行編譯，執行下裝命令就可以了，下裝過程是由系統自動完成的，不會影響原控制邏輯的運行，DCS系統組態軟件內含的各種控制軟件與算法較為豐富，可以滿足各種常規控制回路邏輯組態的基本需求。而對于 PLC，軟件編制和現場調試工作量顯得極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪種型號的 PLC，然后要采用對應的編程軟件進行PLC程序現場編譯，最后再用專用的編程機器（一般用筆記本電腦）在現場一對一的將程序傳送給這臺 PLC。隨后還要重新修改現場觸摸屏的組態程序，還要到集中控制室修改每臺操作員站上的組態程序。要完成由PLC組成的自來水廠集散控制系統調試，需要具備PLC的編譯程序，觸摸屏編譯程序，操作員站編譯程序，每種編譯程序分別由不同的廠商提供，需要分別學習，掌握和應用。進行一個自來水廠全部集散控制系統的現場運行調試，對于PLC架構的系統需二人工作20至30天，需要到每套PLC柜現場對每套PLC進行程序下裝和調試，最后再到集中控制室進行上位機與現場PLC網絡聯調。如果對于DCS架構的系統只需一人工作10至15天，直接在集中控制室即可完成對整個集散控制系統聯調。由此可見，PLC系統的調試時間和調試成本大于DCS系統，而且極不利于日后的系統維護，在控制精度上也與DCS相差甚遠。這就決定了為什么在大中型自控項目中（I/O在250點以上）不建議采用全部由PLC組網而成的集散控制系統。

另外，PLC系統在可靠性上明顯低于DCS，每年運行維護費比DCS系統高2～3倍。進行現場更換或擴展I/O模塊PLC也遠不如DCS方便，更換PLC的I/O模塊時必須停電，先將前面的端子板拔下移開后才能將模塊插拔進行更換或檢查。而DCS的I/O模塊接線端子在模塊底座的二側，很方便進行模塊的擴展和查線，DCS的I/O模塊可以帶電插拔。

目前，在集中控制室與PLC連接的上位操作員站無一例外地使用商品化通用工業組態軟件，比如：WinCC、inTuch、iFix、Kingview、ForceConTrol等等。這些商品化通用工業組態軟件出于市場各種用戶需要和應用的靈活性，在組態軟件內嵌有大量與各種型號PLC或其它智能設備進行連接的通訊驅動程序，還在組態程序控件庫內嵌裝了許多工藝設備圖形供不同行業的軟件組態人員靈活使用。但是這些功能也有它的反作用，最直接的反應就是影響組態程序的運行速度。而DCS的組態軟件僅僅針對專用的DPU和配套通訊、I/O模塊等，也沒有過量的圖形和圖例，將軟件組態的主要功能放在邏輯編譯和控制算法上，雖然在顯示畫面上不如商業化組態軟件做的美觀，但在復雜控制回路或多層邏輯控制等程序組態上遠優于商業化組態軟件，在程序運行速度上快于商業化組態軟件。

DCS作為當今國際上先進的工業現場控制系統，應用領域已經從原來的石化、鋼鐵、發電等行業逐漸擴展到交通、紡織、環保、供熱、污水治理等行業。但在國內自來水廠行業采用DCS為基本控制器構建的集散控制系統比較少，多數自來水廠還是采用PLC。通過調查，造成這一現象的主要原因有二個，一是國內自來水廠不論是新建或改造基本上采用工程總承包的形式，而國內為數不多的水務工程公司出于降低投資，提高利潤，保護自己工藝知識產權等目的，對于中標后的水廠工程習慣性地采用自己熟悉的PLC架構來組建自來水廠集散控制系統。二是國內從事水務工程設計的單位為了滿足建設單位建設工期要求，習慣性地直接套用以前完成的設計圖紙，如此以來采用PLC架構的水廠集散控制系統就成了我國自來水廠目前的主流形式。還有一個原因，自來水行業仍停留在十幾年前的認識上，認為PLC價格比DCS低，將采用DCS成為一種投資奢望。這種認識在2010年以前是對的，一座大約有1000點I/O規模的自來水廠采用DCS的系統投資會比PLC的系統投資多2.5倍以上。隨著近十年我國電子信息及自動化行業的飛速發展，DCS國產化水平明顯提高，DCS硬件價格大幅度下降。下面以一座2018年建設的20萬噸/天規模自來水廠為例，按照PLC和DCS二種集散控制系統進行相互投資對比，見表2所示。采用PLC架構的投資為113萬元，采用DCS架構的投資為105萬元，二者之間差額為8萬元，而且采用DCS架構的投資反而比PLC架構要低。

表2 采用PLC和DCS二種集散控制系統投資對比

4.結束語

通過以上自來水廠自控系統設計案例， 將PLC和DCS二種不同集散控制系統架構進行了多方面的對比，對于新建自來水廠應直接采用DCS架構，而對于已建自來水廠的自控系統改造，可以在每條凈水工藝濾池工段新增一對DPU，對各工段原有的現場PLC進行診斷，運行良好的可采用通訊方式接入DCS系統，運行欠佳的可直接采用DCS遠程I/O柜或擴展柜在原來位置替換PLC柜。為適應下一步我國新概念水廠或者智慧水廠的建設需要，配合我國自來水廠在自動化、網絡化、智能化方面的技術發展，采用DCS組建自來水廠的集散控制系統勢必成為今后一個時期的發展主流。