施耐德电气自动化产品在水厂中的应用
【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
*、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*先进的水处理工艺设备的同时，广泛采用*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*电南瑞科技股份有限公司（简称：*电南瑞）是**业界著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*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*电南瑞应用Schneider电气自动化产品为*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*西北地区*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*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*立两组，每组设计规模为10万m3/d。沉淀池为水厂的核*工艺系统，包含了水厂的核*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*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**立的两格，设手动闸板连通，正常运行时各自*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*水泵，4用1备。
6、加药间、储液池
加药间、储药池为水处理核*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*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*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*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*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、*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*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*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*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*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*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、*功功率等信号；
4、 通过140CPU43412A主控制器模件上的另*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*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、*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