水厂与污水厂自动化系统部署与实施

实现水厂自动化控制的核心是通过PLC（可编程逻辑控制器） 构建一套 SCADA（数据采集与监控系统） 系统。它取代了传统的人工操作和本地仪表控制，实现水处理全流程的集中监控、自动运行、智能调节和高效管理。以下是详细的实现方式和关键组成部分：

一、 PLC水厂自控系统的核心目标

1. 保证水质： 精确控制工艺参数（如浊度、pH、余氯、压力、流量等），确保出厂水符合国家标准。

2. 提高效率： 优化运行，降低能耗（电耗、药耗），减少人工干预和操作强度。

3. 保障安全： 实时监测设备状态、管网压力、水质突变，及时发现并处理故障，防止事故发生（爆管、水质污染）。

4. 稳定运行： 实现24/7连续可靠供水，减少人为操作失误。

5. 数据管理： 自动记录、存储、分析运行数据，为优化工艺、成本核算、管理决策提供依据。

二、 PLC自控系统的主要组成部分

1. 现场层 (Field Level)：

传感器/变送器： 安装在工艺各环节，实时采集数据。

流量计： 原水、出厂水、加药、反冲洗水等流量。

液位计/液位开关： 取水口、反应池、沉淀池、滤池、清水池、加药罐、污泥池等液位。

压力变送器/开关： 水泵进出口、滤池、输配水管网压力。

水质分析仪： 在线浊度仪、pH计、余氯/二氧化氯分析仪、COD/氨氮分析仪（根据需要）、温度计等。

其他： 压差开关（滤池）、 压差开关（滤池）、阀门开度反馈、电机运行/故障状态、电量参数（电压、电流、功率）等。

执行机构： 接收PLC指令，执行操作。

电动/气动阀门： 进水阀、排水阀、反冲洗阀、加药阀、切换阀等。

电机启动器/变频器： 控制水泵（取水、送水、反冲洗）、搅拌机、鼓风机等启停和调速。

计量泵/调节阀： 精确控制混凝剂、助凝剂、消毒剂（氯、二氧化氯、消毒剂（氯、二氧化氯）、酸碱等的投加量。

现场设备： 水泵、搅拌器、刮泥机、鼓风机、臭氧发生器、紫外线消毒设备等。

2. 控制层 (Control Level)：

PLC站： 系统的“大脑”。

功能： 接收现场传感器信号，根据预置的控制逻辑（程序）进行运算、判断，发出控制指令驱动执行机构。

部署： 通常按工艺段或区域分布式部署多个PLC站（如：取水泵房PLC、加药间PLC、滤池PLC、送水泵房PLC、污泥处理PLC），实现分散控制、集中管理。大型水厂或重要工艺段采用冗余PLC（CPU、电源、通讯模块冗余）提高可靠性。

主要品牌： 西门子 (S7-1200/1500)、罗克韦尔/AB (ControlLogix, CompactLogix)、施耐德 (Modicon M580, M340)、欧姆龙 (NX/NJ系列)、GE (Rx3i) 等。

3. 监控层 (Supervisory Level)：

SCADA服务器：

运行SCADA核心软件（如 Wonderware, iFix, WinCC, Citect, GE CIMPLICITY, Ignition 等）。

负责与所有PLC站进行通讯，采集、处理、存储所有实时数据（历史数据库）。

运行高级应用（如报表生成、趋势分析、性能计算、报警管理）。

操作员工作站 (HMI)：

为运行人员提供图形化人机界面，显示全厂工艺流程图、设备状态、实时数据、报警信息、趋势曲线。

允许操作员进行远程监控、参数设定进行远程监控、参数设定、设备启停/调节（在安全权限内）、确认报警等操作。

工程师站：

用于PLC程序开发、调试、修改和维护；SCADA组态画面编辑、数据库配置；画面编辑、数据库配置；系统诊断。

历史数据库服务器： 专门存储长期历史运行数据。

网络设备：

工业以太网交换机： 构建主干和现场控制网络（通常采用环网或星型拓扑，关键部分冗余）。

通讯介质： 光纤（主干、长距离、抗干扰）、工业以太网电缆（较短距离、控制室内）。

协议： 常用工业以太网协议如 Ethernet/IP, Profinet, Modbus TCP/IP。现场设备常用 Modbus RTU, Profibus DP 等，通过网关或通讯模块接入PLC。

无线通讯： 用于偏远站点（如水源井、管网监测点）的数据回传（4G/5G, LoRa, NB-IoT）。

4. 信息层/管理层 (Management Level - 可选但日益重要)：

Web服务器： 允许授权用户通过浏览器远程查看关键生产信息（非控制）。

MES/生产管理系统： 集成SCADA数据，进行生产调度、物料管理、能效分析、维护管理。

云平台： 用于大数据分析、远程专家诊断、跨区域水厂协同优化。

与GIS、营收系统接口： 实现更全面的智慧水务管理。

三、 PLC实现水厂关键工艺自动控制的方式

1. 取水泵房：

PLC根据清水池水位（有时结合管网压力）自动控制取水泵的启停台数（泵阀联动）。

通过变频器调节水泵转速，实现恒压或恒流量供水，节省能耗。

监测水源水位、水质（浊度、pH初步值）、水泵运行状态和电气参数。实现水泵轮换运行和软启动/停止。

2. 加药系统 (混凝/絮凝)：

流量比例控制： PLC根据原水流量按比例调节计量泵冲程/频率或调节阀开度，控制加药量。

前馈-反馈复合控制 (高级)：

前馈： 根据原水流量、浊度（有时包括pH、温度）快速估算基本加药量。

反馈： 根据沉淀池出水浊度（或絮凝效果在线检测）对前馈量进行微调（PID控制）。

自动切换加药罐、配药、搅拌控制。监测药罐液位低报警。

3. 沉淀池/澄清池：

控制刮泥机/排泥阀按定时或根据污泥界面仪/泥位计信号定周期/定泥位自动排泥。

监测池内水位、出水浊度。

4. 滤池控制 (V型滤池、虹吸滤池等常见)：

恒水位过滤控制： PLC通过调节滤池出水阀开度（PID控制），维持滤池内水位恒定，保证过滤效果稳定。

自动反冲洗：

触发条件： 过滤时间到达设定值、滤池水头损失（压差）达到设定值、强制冲洗命令。

顺序控制： PLC严格按照预设的时序和逻辑，自动控制关闭进水阀/降低水位 -> 启动反洗风机（气冲） -> 开启反洗水阀（水冲）-> 关闭风机 -> 停止反洗水 -> 关闭排水阀 -> 开启进水阀/恢复正常水位 -> 投入过滤。各步骤时间、强度均可设定。

监测滤池水位、压差、阀门状态、风机/水泵状态。

5. 消毒系统 (氯/次氯酸钠/二氧化氯/紫外线/臭氧)：

余氯反馈控制 (最常见)： PLC根据出厂水流量（前馈）和出厂水余氯值（反馈，PID控制），自动调节加氯机阀门开度或计量泵频率。

复合环控制 (高级)： 在管网末梢设余氯监测点，PLC根据出厂水和末梢水余氯值进行更精准的控制。

紫外线/臭氧： 根据流量和水质（如UVT）调节照射强度或臭氧投加量。

监测氯气泄漏（报警联锁）、消毒剂储罐液位/压力、设备运行状态。

6. 清水池/送水泵房：

PLC根据清水池水位自动控制送水泵的启停台数。

通过变频器调节水泵转速，维持管网最不利点或设定点恒压供水（PID控制），这是节能的关键。

实现水泵轮换、软启停。监测管网压力、水泵状态、电量参数。

7. 污泥处理系统：

控制排泥泵、污泥浓缩机、脱水机（离心机/板框压滤机/带机）的启停和联动。

根据污泥池液位、时间或泥位计信号进行自动排泥和脱水操作。

监测药液投加（絮凝剂）、设备运行状态。

8. 全厂联动与安全：

PLC实现工艺段之间的安全联锁（如清水池低水位时禁止送水泵启动，滤池反冲洗时需满足水压/气源条件）。

重要参数超限（水质、压力、液位、设备故障）时，PLC触发声光报警，并在HMI上显示。严重时自动执行安全联锁（如停泵、关阀）。

PLC程序内置设备保护逻辑（如水泵干转保护、电机过载保护）。

四、 实现步骤概述

1. 需求分析与方案设计：

详细分析水厂工艺、规模、现状、管理需求、预算。

确定自动化范围、控制策略、系统架构（PLC选型、网络拓扑、SCADA软件选型）。

编写功能需求规格说明书和详细设计文档。

2. 设备选型与采购： 选择可靠性高、兼容性好的PLC、HMI、SCADA软件、仪表、执行机构、网络设备。

3. 系统集成与编程组态：

PLC程序设计：使用梯形图、功能块图、结构化文本等语言编写各工艺段的控制逻辑、联锁保护、PID调节算法。

HMI/SCADA组态：设计工艺流程图、数据点组态、报警组态、趋势组态、用户权限管理、报表模板。

数据库组态：配置实时数据库和历史数据库。

网络配置：配置交换机、路由器、通讯参数、协议。

4. 现场安装与接线： 安装PLC柜、仪表、执行机构，完成电气和信号线缆的敷设与接线，确保符合规范（接地、屏蔽、防雷）。

5. 系统调试与联调：

单体调试： 测试每个传感器、执行机构、PLC站点的信号和基本功能。

回路调试： 测试控制回路（如PID调节）的响应和稳定性。

联动调试： 测试工艺段内及工艺段之间的联动和联锁逻辑。

SCADA调试： 测试数据采集、画面显示、报警、记录、控制功能。

参数整定： 对PID参数、工艺设定值（时间、液位、压力阈值等）进行现场优化调整。

6. 试运行与验收：

系统投入试运行，观察实际运行效果，解决出现的问题。

培训用户操作和维护人员。

进行系统性能测试和功能验证，完成最终验收。

7. 运行维护与优化：

日常监控与操作。

定期维护硬件（清洁、紧固、备份）。

软件备份与更新。

根据运行数据持续优化控制参数和策略。

故障诊断与排除。

五、 关键成功因素

精确可靠的仪表： 仪表是系统的“眼睛”，其准确性直接影响控制效果。

稳定可靠的PLC硬件和网络： 保障系统长期稳定运行的基础。

合理优化的控制策略： 控制逻辑和参数（尤其是PID参数）要适应实际工艺特性，需要经验和反复调试。

完善的报警和联锁： 保障安全和及时发现异常。

清晰的HMI界面： 方便操作员快速掌握系统状态和进行操作。

详实的文档和培训： 便于维护和人员交接。

专业的实施和维护团队： 经验丰富的工程师是项目成功的关键。