源作者:电气技术
mpi是一种可直接运行的程序对吗本文结合吉林市第三净水厂自动化控制系统的实例，详细介绍了控制系统的配置和功能。该系统已经运行了一年多，节省了劳动力，提高了管理水平，产生了很好的经济效益。本文介绍了控制技术。TVS监控系统、监控仪表，德国西门子公司的产品。
1 前言
吉林市于1998年建成二水厂（净水厂）,于2004年建成三水厂（净水厂及原水给水厂），二水厂与法国得利满公司合作，V型滤池计算机系统由设计院和法国得利满联合设计。V型滤池用的设备（阀门、仪表、控制台）材料，送水泵房的水泵，高压10KV电机，中控室计算机系统及模拟屏、投影设备均由法国得利满公司供货。
几年来，通过与外方合作，去国内外水厂考查调研，学习到了国内外水厂的长处，积累了丰富的经验，尤其是时间已进入了二十一世纪，在设计三水厂时，必须以“高起点、上水平、创特色”为宗旨，厚积薄发，开拓创新，要设计、建设最好的水厂，让市民满意的水厂。
由于吉林市第三净水厂是最新设计建成的，技术设备先进可靠，所以重点介绍该水厂的自动化控制系统的设计与运行总结。
自动化控制系统是为供水、净水生产服务的，为要多出水，出好水服务，所以在可靠、适用、安全的前提下应具有国际先进水平。为此，一次的、基础的设备产品，如水泵，10KV高压电机，变频调速设备，高低压开关柜设备，气动阀门及执行器，电动阀门及执行器，加药设备，加氯设备，污泥脱水设备，检测仪表等，全部要选优质的，否则根据以前的教训将前功尽弃，计算机控制系统要掌管一次的基础的设备，从某种意义上讲，从宏观上讲是大系统。
对于城市供水系统来说，实现既保证水质，又可节约药剂既能节约电能，又能保证供水量和服务水压；既能节省劳动力降低职工劳动强度，又能够保证安全供水的净水厂、取水厂（水源取水泵站），自控系统的安全稳定运行，不仅提高了企业的经济效益，还能带来巨大的社会效益，所以吉林市自来水公司对此非常重视。
这里所说的监控系统为过程控制监控系统和TVS电视监控系统。由深圳市贝尔自动化技术有限公司供货及施工。
2 计算机监控系统及TVS电视监视系统配置
2.1 计算机监控系统配置
吉林市三水厂的过程监控系统采用西门子公司的产品，其检测模拟量300个，开关量1500个；调节回路60个。
2.1.1模拟量监视（AI）
(1) 10KV变电所：包括对10KV进线的电压、电流、频率、功率因数、功率、电度、无功电度、补偿电容器的电流等参数进行监视测量以及各主要配电环节的耗电量，信号的采集来自变电所监控系统。
(2) 水质：包括对水的温度、浊度、PH值、碱度等参数的监测，在净水过程中，各主要净水设施的出水浊度和出厂水的余氯监视。
(3) 水位：取水泵房水位、混合井、滤池、清水池、储药池、配药池等处的水位。
(4) 压力：取水泵房出水压力、净水厂出厂压力。
(5) 流量：取水、进厂水、滤池出水、表面冲洗水、回流水以及加药系统的流量参数。
取配水电机水泵：电机的耗电量、功率因数（调速电机）、转速、电机绕组温度及水泵电机的轴承温升、泵前后压力（计算机净扬程）等。
(6) 其他：阀门开度、加药泵的冲程、转速、加氯瓶重量、真空罐真空度、鼓风系统压力、配水出水阀开度、加氯系统气体流量、漏氯等。
2.1.2模拟量调节（AO）
滤池反冲洗阀门阀位调节、清水阀门阀位调节、加药泵的冲程、转速调节，加氯机流量调节、调节调速电机转速调节。
2.1.3状态量监视（DI）
(1) 10KV变电所：各路开关、断合的状态。
(2) 水处理设备：溶液池、配药池等处的搅拌机；加药计量泵；排泥各阀门的开关状态；滤池的运行、反冲过程中气动阀门开、关、停检修状态、故障状态等。
(3) 加氯设备：加氯机的运行、停止、检修、故障以及投加混凝剂设备的运行状态。
(4) 水泵电机：对取水泵、配水泵的运行、停止、检修、故障等运行状态（亦包括反冲洗水泵、回收水泵及其他泵的工作状态）。以及出口阀门开启、关闭、检修、故障等运行状态。
(5) 其他：氯中和装置的工作状态、真空系统、鼓风系统、排水系统等辅助工艺设备的工作状态。
2.1.4状态量控制（DO）
(1) 取水设备：根据净配水厂给定的流量指令，控制取水泵的运行台数和转速（用于定速泵，是通过出口阀门开度的控制，调节取水量）。
(2) 澄清设备：对取水厂来水加药后的絮凝控制，排泥控制，以及对回流水泵的控制。
(3) 过滤设备：对滤池表面的冲洗和反冲洗控制。
(4) 配水设备：根据中心调度室给定的水量要求，控制配水机组的台数，控制配水流量、出厂水压和清水池水位。
(5) 预加氯、进厂水补氯、滤后水加氯等设备的控制。
(6) 两处设加混凝剂点的加药控制（稳压配水井、滤前，根据水质和工艺要求切换注入点）。
(7) 氯中和装置、真空系统、鼓风系统的控制。
(8) 其余控制：系指水附属设备的控制，如取样泵、混凝剂药品配制、运输等部分的控制。
计算机控制系统系统配置
系统用的是日本的东芝公司产品，主机除外。
电视监控系统是高科技的现代化的管理手段之一、是安全防范技术的重要组成部分。管理者在中心控制室，通过电视监控系统在显示屏上可以实时看到监视现场的实际情况，根据监视的情况可以及时进行决策与控制。
吉林市三水厂配置电视监控系统的目的就是在中心监控室管理者通过系统可以有效地、系统地、较全面地观察生产范围内的生产情况、设备运行情况、厂区的安全情况以及厂内人员的流动情况，一旦出现问题时，可以较快地找出问题的根源，以便管理者及时采取措施解决问题，减少以至杜绝“不安全”的隐患，确保水厂生产的安全性。
摄像机将采集到的物体的光信号转变为视频电信号送入光端机，光端机将摄像机送来的视频电信号转变成光信号送入光缆，光缆将光端机送来的光信号送到中控室的光端机，光端机将光缆送来的光信号转变成视频电信号送入视频分配器。
视频分配器将由光缆送来的视频电信号一路送至画面分割器，画面分割器将信号处理后送至矩阵切换器；另一路直接送入矩阵切换器，矩阵切换器通过232接口与多媒体计算机相连，接受计算机的控制，矩阵切换器再将处理后的信号送至监视器显示。
操作员用键盘或鼠标发出指令，计算机将指令送到矩阵切换器，矩阵切换器根据计算机指令向镜头、云台、防护罩发出控制信号，信号经光缆、光端机、解码器支控制镜头、云台、防护罩进行动作。矩阵或根据计算机指令切换画面送到监视器显示。
TVS电视监视系统配置图
3 软件
德国西门子公司工控软件非常先进、丰富、开放。
3.1上位监控软件WinCC
WinCC是西门子公司在自动化采用最先进的技术与微软公司共同开发的居于世界领先地位的工控软件，WinCC即WINDOWS CONTROL CENTER（视窗控制中心），是一个32位的基于Windows的监控软件。WinCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产化程。
WinCC几乎拥有先进人机界面产品的所有功能，集成的功能已包括：
3.1.1图形系统
用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性进行在线组态。
3.1.2报警信息系统
记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。
3.1.3变量存档
接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。
3.1.4报表系统
用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或事件触发来对信息操作、文档当前数据进行用户报表输出。
WinCC提供了一套集成的报表系统，数据库里的所有过程点都可以打印输出。它可以将在过程中录入的数据按以下方式输出，输出的页面格式是自由的，用户定义的。
除了打印到打印纸，还可以打印输出到文件及在屏幕上打印预览。可以定义打印任务按小时、天、星期及月报表形式循环输出，报表输出可由以下情况触发：按时间顺序触发、事件触发、操作者触发。
3.1.5数据处理
对图象的动作使用C语言及C编译器进行编辑。
3.1.6标准接口
通过ODBC和SQL访问用于组态和过程数据的SYBASE数据库。
3.1.7应用程序接口
允许用户编写可用于扩展WinCC基本功能的标准应用程序。WinCC提供集成的标准C语言编程环境，任何用户程序都可以同时与WinCC一起运行，并且可以使用WinCC的数据WinCC的内部函数，用这种方法，WinCC可以解决任何性能计算问题。
另外，WinCC还提供多种可选软件包。如：通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。WinCC的及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。很多标准的应用如Microsoft Excel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载过程数据。操作员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。更进一步，集成的OPC(OLE for process control)服务器使得过程数据可由其它应用程序（OPC 客户机）访问。
3.2硬件组态、控制程序编制软件STEP7
STEP7基本软件是用于SIMATIC S7、SIMATIC M7和SIMATIC C7可编程控制器的标准工具。其对于用户的方便性，使用户可以容易地利用这些系统的资源。
STEP7对自动化工程各方面具有友好的用户功能：
（1）硬件的配置和参数设置；
（2）通讯的定义；
（3）编程；
（4）测试、启动和维护；
（5）文件、建档；
关于mpi系统的正确描述（6）操作/诊断功能，所有功能均有大量的在线帮助。
STEP7基本软件为用户执行自动化工程提供各种不同的工具：
（1）SIMATIC管理器：用于集中管理，可以方便地浏览SIMATIC S7、SIMATIC M7和SIMATIC C7的所有工具软件和数据。
（2）符号编辑器：用于定义符号名称，数据类型和全局变量的注释。
（3）件配置：用于对自动化系统进行配置和对各模块进行参数设置。
（4）通讯：
用于配置连接：用于定义经MPI连接的自动化组件之间时间驱动的周期性数据传送或定义用MPI、PROFIBUS或工业以太网进行的事件驱动的数据传送。
（5）信息功能：用于快速浏览CPU数据和用户所写程序在运行中的故障原因。
为了生成用户所写程序，STEP7提供下列经实践证明的标准化的PLC编程语言：语句表（STL）、梯形图（LAD）、功能块图（FBD）并且，为了某些特殊的任务，还有另外的编程语言或面向工艺的组态工具可供使用。
STEP7中有转换程序，可以转换在STEP5或TISOFT中生成的程序。
4 重要工艺单元的控制
4.1反应池控制
把加药处理的水的浊质沉淀物质除去，使用气动刀闸阀，排泥是按周期进行程序控制的，其效果比用气动蝶阀好，能关严，并有开关状态反馈。在池末端使用了水下摄象技术，监视投药效果。
4.2沉淀池控制
由反应池来的浊质杂物通过斜板沉淀到池底，池中的八台刮泥机将其刮走送至泥料斗中，然后由沉淀池的气动刀闸阀门排掉，刮泥机开、停操作由计算机实现，其工作、停止、正行到位、逆行到位、正行超限、逆行超限、剪力销保护等状态量均送计算机。
准确地控制沉淀池运行工况，就是正确控制沉淀池排泥周期，是沉淀工艺中的关键，目前国内外大部分净水厂都采用定时排泥运行方式，很难保证沉淀池出水完全达到要求，有时因排泥周期短而浪费了水量。我们根据多年运行经验，总结出沉淀池出水浊度与其泥位的高低定量关系，另外考虑沉淀泥渣排放时间影响，建立起数学模型。采用这种以泥位高低与时间参数复合控制排泥周期，提高沉淀池出水浊度合格率，降低排泥对水的消耗量。
4.3滤池控制
滤池运行控制目的，是使滤池出水达到国家饮用水质标准。要想实现该目的，关键是准确地控制滤池反冲洗周期。一般净水厂是用人定时反冲洗滤池，关键是凭经验控制，这样保证不了滤池出水水质合格率，而且有时也浪费冲洗用水。
我们把每个滤池水位与其出水浊度建立起定量的数学关系，这样，我们根据滤池的水位与运行时间，使滤池出水始终在最佳工况中运行，确保水质合格。运行实际表明，采用这种复合方式控制方式，提高了滤池出水浊度的合格率，并且也降低了反冲洗用水，平均每年节约反冲洗用水费用相当显著。
沉淀池与滤池全部引进气动蝶阀，不受潮湿环境的影响，运行没有出现任何事故，计算机能准确地控制气动蝶阀的开启与关闭，滤池大小虹吸所采用真空罐是引进国外最先进的设备，该设备体积小，实用性强并可靠，易于实现滤池自动控制。气动系统是用来开启与关闭气动蝶阀的装置，该设备体积小，没有噪音，是一个完全闭环控制的气动系统。
4.4加药控制
比例投加、数学模型指导投加都在搞，现在正探索统计方法。
在投加混凝剂方面，根据混凝剂最佳投加理论与生产运行经验，开发研究提出前馈的数学模型与反馈数学模型，实现最优自动投加，其前馈数学模型主要是根据原水水质与水量变化参数，得出投加率数学模型式：
y1=K(a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5+c)
式中：x1 ,x2 ,x3, x4, x5——分别为原水浊度、水温、PH值、耗氧量、氨氮；
a1 ,a2 ,a3, a4 ,a5——分别为上述参数的相应系数；
K——为药效系统。
前馈投加量是其投加率与其原水流量乖积：
y前=y1Q
根据沉淀池出水浊度建立反馈数学模型，其投加率模式为：
0 d2£x£d1
y2= a(x-d1) x>d1
a(x-d2) x式中：x——沉淀池出水浊度
a——沉淀池出水浊度系统；
d1，d2 ——控制沉淀池出水浊度最佳范围。
反馈投加量是其投加率与原水流量乖积：
y反=y2Q
应用前馈与反馈的数学模型，定量描述投药规律，能根据原水水质和水量变化，及时给定其投加量；然后再根据混凝沉淀池工艺变化，反馈调节前馈给定量，实现自动优化控制，一年多生产实际表明，使净水合格率达到100%，降低药耗可达12.4%左右，一年节省药耗费用相当可观。
采用统计的方法，将水质条件（浊度、PH值、碱度、水的电导率、水温等到）和相应的电导率做成数据文件存入计算机，用计算机进行统计处理求出加入率与各个变量的函数关系，将这个关系公式化或做成表记忆在计算机中，在线时，用水质分析器测出的各变量的结果按计算机记忆的公式或表求出加药率。但是采用这种方法必须要在计算机中记忆长期间的统计处理用的数据，而且做为凝固好坏的一个重要参数絮状体的情况不容易定量化，因此，这个方法需进一步完善。
4.5加氯控制
加氯系统改变传统的用电子调节器进行自动加氯的方法，而采用PLC直接控制加氯机内针型阀的三相伺服马达，前加氯为比例投加，后加氯不论复合环路投加还是利用数学模型投加，均由PLC实现，安装迟后及反应迟后由PLC解决，省掉价钱贵又易损坏的电子调节器，PLC用现场总线连接中控室主站。
投氯也是建立前馈和反馈数学模型，前馈给定量数学模型，是根据投氯点后余氯，出厂余氯、管网末稍余氯范围对应关系，运用多年实际运行资料，用数理统计方法得出前馈给定量范围（m1
,m2
），反馈调节量数学模型，运用净水厂出厂水余氯最优控制范围（m3
,m4
）与实际出厂水余氯对比，得出反馈调节量。一年多生立运行表明，出水厂细菌总数、大肠菌总数、余氯合格率均达到100%，氯耗降低8.9%左右，一年节省氯耗费用相当可观。
4.6鼓风机系统控制
鼓风机服务于水厂的净水工艺。一为气动阀门提供压力空气，操作阀门；二为滤池气冲服务。分别由两个空气罐的压力来控制，即压力信号送计算机，计算机控制开停，气动阀门操作气体和反冲压力不一样。
4.7反冲洗回收水泵站控制
反冲洗水泵服务于水厂的V型滤池，顺序控制即为滤池反冲洗时提供冲洗水，回收水泵同样服务于水厂的V型滤池，将滤池排出的污水送回稳压井，按回收水池水位顺序控制。
4.8污泥脱水控制
污泥脱水设备采用离心沉降法，快速有效地使污泥固液分离，体积小，稠度增加，从而便于处理。设备包括离心污泥脱水机、脱水进料泵、脱水污泥电磁流量计、混凝剂配投装置、投药泵、絮凝剂流量计电磁阀、脱水泥饼输送机、离心机控制盘及投药控制盘。投药控制盘的监控信号送离心机控制盘，离心机控制盘内有小型PLC，通过Profibus现场总线去计算机工作站
4.9送水泵房控制
（1）变电所监控系统
10KV变电所选用变电所监控系统，该系统国外普遍采用，减少布线量，节省劳动力。由站控层、现场设备层（间隔层）、通讯层三部分组成，现场设备层为ABB前端机及ABB综合保护器；站控层由一台监控工作站，一套监控软件、一打印机组成；通讯层由多路通讯控制器，交换机及通信介质组成，主要完成以太网与Modbus设备的无缝通讯。站控制层工作站通过网络连接中控室。
（2）泵站
引进国外先进设备运行状况
泵站水泵电机、高低压电器设备采购国内优质的，电机采用10KV，因此水泵电机效率高，运行可靠。变频调速设备简单，对电网没有污染，选用的是利得华福设备。
主水泵调速，净水厂为一拖二方案，取水厂为一拖一方案。
利得华福的调速设备由移相变压器功率单元和控制器组成，10KV系统有21个功率单元，每7个单元串联成一组，由于采用多电平拓朴技术，所以软件为亚控公司生产的组态软件，具有好的人机界面，支持以太网络，方便实现远程监控等功能，PLC控制技术、Pronfibus总线技术和高压变频技术完美结合，使得集成自动效率96％以上，输出高于国家GB14549~93对谐波失真要求，功率因数0.98，调整精度±0.1%。
要想净水泵站每台机泵实现优化运行，就要研究其定性与定量的运行规律。我们根据城市用水曲线、出厂压力与管网压力控制点、清水池水位等参数，建立优化控制数学模型，在此基础上，定量控制净水泵站定速与变频调速机组优化运行时流量、扬程、效率变化规律。这样可以根据用户对用水量与扬程要求，实现优化自动控制，该种控制方式及时满足用户对水量、水压的需要，又降低电耗的目的。
5 检测仪表
为了使控制系统准确可靠，引进国外先进的最新一代智能检测仪表，引进主要设备有高、低浊度计，温度计，PH计，电导仪，超声波流量计，泥位计等。
选择优质仪表是实现自动化的重要基础，仪表选不好后患无穷。
6 结束语
在水厂的设计与运行中，我们积累了一些经验：
（1）气动蝶阀若开关控制，一定选用双控二位五通电磁阀做先导阀，出清水阀一定选用调节型电气阀门定位器精度要高，国内有的水厂没这样做，尤其停电时，工艺上造成的损失很大。
（2）反应池，沉淀池一定要选用气动刀闸阀，吸取以前教训，否则阀门关不严。
（3）推广水下摄象技术的应用，对监视投药作用很大。
加氯、加药、污泥脱水控制系统的PLC要有现场总线，要遵守国际规约TCP/IP，MODBUS PROFIBUS，否则实现不了与中控室通讯。
今后尽量采用嵌入式技术，将过去的FCS、DCS、PLC、GIS、OAS办公自动化系统，所有现场测控系统及主工艺流程所引用的先进控制技术（如未来两远测，模糊神经技术在线监控的加药系统，污性物废气处理的人工智能防真闭环监控系统等等）都纳入到INTERNET+RTE+TCP/IP协议为主要模式的信息控制一体化系统中去。因为嵌入式系统是实现工业信息控制一体化不可分割的一部分。
（本文选编自《电气技术》，原文标题为“净水厂过程监控系统设计与运行总结”，作者为李大勇、李新等。）
