时间：2022-10-05 08:12:41
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引言
PLC，即可编程逻辑控制技术（Programmable Logic Controller），起源于上个世纪60年代末，是继继电器之后的主要机械设备控制技术，具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数、运算等多项功能，用数字化技术代替原有的机械设备控制方法，可以极大地提高控制信息输入、输出速度，提高机械设备的运行稳定性和工作效率，广泛应用于工业生产机械设备运行控制领域。自来水企业作为大型生产服务企业，机械设备使用规模很大，在自来水企业生产中使用PLC控制技术，是保障自来水正常、稳定、安全生产、供应的重要技术措施，也是自来水厂提高现代化水平，打造企业竞争力，实现可持续发展的必由之路。加强对PLC技术的深入研究，对于实现自来水企业自动化生产运行，具有极为深远的积极意义。
1 水厂自动化控制系统分析
自来水厂是重要的基础设施，是工业生产、居民生活的重要保障，是现代城市正常运行中不可或缺的组成部分。自来水厂的自动控制系统主要包括配电系统、出水泵房、沉淀池以及滤池等单元。这些单元通过控制室的计算机系统统一调度、管理，相关设备运行信息从一线传递到控制室，控制室以此做出指示并将指令发送给一线，有现场设备予以执行。下面，就对自来水厂的的自动化控制系统各项功能进行简要介绍。
1.1 自动化系统具有显示功能
自来水厂自动化系统可以将系统内主要机械设备的运行状态以指标形式显示出来，同时对生产过程中的主要工艺参数进行显示，以此使得技术人员对生产过程有着较为全面的了解和掌握，从而进行针对性的调整和操控。
1.2 自动化系统具有报警功能
针对生产过程中可能出现的异常情况，系统设置了相应的报警功能，一旦设备状况出现问题，偏离允许范围，报警系统会立即发出警报，提升相关部门人员处理，并显示出具体的报警信息和画面，存储在数据库中可以打印查看。
1.3 自动化系统可以实现一定程度的自我控制和操作
在实际工作中，中央控制室可以对生产流程中的机械设备，根据生产需求进行必要的调整和控制，并对PLC系统相关参数以及分控站的程序进行重新设定。
1.4 自动化系统具有可以对数据库进行有效管理
为了充分发挥PLC的优势，实现自动化控制目的，自来水厂自动化控制系统建立了生产数据库和事故数据库，分别对应生产过程中和事故处理过程中需要的相关数据的记录、存储、整理、分析以及使用。当工作需要时，系统会对指定的数据库进行管理，提存数据使用并做好相关数据，以实现数据库的动态积累。
1.5 自动化系统具有输出和打印报表功能
针对生产过程中的各项信息、数据，系统可以对其进行分析、整理，并以报表的形式输出打印出来，为管理者决策提供数据依据。
1.6 自动化系统具有通讯功能
总调度室和中控室之间具有专线联系，可以进行实时通信，以保证数据和信息的有效传递与沟通。
1.7 自动化系统建有WEB服务器
这一功能主要是为实现生产信息共享提供服务的。
2 自来水厂水处理流程
自来水厂生产中使用的自动化控制系统是为企业生产而服务的，所以受企业生产工艺流程影响很大，不同的工艺路线、处理方法、机械设备等都会使得自动化系统呈现出不同的特点。但万变不离其宗，我国自来水厂所采用的水处理流程大体上还是相同的，一般包括取水、制药、加药、混凝、沉淀、过滤、消毒和送水等环节。
水厂的水主要来自于湖泊、河流、地表水和地下水等。这些水源通过输送管道进入水厂时会带入大量杂质，必须经过必要的处理才能满足人们生产、生活使用要求。在水的处理过程中，第一道工序就是除去水中的大量杂质和有害物质，水中存在的悬浮物、胶体以及细菌等危害人类健康的有害成分都是需要清除、净化的对象。水厂取得水源后按照实际的生产需要采用合理的生产工艺，根据工艺参数等条件科学进行混凝剂的配制。在向水中加入混凝剂的同时还要通入氯气，利用氯气的消毒杀菌作用对水中的微生物、细菌进行处理。在药剂的作用下，水中杂质形成颗粒状的凝体，这个过程称之为混凝。在这一过程中，三氯化铝、硫酸铝等水处理药剂被大量使用。之所以使用含铝药剂，主要是因为铝具有很强的吸附能力，可以促进水中的杂质和悬浮物的聚集。实际使用过程中，水处理药剂溶解在水中后，析出大量铝粒子，在其作用下，许多常态下难以沉淀的杂质颗粒等形成絮粒状，并在重力的作用下向下沉淀，在将这部分沉淀与水主体分离，从而达到除杂的目的。水厂中主要使用沉淀池进行这一过程。水加入药剂后先导入沉淀池，进行沉淀，达到处理效果后再导入下一工序。随着生产时限的增长，沉淀池中沉淀的污物越来越多，必须使用石英砂等具有孔隙的颗粒物将它们排除过滤，并利用滤料层的粘附性拦截水中的悬浮颗粒。这一过程中，水中的细小杂质、细菌、有机物等都得到了较好的净化处理。但由于石英砂吸附的杂质不能自动消除，必须定期清洗，才能保证过滤层的工作效率和质量。在此之后，水还要进行必要的消毒处理，以清除水中残余的细菌病毒等，保证用水安全。最后处理好的水导入清水池汇中，向用户供应。
3 PLC控制在自来水水厂自动化控制的应用
3.1 使用PLC可以实现开关量的逻辑控制
逻辑控制是PLC技术的最基本功能。水厂的生产过程中存在大量的开关量，通过PLC对这些开关量进行有效的逻辑控制。在PLC问世之前，继电器是实现这一功能的常用技术，PLC出现后，可以更加简洁、高效、迅速的的实现逻辑控制、顺序控制以及单个设备的控制等多种功能。此外，在多个水厂生产流水线中，加矾、加氯等操作也可由PLC进行自动化控制。
3.2 PLC可以进行模拟量控制
在水厂生产过程中，温度、流量、压力、液位等是重要的生产参数，必须对其进行实时监测和控制。而这些参数控制的实现主要依赖于PLC的编程控制。PLC控制系统配置有配套的转换模块，模拟量可在编程控制器的作用下进行控制。
4 结束语
凭借着强大的技术优势，PLC在水厂自动化控制领域获得了广泛应用。随着生产规模的扩大，水厂自动化水平会越来越高，PLC的应用领域也会更加宽广，发挥的作用也会不断加大。各水厂要高度认识到PLC的重要作用，深入研究，不断探索，将PLC的作用发挥到最大，为经济发展和人们生活用水安全提供坚实的技术保障。
参考文献
[1]刘玉芹，刘敬文.PLC在长治污水处理厂中的应用[J].中国仪器仪表，2005（9）.
【关键词】水厂；自动化；问题；对策
近年来，我国供水事业蓬勃发展，各项新技术的应用日益广泛，其中自动化技术的应用是近年来自来水厂生产发展的最大特点，但同时其存在诸多设计、设备和管理方面的问题，严重制约水厂自动化水平的提高。
1.水厂自动化中存在的常见问题
1.1水厂自动化的设计问题[1]
水厂的生产过程是一个较为复杂的连续过程，对于其自动化系统的设计要求较高，涉及众多技术和设备，设计本身具有一定的难度，故在有些水厂自动化设计中存在的问题较多，影响了自动化功能的发挥，甚至影响了系统的正常运行。
（1）缺乏统一的发展规划。在有些水厂自动化设计中，对控制系统的持久性和未来发展规划一致性考虑不够全面，导致控制系统开放性和扩展性不够，造成系统很快落后于生产发展的需要。
（2）功能设置过于复杂。在有些水厂自动化设计中，由于片面追求高标准，致使功能设置过于复杂，而忽略了水厂的实际工艺情况和管理水平，使系统的故障率增高，而维护管理又跟不上，导致关键工艺的自动控制得不到保证。
（3）功能设置过于简单。在有些水厂自动化设计中，工艺过程的功能设置过于简单，达不到控制要求，特别是关键工艺的控制要求，造成虽有自动化系统，但关键工艺（如投药等）仍由手动完成的现象，失去了实现自动化的实际意义。
（4）设置过多的手动功能。有些设计为了在自动化系统故障时不影响生产，而设置了过多的手动操作功能，从设计上就将自动化系统置于可有可无的地位，既造成了设备的重复投资，也使生产人员产生了不正确的依赖心理，加上运行管理改革力度不够，出现了自控设备搁置不用而仍由人工手动操作的现象。
（5）设计人员水平不够。水厂的自动化设计涉及众多技术和设备，要求设计人员既要掌握先进的控制技术，又要熟悉生产工艺过程，同时对设备也要有相当的了解。但在有些设计中，由于设计人员对生产实际情况或对进口设备的性能了解不够，导致设计与实际生产有出入或出现设备选择不当，满足不了工艺要求，造成了自动化系统局部失败。
1.2水厂自控设备问题
设备方面存在的问题也是影响水厂自动化系统正常运行的一个主要因素，具体表现在如下几个方面：
（1）质量问题。水厂中有些设备容易出现质量问题，如碱度计、氯氨测定仪、溶解氧测定仪、浓度测定仪、压差变送器、加氯机、计量泵、调节阀、电磁流量计等，这些质量问题有的是设备本身的质量不过关，有的则是安装或维护质量达不到要求，但均影响了自动化系统的正常运行。
（2）配套问题。在有的水厂自动化系统中，设备如传感器、测量仪表及执行机构本身并无质量问题，而是精度不够或稳定性达不到系统要求，即与系统配套不合理，也是影响自动化系统正常运行的一个原因。
（3）备品备件问题。有些设备发生故障后，由于缺乏备品备件而一时无法修复，这对进口设备尤为明显。如果由原产品供应商修理，则时间长、费用高，特别是有的产品已更新换代而根本无法得到备品备件，造成了这些设备的检修十分困难，从而导致这些设备长时间处于瘫痪状态，影响了自动化系统的正常运行。
（4）检修和改造问题。对于部分进口设备如网络设备，由于外商对通信协议和通信软件的公开性不够，且本身的技术要求也较高，既增加了这些设备的维护和检修难度，也降低了自动化系统的开放性，影响了系统的正常更新和改造工作。而且很多进口通信设备较难与国内设备互联，致使更新和改造困难，从而降低了自动化系统的合理性和统一性。
1.3水厂自动化的运行管理问题
（1）操作人员对设备性能和操作要求不够熟悉，不能完全掌握仪表技术。不少水厂反映，操作工人对仪表设备的使用要求不能完全掌握，致使仪表使用不正常，对仪表的调校保养缺乏必要的技术和专门知识，常常不重视仪表必要的日常清洁和维养工作，不懂得仪表的定期保养、检修等的规定和内容要求，所以往往使仪表精度降低，甚至不能正常工作，影响加药、加氯自动化的实施。
（2）缺乏专业维修队伍。之前，水厂在人员编制上，只有泵机值班工和电工，不设置仪表工。现在水厂自动化纷纷上马，水厂编制上也配置了一些仪表工，但是这些仪表工的配置数量和本身的专业技术水平均不能满足要求，有的甚至用电工代替仪表工，因此当仪表或监控设备发生故障后，不能得到及时的修复和处理。在保修期过后，不敢与国外联系，不少搁置起来，渐渐由“伤风感冒”而导致“全身瘫痪”。
（3）操作工人、管理人员以及领导层对自动化设施的认识不够全面。1）对自动化控制在水厂中应用的迫切性认识不够：不少水厂配备自动化只是为赶时髦，将其作为水厂的点缀。认为全国大、中、小水厂都纷纷实现自动控制，我们也不能不上，实为大势所趋。认为一个新的水厂要体现其先进，必须有自动化内容，而且尽量争取高标准。在国外考察后更是要求设备齐、标准高。这种想法在筹建部门较为普遍。2）对仪表和自控系统实质上缺乏信心：怕麻烦，表示明显的不信任感，最好少一些自动化内容，以免自找麻烦，这种想法在生产部门较为普遍。
2.解决水厂自动化问题的对策
2.1用国产设备直接取代
通过对国内市场的细致调查，找到种类、性能指标、接近于进口产品后，直接取用而代之。例如：安徽省滁州市自来水公司一水厂将国产在线浊度仪、计量泵应用在自动加药系统中，效果较好；引用国产电磁流量计和超声波流量计对原水、出厂水进行测量，计量较准确；同时该水厂还积极利用国产仪表应用在自动化系统的改造工程中，不仅完全达到了自控系统的各项功能技术要求，而且节约了大量的技改资金。
2.2自我改进消化吸收
拥有自己技术开发队伍的水司，应充分了解引进设备的性能特点，对系统中存在的问题进行仔细分析、改进，找出解决问题的办法。例如：滁州二水厂的自动投矾系统改造，就充分体现了技术人员对控制系统改造持有比较新颖的思路。他们没有采用较为流行的流动电流控制器，而是根据原水水质的特点，利用原水流量和滤前水浊度作为主要控制参数，滤后水浊度和PH值、水温作为后反馈控制参数，构成闭环控制系统，运行效果较好。
2.3谨慎选用进口设备
经过数十年的运行表明，进口设备虽然具有许多优点，确实在城市供水事业中起到了举足轻重的作用，但是也客观存在着一些问题，不得不引起广大供水同仁的高度重视。通过多年的运行效果表明，有的国产设备使用效果良好，维护也比较方便，备品备件能得到及时供应，售后服务能得到保障。所以建议在功能、技术参数能满足自控系统要求的前提下，尽可能使用国产设备。
2.4推陈出新，横向联系
在对进口设备的性能充分了解的基础上，寻找合适的厂家进行制造，不仅解决自身的设备问题，而且还可以推而广之，帮助其他使用同类设备的厂家排忧解难。例如：计量泵的隔膜片、加氯机的管配件等等，都可以委托国内厂家生产。同时要加强供水行业之间的技术交流，互通有无，积极推广成熟技术，共同提高自动化技术水平。
3.结束语
技术人员应提高相应技术水平，重视水厂自动化系统的生产、运行、维护和管理等问题并加以不断地研究，解决实际碰到的问题，才能将上述的自动化控制系统发挥到最佳水平，实现可靠、连续、优质供水。
关键词：现代水厂；自动化；综合控制系统；自动化设计
前言
自动化的应用是自来水行业近些年来工艺发展的主要方向，自动化技术控制系统、计算机技术的发展以及电子设备应用的日益普及，标志着自动化水厂在我国已经具备了良好的技术大环境，已经是一个逐渐成熟的领域。虽然这些自动化水厂的建设有了长足的进展，但是由于多种原因，当前国内还并没有能够真正实现全自动化的水厂主要原因是经济短缺和技术不足。
1 我国现代化水厂的自动控制现状
我国的水厂自动化进程起步比较晚，但是自动化发展的进程十分迅速。我国工业进入飞速发展时期，我国的水厂也加快了现代化发展的脚步。特别是伴随着大量外资企业的先进技术和资金被引入到了国内，建成了自动化的现代水厂，使得我国的自动化水厂建设的进程不断的加深。水厂的自动化水平和规模也大幅度提高，但是我国仍存在自动化水平还不是很高的水厂，自动化的发展也不是平衡。以沿海大城市为主的发达地区的水厂自动化水平较高，但是在一些较小的城市或者一些偏远的地区其自动化水平很低，更存在着某些地区水厂根本就没有进行自动化改造。在现如今已经完成自动化改造的水厂中，也存在自动化水平低于同行业自动化水厂的问题，这主要是水厂的自动化设备还没有发挥到应有的作用，某些水厂的自动化设备和系统居然没有运行过，长期处在闲置状态。更多的是大量投入资金的设备运行一段时间便不再使用了，这导致设备不能正常工作严重影响水厂效率，自动化的经济效益基本上是从新建和扩建的过程中获得的。大型水厂的盈利主要是依靠先进的技术和设备，水厂的自动化水平较高但是投资所需要的资金也数量巨大，一些中小型的水厂的自动化的设计和服务可以做到自主完成，但是综合的控制系统的技术和设备任然长期依赖于国外进口产品。在设备和服务上采用中西结合，这样的方式有很大的优点，进一步的降低了水厂自动化的控制系统设备的投资，同时也使水厂的设施更加的本土化，有助于促进本国水厂自动化改造的进步和发展[1]。
2 水厂自动化控制系统的设计
2.1启动和停止方式
起停方式可以分为1、直接起动：笼型交流异步电动机在起动的过程中会产生很大的电流，是其额定电流的数倍，这种情况被限制于功率小的电动机；2、定子串电抗/电阻降压起动：这种启动方式适用于轻载起动，可以极强的增加起动平稳性，并且有效减小电流。定子串电抗起动的过程中损耗较大，经济效益较差，所以，只在电机容量小的时候才使用；3、自耦变压器降压起动：这样的起动方式有失压和过载保护，可以有效减少电动机电流对于电网的影响，这种启动方式有一个缺点，体积大、结构复杂、价格昂贵并且非常不便于维修维护；4、软起动器起动：这种启动器的工作原理是利用可挖硅控制整流，通过改变可挖硅的控制角使电动机的电压按照相应的规律升为满载时，撤去控制信号软动器就可以退出运行，应用者项技术到水泵中可以规避水锤效应；4、变频起动：这种启动方式主要是变频器带动电机从静止起动，直到电机达到额定转速，通常采用电压频率的控制方法不会使得电流超过机器能承受的的范围，也是比较小的能够进行调速的启动方式，但是它也有一个不足之处，就是价格相对其他启动方式高，电磁兼容性差，通常使用在重载设备上[2]。
2.2系统总体设计
井群系统是指我们对水泵的控制大体可以分为三种形式，手动、水源地值班室控制、远程操控，手动控制主要是依靠人工来完成，水源地值班室控制通过相应系统进行，远程控制的操作者是通过远程控制中心。水厂的主要设备包括加氯车间、输水泵房、清水池，井群水泵的启动和停止是依靠水厂的蓄电池进行控制[3]。
2.3调度指挥中心
调度指挥中心是整个供水系统指令发出的地方，负责操作、收集、处理、监督、维护整个系统。通过检测软件的反馈，随时进行调整。
3结论
在建设现代化的大型水厂时，我们不光要采用现代化设备和先进的控制技术，同时还应该对水厂内部进行综合管理以期达到更高的效率，更要求实现对覆盖地区或者城市整体自来水供应系统管理的自动化。通过自来水厂的自动化升级来推动整个行业的技术革新。
参考文献：
[1]李守勇.自动化在中小水厂的应用[J].技术与市场，2013，11（11）：101-102.
1．水厂自动化的目的
对水厂实施自动化的根本目的认识不够全面或出现偏向，是造成一些水厂自动化系统未能充分发挥作用的一个原因。水厂实现自动化的根本目的是提高生产的可靠性和安全性，实现优质、低耗和高效供水，获得良好的经济效益和社会效益。但是，有的水厂实现自动化是为了赶时髦，将其作为一种点缀；有的水厂是迫于形势，在大批水厂纷纷实现自动化的情况下，自己也不能不上；有的水厂使用的自动化功能过于复杂，特别是在考察自动化水平较高的水厂后，更是盲目地提高标准。这些不正确想法的存在，使水厂实现自动化的根本目的发生了偏向，造成了自动化设计不切合水厂实际，不注重生产过程特别是关键工艺环节的自动化，并忽略了在运行和管理模式方面的相应改革，从而导致自动化未能充分发挥作用，甚至建成后处于闲置状态。
2．水厂自动化的设计
2.1未解决的相关理论问题
在水厂自动化中，工艺理论对自动化提出的控制要求本身存在未解决的理论问题或理论不够完善，使控制未能达到规范化和最优化，系统运行达不到理想的控制状态，从而影响了自动化的实际运行效果。
（1）絮凝理论不够完善。加药系统是一个大延时、强耦合、干扰因素多的非线性系统，目前广泛采用的控制方法为：用原水流量按比例前馈调节计量泵的频率，用流动电流仪（SCD）反馈调节计量泵的冲程，从而构成加药复合控制系统。在有的系统中，虽然采用了智能技术如专家系统、自学习模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解决加药量优化控制的问题。
(2)加氯系统理论问题。在加氯系统中，传统的控制方法为：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反馈控制。由于影响加氯效果的因素很多，如水质、天气、水厂的具体工艺特点等。在有的系统中，虽然采用了一些其他控制方法，如采用双因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多参数非线性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解决加氯系统存在的问题。
(3)其他理论问题。如变频供水泵和定速供水泵的台数比例确定、变频供水泵的自动调节方法以及供水泵的科学调度等问题，理论上还未完全解决，管理上还有待进一步研究。
2.2技术规范和设计标准问题
到目前为止，我国在供水行业自动化控制方面，除《城市供水行业2000年技术进步发展规划》等少量规划性技术文件之外，尚无制定供水行业自动化控制方面的技术规范和设计标准，致使水厂在实施自动化过程中，技术上缺乏统一的规范性，设计上存在一定的盲目性和随意性，不同类型的水厂自动化分别应该达到的主要功能和主要技术指标不明确，影响了自动化系统配置的科学性和合理性。
2.3专著和文章问题
我国供水行业的自动化起步较晚，总体发展水平也不高，致使在供水自动化方面发表的文章数量有限，总体质量也不太高，出版的专著更少，既不利于在实施自动化时提供必要的理论指导和技术参考，也不利于行业内的技术交流和经验交流，影响了自动化知识普及和提高的速度。
2.4设计中存在的一些具体问题
水厂的生产过程是一个较为复杂的连续过程，对于其自动化系统的设计要求较高，涉及众多技术和设备，设计本身具有一定的难度，故在有些水厂自动化设计中存在的问题较多，影响了自动化功能的发挥，甚至影响了系统的正常运行。
（1）缺乏统一的发展规划。在有些水厂自动化设计中，对控制系统的持久性和未来发展规划一致性考虑不够全面，导致控制系统开放性和扩展性不够，造成系统很快落后于生产发展的需要。
（2）功能设置过于复杂。在有些水厂自动化设计中，由于片面追求高标准，致使功能设置过于复杂，而忽略了水厂的实际工艺情况和管理水平，使系统的故障率增高，而维护管理又跟不上，导致关键工艺的自动控制得不到保证。
（3）功能设置过于简单。在有些水厂自动化设计中，工艺过程的功能设置过于简单，达不到控制要求，特别是关键工艺的控制要求，造成虽有自动化系统，但关键工艺(如投药等)仍由手动完成的现象，失去了实现自动化的实际意义。
（4）设置过多的手动功能。有些设计为了在自动化系统故障时不影响生产，而设置了过多的手动操作功能，从设计上就将自动化系统置于可有可无的地位，既造成了设备的重复投资，也使生产人员产生了不正确的依赖心理，加上运行管理改革力度不够，出现了自控设备搁置不用而仍由人工手动操作的现象。
（5）设计人员水平不够。水厂的自动化设计涉及众多技术和设备，要求设计人员既要掌握先进的控制技术，又要熟悉生产工艺过程，同时对设备也要有相当的了解。
3．水厂自控设备存在的问题
设备方面存在的问题也是影响水厂自动化系统正常运行的一个主要因素，具体表现在如下几个方面：
（1）质量问题。
（2）配套问题。
（3）备品备件问题。
（4）检修和改造问题。
4．管理方面存在的问题
水厂自动化系统建立后，管理水平滞后是影响自动化功能正常发挥的一个重要因素。由于管理人员受自身素质和传统观念的束缚，未能在管理方面进行及时的调整和改革，导致管理水平落后，无法适应水厂自动化的发展需要。如何提高管理水平和管理人员素质是自动化水厂目前面临的一个重要课题。
（1）不注重设计、安装、调试过程的人员参与。很多水厂在建设自动化系统时，由于受人员和素质的限制，常采用交钥匙工程的方式，这样在建设时轻松省事，但后患无穷，由于没有自己的技术力量参与设计、安装、调试过程，导致投产后出现很多问题，影响了系统的实际运行效果。
（2）对自动化系统和设备不够熟悉。由于值班人员缺乏必要的技术知识，对自动化系统和设备不够熟悉或掌握不够，导致设备得不到正常的保养、调校和检修，造成仪表精度降低或设备故障；导致软件得不到必要维护和调整，造成因一些小软件故障得不到及时处理而影响系统正常运行；有的甚至出现误操作或引起人为故障。
（3）缺乏完善的自动化管理规程。水厂实现自动化后，其运行管理和维护管理已和传统水厂不一样，但不少水厂在这方面的改革力度不够，缺乏满足自动化生产需要的管理规程，如岗位职责、运行管理制度、操作规程和设备维护保养及检修规程等，致使运行管理满足不了生产需要，维护管理达不到要求。
（4）缺乏专业的、稳定的维护队伍。自动化系统和设备虽然具有较高的可靠性，但也会出现故障，需要维护人员尽快排除。同时，设计情况与实际运行情况不一定完全一致，即使与投入运行时一致，过一段时间后也会有所变化，另外经过一段时间的实际运行后，一般都需要对系统中存在的某些缺陷进行改进，以使系统更加优化，这就要求维护人员对自动化系统和设备进行必要维护和调整，特别是当生产工艺变化后，需要对控制系统进行相应修改和开发。但是，由于缺乏专业的、稳定的维护队伍，使一些小的软硬件故障得不到及时的修复和处理，渐渐由小问题变成大问题，甚至导致自动化系统瘫痪。
对水厂实施自动化的根本目的认识不够全面或出现偏向，是造成一些水厂自动化系统未能充分发挥作用的一个原因。水厂实现自动化的根本目的是提高生产的可*性和安全性，实现优质、低耗和高效供水，获得良好的经济效益和社会效益。但是，有的水厂实现自动化是为了赶时髦，将其作为一种点缀；有的水厂是迫于形势，在大批水厂纷纷实现自动化的情况下，自己也不能不上；有的水厂使用的自动化功能过于复杂，特别是在考察自动化水平较高的水厂后，更是盲目地提高标准；有的水厂则自动化功能过于简单，主要是对自动化不熟悉，缺乏必要的信心，怕造成麻烦；有的水厂是为了凑合贷款数，不得已而配置自动化系统和设备。这些不正确想法的存在，使水厂实现自动化的根本目的发生了偏向，造成了自动化设计不切合水厂实际，不注重生产过程特别是关键工艺环节的自动化，并忽略了在运行和管理模式方面的相应改革，从而导致自动化未能充分发挥作用，甚至建成后处于闲置状态。
2水厂自动化的设计
2.1未解决的相关理论问题
在水厂自动化中，工艺理论对自动化提出的控制要求本身存在未解决的理论问题或理论不够完善，使控制未能达到规范化和最优化，系统运行达不到理想的控制状态，从而影响了自动化的实际运行效果。（1）絮凝理论不够完善。
加药系统是一个大延时、强耦合、干扰因素多的非线性系统，目前广泛采用的控制方法为：用原水流量按比例前馈调节计量泵的频率，用流动电流仪（SCD）反馈调节计量泵的冲程，从而构成加药复合控制系统。由于凝聚作用本身有多种理论，决定加药量多少的水质成分因素在理论上还不够完善，如原水浊度、温度、pH、污染因素以及非胶体颗粒干扰因素等参数变化都对SCD有很大影响，而在SCD反馈调节方法中，只采用了反映水中胶体稳定度的参数ζ电位来代表全部水质因素，因此该控制方法并不完全符合生产实际。同时，传感器缝隙小易造成堵塞，加药后不易形成絮粒，特别是滞后反应和水质变化对SCD影响较大，导致该方法适应性较差，准确度不够，达不到优化自动加药的要求，实际使用效果并不理想［1］。在有的系统中，虽然采用了智能技术如专家系统、自学习模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解决加药量优化控制的问题。
(2)加氯系统理论问题。
在加氯系统中，传统的控制方法为：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反馈控制。由于影响加氯效果的因素很多，如水质、天气、水厂的具体工艺特点等，而且后加氯存在时间滞后问题，同时对控制方法和投加氯氨存在的问题目前有不同的看法，特别是对水射器安装位置和余氯取样位置的规范化确定目前尚无完整的理论［1］，从而使加氯系统不够规范，实际运行效果也不是十分理想。在有的系统中，虽然采用了一些其他控制方法，如采用双因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多参数非线性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解决加氯系统存在的问题。
(3)其他理论问题。如变频供水泵和定速供水泵的台数比例确定、变频供水泵的自动调节方法以及供水泵的科学调度等问题，理论上还未完全解决，管理上还有待进一步研究。
2.2技术规范和设计标准问题
到目前为止，我国在供水行业自动化控制方面，除《城市供水行业2000年技术进步发展规划》等少量规划性技术文件之外，尚无制定供水行业自动化控制方面的技术规范和设计标准，致使水厂在实施自动化过程中，技术上缺乏统一的规范性，设计上存在一定的盲目性和随意性，不同类型的水厂自动化分别应该达到的主要功能和主要技术指标不明确，影响了自动化系统配置的科学性和合理性。而在其他行业，如水电行业，国家有关部门早已经颁布了相关的技术规范和设计标准，这对该行业的自动化设计和实施起到了积极的促进作用。
2.3专著和文章问题
我国供水行业的自动化起步较晚，总体发展水平也不高，致使在供水自动化方面发表的文章数量有限，总体质量也不太高，出版的专著更少，既不利于在实施自动化时提供必要的理论指导和技术参考，也不利于行业内的技术交流和经验交流，影响了自动化知识普及和提高的速度。而在其他行业，如电力，除有大批专著可供参考外，还有大量的文章可供参阅。另外，每年还举行众多的技术研讨会和交流会，这对提高该行业的自动化水平起了很大地推动作用。当然，这与该行业从业人数多、技术力量雄厚、期刊数量大等多种因素有关。
2.4设计中存在的一些具体问题
水厂的生产过程是一个较为复杂的连续过程，对于其自动化系统的设计要求较高，涉及众多技术和设备，设计本身具有一定的难度，故在有些水厂自动化设计中存在的问题较多，影响了自动化功能的发挥，甚至影响了系统的正常运行。
（1）缺乏统一的发展规划。在有些水厂自动化设计中，对控制系统的持久性和未来发展规划一致性考虑不够全面，导致控制系统开放性和扩展性不够，造成系统很快落后于生产发展的需要。
（2）功能设置过于复杂。在有些水厂自动化设计中，由于片面追求高标准，致使功能设置过于复杂，而忽略了水厂的实际工艺情况和管理水平，使系统的故障率增高，而维护管理又跟不上，导致关键工艺的自动控制得不到保证。
（3）功能设置过于简单。在有些水厂自动化设计中，工艺过程的功能设置过于简单，达不到控制要求，特别是关键工艺的控制要求，造成虽有自动化系统，但关键工艺(如投药等)仍由手动完成的现象，失去了实现自动化的实际意义。
（4）设置过多的手动功能。有些设计为了在自动化系统故障时不影响生产，而设置了过多的手动操作功能，从设计上就将自动化系统置于可有可无的地位，既造成了设备的重复投资，也使生产人员产生了不正确的依赖心理，加上运行管理改革力度不够，出现了自控设备搁置不用而仍由人工手动操作的现象。
（5）设计人员水平不够。水厂的自动化设计涉及众多技术和设备，要求设计人员既要掌握先进的控制技术，又要熟悉生产工艺过程，同时对设备也要有相当的了解。但在有些设计中，由于设计人员对生产实际情况或对进口设备的性能了解不够，导致设计与实际生产有出入或出现设备选择不当，满足不了工艺要求，造成了自动化系统局部失败。如有的设计中滤池出水阀选择了两位阀，虽配置了完备的自动化控制设备，但却无法实现滤池水位的自动调节功能。
3水厂自控设备存在的问题
设备方面存在的问题也是影响水厂自动化系统正常运行的一个主要因素，具体表现在如下几个方面：（1）质量问题。水厂中有些设备容易出现质量问题，如碱度计、氯氨测定仪、溶解氧测定仪、浓度测定仪、压差变送器、加氯机、计量泵、调节阀、电磁流量计等，这些质量问题有的是设备本身的质量不过关，有的则是安装或维护质量达不到要求，但均影响了自动化系统的正常运行。（2）配套问题。在有的水厂自动化系统中，设备如传感器、测量仪表及执行机构本身并无质量问题，而是精度不够或稳定性达不到系统要求，即与系统配套不合理，也是影响自动化系统正常运行的一个原因。（3）备品备件问题。有些设备发生故障后，由于缺乏备品备件而一时无法修复，这对进口设备尤为明显。如果由原产品供应商修理，则时间长、费用高，特别是有的产品已更新换代而根本无法得到备品备件，造成了这些设备的检修十分困难，从而导致这些设备长时间处于瘫痪状态，影响了自动化系统的正常运行。（4）检修和改造问题。对于部分进口设备如网络设备，由于外商对通信协议和通信软件的公开性不够，且本身的技术要求也较高，既增加了这些设备的维护和检修难度，也降低了自动化系统的开放性，影响了系统的正常更新和改造工作。而且很多进口通信设备较难与国内设备互联，致使更新和改造困难，从而降低了自动化系统的合理性和统一性。
3管理方面存在的问题
水厂自动化系统建立后，管理水平滞后是影响自动化功能正常发挥的一个重要因素。由于管理人员受自身素质和传统观念的束缚，未能在管理方面进行及时的调整和改革，导致管理水平落后，无法适应水厂自动化的发展需要。如何提高管理水平和管理人员素质是自动化水厂目前面临的一个重要课题。
（1）不注重设计、安装、调试过程的人员参与。很多水厂在建设自动化系统时，由于受人员和素质的限制，常采用交钥匙工程的方式，这样在建设时轻松省事，但后患无穷，由于没有自己的技术力量参与设计、安装、调试过程，导致投产后出现很多问题，影响了系统的实际运行效果。
（2）对自动化系统和设备不够熟悉。由于值班人员缺乏必要的技术知识，对自动化系统和设备不够熟悉或掌握不够，导致设备得不到正常的保养、调校和检修，造成仪表精度降低或设备故障；导致软件得不到必要维护和调整，造成因一些小软件故障得不到及时处理而影响系统正常运行；有的甚至出现误操作或引起人为故障。
（3）缺乏完善的自动化管理规程。水厂实现自动化后，其运行管理和维护管理已和传统水厂不一样，但不少水厂在这方面的改革力度不够，缺乏满足自动化生产需要的管理规程，如岗位职责、运行管理制度、操作规程和设备维护保养及检修规程等，致使运行管理满足不了生产需要，维护管理达不到要求。
（4）缺乏专业的、稳定的维护队伍。自动化系统和设备虽然具有较高的可*性，但也会出现故障，需要维护人员尽快排除。同时，设计情况与实际运行情况不一定完全一致，即使与投入运行时一致，过一段时间后也会有所变化，另外经过一段时间的实际运行后，一般都需要对系统中存在的某些缺陷进行改进，以使系统更加优化，这就要求维护人员对自动化系统和设备进行必要维护和调整，特别是当生产工艺变化后，需要对控制系统进行相应修改和开发。
但是，由于缺乏专业的、稳定的维护队伍，使一些小的软硬件故障得不到及时的修复和处理，渐渐由小问题变成大问题，甚至导致自动化系统瘫痪。
关键词：水厂；自动化；自控系统
收稿日期：2011-06-23
作者简介：张思立（1982―）,男,湖南株洲人,助理工程师,主要从事水厂自动化管理的研究工作。
中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1674-9944（2011）07-0213-02
1引言
笔者所在的蛇口二水厂分两期进行建设,前后相隔时间近10年之久。由于自控科技的发展日新月异,这两期的自控系统堪称两个时代的产品,基本无法实现兼容。出于更加安全、便捷地生产调度、操作、维护等方面的考虑,蛇口二水厂自控系统全面升级改造势在必行。
2水厂简介及自控系统现状
蛇口二水厂日供水能力为10万t,一、二期各5万t,原水自水库由两路原水管进厂,经加矾、石灰后进入管式混合器、折板反应池、平流沉淀池、V型滤池、滤后出水经加氯处理后进入接触池、清水池、吸水井,然后经二级泵站输送至管网。
蛇口二水厂一期于1999年投产,其自控系统采用windows NT4.0操作系统和Macam97工控软件,滤池PLC为施耐德TSX40系列,公共冲洗控制站PLC为施耐德TSX60系列,网络选用的是Telway。蛇口二水厂二期于2008投产,其自控系统采用的是西门子Wincc操作系统,PLC为西门子S7系列,网络选用的是Profibus-DP网络。系统主要存在以下问题。
（1）蛇口二水厂一期的NT4.0系统安全漏洞较多,且不完全支持新版的杀毒软件,因此在远程控制及通信上存在较大安全隐患,容易被病毒攻击而造成系统崩溃,现基本处于不联网或间断式联网工作方式。
（2）蛇口二水厂一期部分现场PLC及其配件因使用年限过长损坏,且施耐德公司已于2000年淘汰了TSX系列产品,不再提供备件供应。
3蛇口二水厂自动化升级改造分析
3.1改造目的
改造的最终目的是为蛇口二水厂一、二期生产线建立一个统一的、功能完善的自动化控制系统,以实现提高生产质量,减少工人劳动强度,降低生产成本,保障生产安全。具体细化如下包括合并计算机监控系统；更换一期滤池PLC；修改二期滤池PLC程序；合并一、二期公共冲洗PLC程序。
3.2改造中注意事项
原有系统的功能需实现,并保证系统的稳定性；由于水厂社会职能的特殊性,必须尽量保证不停产改造。必须停产施工的环节,应安排在深夜供水低峰时实施。
3.3改造方案
鉴于蛇口二水厂自控系统的现状,宜分计算机监控系统与PLC系统两块分别进行改造。
3.3.1计算机监控系统
淘汰一期的Macam系统,在二期的Wincc系统上进行升级,将一期的监控项目合并到二期的监控系统中,形成新的合二为一的计算机监控系统。
3.3.2PLC系统
现有PLC系统存在一套监控系统中同时连接多种网络而导致监控计算机运行不稳定的情况,因此有需要将PLC系统的网络合并,减少计算机网络通讯的负担。故改造中更换了一期所有PLC硬件,硬件选型选用与二期同品牌的PLC产品,并将新的PLC与二期PLC连接在同一个网络上。
3.4改造结论分析
如图1所示,蛇口二水厂自控系统改造完毕后,中控室与二水厂之间采用光纤网络互连,公司各级
管理部门均可实时掌握相关生产数据以及视频图像。基于Wincc的新监控系统实现了一期、二期的统一管理,其监控界面能显示整个系统结构图,全场建筑示意图、工艺流程图、高低压配电系统图、沉淀池、滤池、接触池、清水池、二级泵房、污水泵房、加药系统以及检测仪表等画面,并可实现动态效果；在报警功能方面实现了对生产设备的参数越限、运行状态失控的报警,报警方式通过改变CRT画面色彩、闪烁等来指示。在控制功能方面实现在在中控室自动控制一期、二期的任意一道工序,也可以对各设备进行一对一的远程操控。
4结语
相对于蛇口二水厂的原自控系统,新系统具备了以下优点。
（1）可靠性。整个系统采用模块化设计,使用的PLC产品均为同一品牌（西门子）,分层、分布式结构,控制、保护、测量之间既相互独立又相互联系,工业电视监控系统对水厂的现场情况了如指掌。
（2）先进性。以无人值守、少人值班为立足点,各工序、设备均可由中控室直接控制。
（3）经济性。有较高的性价比,主要设备均采用较高的国际/国内知名品牌产品,其可靠性和性价比均有保障。
（4）实用性。系统设计了多了控制层面,既考虑到日常工作的全自动化,又考虑到事故状态的应急措施。改造后的新系统满足了蛇口二水厂的生产运营及管理需求,提高了生产安全水平和生产效率。
参考文献：
关键词：水厂自动化系统防雷瞬间过电压
随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT)的发展和广泛应用，目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬间过电压的承受能力大幅降低，成为水厂受雷电损害的主要设备。所以对自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的，明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。
一、瞬间过电压的产生
瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。
1、一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：①直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEEC62.41)，而线对线无法控制。②以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上，最终损害设备。
2、当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。
二、瞬间过电压对电子设备的危害
瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。
通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能性不大，其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)。按国外资料统计雷电波侵入(感应)占计算机类设备雷击事故原因的85%，按成都市自来水总公司资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因的100％。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、I／O模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。
根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为一体且分散面广的特点，我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等四方面着手。
1、自控配电系统的防雷
当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部份。
水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置，但自控设备的电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些措施的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有些有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，如《图一》，从而加在自控设备上的残压高，至少高于避雷装置的启动电压，一般为峰峰值2-2.5倍(单相残压不低于800V)，极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。
由上述，用单一的器件或单级保护很难满足要求自控设备对电源的要求，所以对电源防雷应采取多级保护措施。具体级数根据各自实际情况而定，《图二》为自来水司水厂采用的三级保护方案。(原有的高压避雷器保留)
第一级在变压器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高(920-1800V)。第二级在各控制站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量居中，启动电压居中(470-1800V)。隔离变压器的安装非常重要，它能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效。末级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，其残压低，响应时间快。
有条件尽可能以从总配电柜开始将自控系统的电源线单独布排。各级避雷器应尽量靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正的全反射。各级启动电压可据系统而定，但末级应尽量达到箝位输出。国内和国外的各系列电子避雷器均有较好的性能，其原理图如图三。有些还增加了放电管、雷击计数器、避雷器漏电流检测电路，其使用、检测很方便。自来水司水厂采用电子避雷器后其自控系统一般不会在再遭受过电压损坏。
2、通讯线、天馈线避雷
自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线(如DH+、MB+)，并且一般在安装时都是穿管直埋(或电缆沟)铺设，所以雷电在此处的感应电压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常电压一般为正负5V、12V、24V、48V等)，故损害也很大。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，在选用避雷器件时一般都不采用氧化物避雷器，因为它的分布电容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理。通常避雷器原理如《图四》，其中箝位二极管残压很低，若额定电压为24V，则残压在于24-30V之间。选用此类避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的防雷器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有信号反射的现象。避雷器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷的最好方法当然是采用光纤网络。
水厂与上级部门及水厂之间的无线电通讯一般距离近，功率低，其连接线都采用同轴电缆。所以对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器(直击雷防护见后)。我们知道，雷电波能量主要集中在工频和几百赫的低端，与有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开的有效手段就是采用高通滤波器，在选用这类产品时，应据通讯频率和传输功率而定(天线应置于构筑物避雷网45°角内，否则须有相应接地措施)。目前国内市场上的同轴电缆避雷器就是利用这一原理。
3、控制站构筑物的防雷
总控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表，大多数还有电台和天馈线，是全厂生产监控、调度中心，在装修中大量采用了铝、铁等金属材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均压等电位屏蔽措施。
控制站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，只安装避雷针效果不好，因为水厂构筑物高度虽低，但地势空旷，临近水源，所以极易遭受各方向的各种形式的雷击。控制站所在构筑物的接地电阻须小于10欧。
有天馈线或通讯铁塔的应安装避雷针，并置于构筑物避雷网45°角内，避雷针以及通讯铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。如只采用构筑物钢筋结构接地，因为在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证，雷击时其均压要求不能保证而易在构筑物内出现强磁场。构筑物外墙上的所有金属门窗应接入构筑物的接地网。
前面已述，雷电的危害途径主要通过感应而进入自控系统，所以避雷针、带、网的引下线应尽量多设几条，使雷电电流有更多的分流途径，以减小每条线上的泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽量置于远离避雷网导地金属体。
4、合理接地
防雷的最终措施是"泄放"，因而对"接地"切不可轻心。一般厂内的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。
计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地(小于4欧)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小2欧)，安全保护地(小于4欧)。在安装时难以分开(特别是对PLC系统)，对这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值，至少小于2欧。
目前水厂的三大接地网一般是分开设置的。虽然也有采用部分联合接地的，但我们认为，在水厂还是分开设置较好，原因有以下几点：
l、水厂构筑物大多数在修建时未考虑计算机等弱电设备，且其接闪地和设备地本身已分开设置。
2、一个水厂内，为普通用电设备供电的高、低压配电系统中，都采用一个接地系统，由于用电的复杂性，在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd)，必然使计算机接地电位抬高到IdRd，从而可能造成反击。
3、新增计算机、PLC系统时，若要与构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地，其接地电阻小于0．5欧较安全，这样一方面造价太高，在某些地质条件下很能难做到，另一方面对旧地网(特别是老水厂)处理时比较困难。
地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位，地网分开，则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以，地网之间的距离SK当涉及自控系统接地时应大于10M。在接地线引入室内时，若与其它地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。
5、避雷器的选型及安装布线
要发挥良好避雷功能，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象；具有低"通过"电压(将瞬间过电压降到设备能承受的范围)；能承受高电流(二次感应电流一般不会超过10000A)；反复使用寿命长且具有状态显示。电源避雷须提供相对地、中对地及相对中的全面保护作如《图5》。
摘要：下文主要针对水厂自动化设计，做出简要分析，做出探讨，从设计方案逐步入手。
关键词：水厂；自动化；设计理念
一、系统总体方案
可以根据水厂各生产环节，按工艺及地理位置布局要求，水厂控制系统一般采用分布式控制方案，在每一生产区域设立现场控制站，完成对本区域内设备和过程的监视，操作和控制，区域则按工艺及设备分布划分，各站之间通过可靠性高和实时性强的工业局域网络相连，实现N:N对等通信，达到管理集中和控制分散的目的。因此需要采取分层结构模型，设立公司级，工厂级，区域级，单元级，设备级及装置级，据此，系统设置现场监控站和一个中央控制管理站。
现场监控站由现场控制单元和现场操作站组成，现场控制单元负责区域内所有设备和过程的数据采集，顺序控制和参数调节，由PLC或PLC网络组成，现场操作站承担CRT显示，故障报警，参数设置，现场操作和数据存储等工作由于控机和工控组态软件构成。现场控制单元和现场操作站均作为独立的节点。挂于局域网上，且均可视为局域网上的一个节点站。现场操作站的另一种设置方法为通过串行口直接连于现场控制单元PLC的串口上，此时，操作站则被视为控制单元的操作终端。中央控制管理站负责对全厂工艺流程及重要设备的工作状况进行监视、控制。通常由数台工控机组成，除含有各操作站各项功能外，还负责数据处理报表打印等功能。
二、系统构成及主要控制设备
1.系统功能:
根据地理位置及功能划分，由中控室主站及设在现场的三个子站和与公司供水调节SCADA系统互联通讯子站构成。
(l)中控室主站中控室主站设置三台工控机，一台作实时显示，对各分站监控管理;一台作数据处理;还有一台供维护、调试、管理使用。配一台数字式投影仪，大屏幕动态显示全厂工艺流程及设备运行状况。
(2)现场子站按照工艺流程及平面布局设置，设泵站、投加、滤池三个现场子站.各子站设操作员终端，方便现场监控、维护、管理。
①泵站子站
1#PLC子站负责监控及管理取水泵站、送水泵站、回收水泵站及配电系统。主控处理器设在送水泵站PLC机柜内。PLC监控7台送水机泵及闸阀工况，机泵启停操作及运行、保护等，采集出厂水流量、压力、浊度、pH、余抓以及清水池水位等参数.采用1400系列电量监测仪检测并显示各台机泵以及馈电、进线、母联回路的电量参数，并通过远程I/0链与主控处理器通讯.取水泵站采用适配器通过远程I/O链与主控处理器进行通讯”PLC监控5台机泵及闸阀工况及运行、保护等，采集吸水井水位、上水管压力及流量、原水pH、浊度、水温等参数，对机泵及清垃机启停操作控制。
回收水泵站采用适配器模块与主控处理器通讯，PLC监控回收水泵站机泵的启停。PLC还监控沉泥池2台排泥车的启停操作控制及故障检测，并在每台排泥车的电气控制柜内设置小型逻辑控制器(SLC)，对排泥车进行过程控制。
②投加子站2#PLc子站负责监测及管理投矾、加灰、加抓、加氨工艺及设备.主控处理器设在投加中央控制室PLC机柜内.因加灰点距此较远，故在那儿放置PLC机柜，设适配器模块经远程I/O链与主控处理器通讯.由于矾、灰、抓、氨投加均引进国外自动化设备，所以PLC仅用于投加设备的状态参数检测、越限事故报替及后加抓系统控制，并采集水质参数及药剂的称重量、投加量，送主站监视及处理。
③滤池3#PLC子站包括滤池和沉淀池.主控处理器设在滤池PLC机柜内.PLC对24格V型滤池出水气动蝶阀分别进行等速调节控制，保持过滤时砂面以上水位稳定。当过滤周期、水头损失、清水池出水浊度中任一个达到设定值时，滤池自动反冲洗。按工艺要求进行扫洗、气水反冲洗、漂洗的顺序控制，也可以人工请求手动强制冲洗。
④与SCADA系统联网采用MOTOROLA公司的MOSCAD系统设备与PLC互连.由MOSCADRTU收集调度所需的全厂必要数据，利用公司现有的800MH:集群系统，实现实时查询水厂及管网生产参数.
2.系统组态软件设计
a.全厂平面布置图
b.全厂净水工艺流程图
c.全厂电气主结线图
d.取水泵站监视图及参数图
e.送水泵站监视图及参数图
f.全厂配电系统参考图
g.单台水泵电机监控图
h.出厂水24小时压力流量、水质参数图i，滤池总监视图1.单个滤池监控图及参数趋势图k.沉淀池监控图1.加氨工艺流程图m.加氯工艺流程图11.加矾工艺流程图0.加灰工艺流程图p.各类报警图考虑到仪表、设备更换等因素引起参数采集值变化，在画面上设计“参数设定”画面，必要时在键盘输入修正值即可。
另外，还设置事故报警提示画面，便于值班人员判断原因，迅速处理。在全自动方式下，一、二级泵站机组开停可由以下因素决定:一级泵站控制:
1.清水池水位低于下限时，必须有一台泵组运行;
2.清水池水位下降速率超过警戒限及清水池水位未达到上限替戒水位时，至少保持一台泵组运行;
3.泵组运行台数所进的水量与二级泵站出厂水量相对应;根据比值及清水池水位高低，水位上升或下降速率等因素决定泵组开停，尽可能保持清水池经常处于高水位，同时又要保证泵组不能频繁动作，每启动一台泵，运行时间不能少于1小时。
配电站控制:所有进线柜、母联柜、馈电柜均可通过计算机PLC自动合分闸，所有电气故障均立即在屏幕上显示，并发出声光报警信号，部分影响正常运行的故障则自动跳闸保护或切换开关，违反电气操作规程的操作，均被锁定，不予执行。在手动方式”LC自动跟踪手动调节器的运作及收集资料，自动调整模型参数，另一方面，又用来设置设定值，使其具有自学习功能，成为一模糊控制器。
与SCADA系统联网:公司中心调度室与水厂距离较远，为实现两者之间的通讯，系统采用MOTOROLA公司的MOSCAD系统设备与PLC互连。由MOSCADRTU收集调度所需的全厂必要数据，利用公司现有的800MHz集群系统，实现实时查询水厂及管网生产参数。
三、问题讨论
1.水厂自动化是一项综合课题，在系统总体设计时，除考虑实现安全供水和水质质量的主要目的外，还必须考虑到操作者的需要和供水服务的连续性要求，以及系统持久性与公司未来发展规划一致性间题。现场一级部分设备的手动控制机构仍有必要保留，以防PLC工作站万一出现较严重故障而不能迅速修复时，造成失控现象，从而提高整体全性。同时必须保证精确的检测仪表和动作可靠的执行机构。
2.部分水厂自控系统由公司科研室会同设计室、水厂共同设计、开发、安装、调试，这样有利于自己的技术人员掌握这套系统和日后的运行管理及维护，而且完全符合水厂实际运行情况，降低建设成本。而且由于统一选型，避免某些新建水厂由于各子站分别采用不同控制系统所产生的系统矛盾及缺陷。水人员直接参与系统安装和调试是保证系统正常发挥作用的重要条件之一。
3.冗员问题，是阻碍自来水行业实现自动化的障碍之一，自动化程度提高，必然导致出现富余人员，因此必须处理好安置间题，否则达不到自动化的目的，但自控系统需要增加一些专业找术人员来进行维护管理。
4.必须设立相应的维护班组，值班维护组可以处理任何操作间题.这个班组应具有系统所有设备的软件维修和硬件服务所需的技术知识。齐全的设备配件，可使维修组尽快地完成维修工作，使故障设备的停机时间缩至最短。必须认真对待信息处理，在对其进行后期处理时，不应破坏控制系统的实时性。
本文结合某净水厂的工艺流程，分析了自动化控制系统的软件及硬件设计选型。
关键词：
工艺流程；计算机管理系统；硬件设计；软件设计；PLC
1净水厂概况
浙江某净水厂设计规模为10万m3/d，供水水源为水库水，原水经7kmDN800引水管道进入净水厂，供水系统为全程重力自流供水，出厂水经消毒后重力自流至城区配水管网。
2工艺流程
本工程净水处理系统工艺流程为：源水来自水库，依次进入综合池、V型滤池、清水池，经处理后，输送至城市管网。本工程污水处理系统工艺流程为：综合池产生的污泥排入排泥水调节池、提升至浓缩池浓缩后，进入污泥脱水机房，脱水后污泥外运。滤池的反冲洗水经回用水池提升至综合池回用。本工程各类药剂投加点：矾投加至管道混合器，石灰和高锰酸钾投加至管道混合器前，粉末活性炭投加至折板反应池中部，氯气投加至管道混合器前、清水池进水管和清水池出水管。
3中央控制室计算机管理系统
中央控制室计算机管理系统设于生产调度大楼的中控室，采用具有C/S（客户机/服务器）结构形式的计算机网络，同时可支持B/S（浏览器/服务器）结构形式，并可以与上级系统和周边系统链接，现场站与中央控制室之间通过工业以太网光纤环网进行数据通信。中央控制站主要完成全厂的数据通信和调度管理。计算机系统建立在开放的、可靠的网络环境中，系统中的硬件和软件都具有可靠性、开放性和先进性。操作员站采用基于客户机/服务器结构的Windows7操作系统，服务器操作系统采用WindowsServer2008操作系统。
3.1计算机管理系统设计
全厂控制网络分三层。第一层为信息层：由2台监控计算机、2台数据服务器、1台WEB服务器、1台工程师站、网络打印机等的基于IEEC802.3标准的以太网组成，在中央控制室设置1套100/10Mbps24口工业以太网交换器，用超五类网线相连，形成星形拓扑结构。第二层为控制层：由中控室监控计算机至厂内现场主站基于IEE802.3标准的工业以太网光纤环网组成。第三层为设备层：由现场控制主站至设备控制箱、现场仪表基于IEC61158标准的现场总线或常规I/O组成。
3.2计算机管理系统硬件设计
服务器及控制计算机选用DELL产品。工业以太网交换机采用MOXA品牌，PLC和触摸屏均采用施耐德公司的产品。不间断电源选用APC产品。
1）计算机技术性能
（1）CPU：酷睿i5-4570（四核，3.20GHzTurbo，6MB）。
（2）内存：DDR34GB。
（3）硬盘：SATA串行硬盘500G。
（4）光驱：光驱DVD±RW。（5）显示器：24寸宽屏液晶显示器。
2）数据服务器技术性能
（1）CPU：英特尔至强六核E5-2630。
（2）内存：4GBRDIMM，1600MT/s，低电压，单列，x4带宽。
（3）硬盘：300GB15KRPM6Gbps近线SAS热插拔硬盘*4。
（4）光驱：DVD。
3）工业以太网交换机技术性能
（1）工业级以太网产品，符合标准的IEE802.3以太网标准，支持STP/RSTP协议，可构建快速冗余以太环网，单台自愈时间≤30ms。
（2）带有SNMP管理单元。
（3）支持Port-basedVLAN协议，可以对网络进行灵活的子网划分。
（4）支持QoS，对信息设定不同的优先权。
4）UPS不间断电源技术参数
（1）双变换在线式。
（2）具有较强的抗过载能力，至少要能够达到125%的过载。
（3）具有人性化触控式按键，清晰易懂的LED界面，可完整显示UPS状态、负载、电池容量、电池更换指示等详细信息。
（4）能够在130V~275V输入电压范围内正常使用。
（5）具备短路保护装置，发生故障时自动停机，故障消除后自动恢复。
（6）具备防雷击保护装置。
3.3计算机管理系统软件设计
工业监控软件采用亚控公司的KingSCADA开发平台，在此平台上设计开发用户所需的生产管理系统。根据生产过程工艺仪表采集到的数据，生产设备运行中状态信号和电气数据以及化验数据和其他信息等，协调和管理全厂的生产调度，打印生产报表、绘制趋势曲线图，报警及事件记录。生成净水厂的生产工艺流程、变配电系统实时动态图，反映生产工艺流程的实时数据、完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。生成各类生产运行管理的班报、日报、月报和年报表。在线生产成本分析系统具有对任意一个或多个时间段的生产成本进行统计、查询、比较、分析等功能，为生产决策提供可靠依据。
4自动化控制系统
自动化控制系统采用PLC控制器，通过采集现场仪表的生产实时数据和控制设备的状态信息，根据现场工艺的要求，实现净水厂的过程控制、顺序控制、连锁控制、设备的开机、停机等各种操作，完成净水厂的自动控制。自动化控制系统集成了计算机技术、通信技术、高性能PLC及智能化仪表。集中管理生产过程中的信息，以实现整体操作、维护、管理和优化；同时，也使得控制风险分散，提高系统可靠性。
4.1控制系统站点分布
本工程在厂区设置5个PLC主站和11个PLC滤池子站。5个PLC主站分别为：综合池PLC主站、反冲洗泵房PLC主站、脱水机房PLC主站、加药间PLC主站、加氯间PLC主站，每个滤格设置一个滤池子站，共11个滤池子站。PLC主站与SCADA服务器组成100M工业以太网光纤环网。所有PLC主站按无人值守的运行管理方式。
4.2控制系统硬件设计
根据生产设备、生产管理、工艺流程、构筑物位置分布相对分散的特点，系统选用施耐德电气基于可编程序控制器（PLC）的控制系统。每个控制主站采用施耐德电气的ModiconQuantum热备系统（CPU67160系列）。11个滤格子站，采用施耐德电气的ModiconM340（BMXP342020系列）控制系统。140CPU67160是ModiconQuantum系列最高端控制器，专用于双机热备冗余系统。CPU采用Pentium型芯片，主频266MHz，内置RAM，并提供两个PCMCIA扩展插槽，能够很容易地满足最大限度要求的程序扩展和数据保存。存储器容量可以用PCMCIA卡（存储程序、常数、变量名和注释，备份文件等）进行扩展。集成Modbus、ModbusPlus、TCP/IP（热备端口）、USB等多种通信端口，便于与其他设备实现数据交换。CPU上集成液晶显示屏幕，用于显示系统的运行、故障、通信等状态信息和设置系统的相关参数。带有后备电池的SRAM，可以在控制器断电的情况下保存应用程序和数据。140CPU67160集成了100M的光纤通信端口，完成主备CPU模块的数据同步。QuantumCPU使用可擦写存储器技术，支持控制器的执行存储和指令集。这一最新的非易失存储器技术，在不更换存储器卡的情况下只需通过Modbus或ModbusPlus即可实现操作系统更新。
4.3控制系统功能设计
各PLC现场控制站设计具有下列功能：
（1）具有实时监测所属监控工艺流程范围内的生产过程参数（压力、流量、液位）、水质参数（温度、浊度、PH值、余氯等），并对采集的上述参数进行处理同时供上位机储存、显示。
（2）具有实时监测所属监控工艺流程范围内主要设备的运行状态，并对其进行采集、处理同时供上位机储存、显示。
（3）具有全自动控制或调节计量泵、水泵、鼓风机、阀门等设备。
（4）具有自动进行越限保护处理和设备故障自动进行保护。
（5）具有可靠的安全措施，具有保护口令，防止越权修改程序。
（6）系统具有较强的自检功能和故障自恢复功能。能够承受运行中的各种干扰。
4.4控制系统开放性和可扩展性
开放性的系统整体结构可以保证系统具有较长的生命周期，系统在投入运行以后可能会有一些变化调整，因此系统必须具有灵活的结构，具有良好的开放性，在软件和硬件的配置上能灵活增减。具有强大的系统维护和诊断功能，保证系统安全、可靠的运行。自动化控制系统的可靠性是整个系统长期稳定运行的关键因素。PLC、网络设备、监控软件等系统核心部件以及断路器、开关电源、继电器、接线端子等易损件均选用工业级、抗干扰能力强，在净水厂自动化系统领域有长期运行经验的国内外知名品牌。整个自动化系统能够在严格的工业环境下长期、稳定地运行。系统组件的设计满足国内、国际的安全标准，并且易配置、易接线、易维护、隔离性好，结构坚固，抗腐蚀，适应较宽的温度变化范围，能够承受工业环境的苛刻条件。系统提供高度的在线维护性能。任何节点故障、离线或从系统中移去不会影响其他节点正常运行，具有标准的对外通信接口，便于与其他控制系统通信。选用高质量的设备搭建的系统架构，不仅可以保证系统稳定、可靠的运行，也将大大减少投运后的维护工作量、并节约二次投入的资金，同时避免因系统故障导致的损失。
作者：斯东浩 单位：浙江浙大中控信息技术有限公司
参考文献
