地下水源點自動化改造項目分析與實踐

趙建華+柴常筠+林尤赫

摘 要 本文結合地下水分布式水源點采水車間自動化改造項目實際過程，對改造工程中的項目規劃、現場施工管理、技術要點與難點進行分析與論述，重點介紹了該自動化改造項目實施過程中遇到的問題與解決辦法。

關鍵詞 自動化改造，信號干擾與接地，無線數據通訊，儀表與環境

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-0152-02

隨著中國經濟持續飛速發展，城市化速度越來越快，更多的城市人口對當地的供水服務質量提出更高的要求。為加快發展，滿足日益增長的供水用戶需求，水源廠啟動自控改造項目，將原有手動控制供水系統全面升級改造為遠程自動供水系統。下文針對項目設計、現場實施、調試試運行、系統優化等各環節的技術問題與要點進行探討。

1 概述

污水廠自控改造項目主要包括以下方面內容：

1）采集水源采集及處理工藝流程與設備控制邏輯，以車間為單元建立遠程控制站點。

自控改造項目需對每個工藝流程進行全面模擬，將其進一步轉化為設備控制邏輯（即PLC控制程序），在此過程中，重點考慮整個控制邏輯的嚴密性與穩定性，能夠實現長時間、不間斷的無人值守目標。

2）新建過程控制儀表，為生產部門提供精確生產數據。

原有手動系統同時存在另一個問題：生產過程數據只能依賴人工巡檢獲取，成本高、時效性差;并且部分數據無儀表采集，如流量、壓力等。本次改造項目徹底解決生產數據缺失問題。

3）實現生產數據的精確采集與統計的SCADA系統。

備用水源點自動化改造的核心功能是采集生產數據。通過分布式站點每間隔5秒一次的采集頻率，管理人員可以使用SCADA系統輕松調出時間跨度為兩年范圍內的任意生產數據，該功能為生產管理提供強大的數據支持。

2 地下水源點自控改造項目介紹

目前，地下水源點100余口機井，作為地表水源供應的重要補充，為保障市區供水發揮重要作用。

地下水源點最小機井供水量約為80m3/h/口，最大機井供水量約為240m3/h/口，其工藝流程如下圖所示。

圖1 生產流程圖

地下水泵采用配電系統均為20世紀90年代產品，不具備任何遠程控制功能，工作人員巡檢每一個車間都必須實地進行數據采集工作，而很多偏遠地區的車間往往需要在路程中花費大量時間，水源點被迫長期處于巡檢員工不足的狀態，因此急需對備用井進行自動及遠程控制技術升級。

自控系統更新改造方案按工藝流程及工藝特點而制定，根據工藝流程配置完整的壓力、流量等檢測儀表。從工程實際情況及生產管理要求出發，根據設備和功能相對集中的特點，控制系統選用PLC組成的控制系統，采用集中管理、分散控制的模式，設置數據采集及監控計算機系統。整個控制系統分為三級：調度中心監視系統、監控系統、車間本地監控系統。自控系統數據通訊網絡采用GPRS遠程通信技術，連接現場儀表和設備的數據傳輸既有常規I/O方式，也有Modbus串口通訊方式。主要（大型）機械設備的控制采用現場手動控制、就地HMI控制、中央控制系統控制的三層控制模式，控制權限由高到低依次排列。并在現場PLC站配置人機界面等設備。下面是一個典型車間的控制系統網絡架構圖：

圖2 自控系統拓撲圖

項目主要內容包括：

1）自控項目總體設計。

2）GPRS遠程通訊線路測試。

3）控制系統設備（PLC、HMI）的硬件和軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

4）SCADA系統及中央控制室計算機監控系統的平臺搭建和相關硬件、軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

5）生產過程儀表采購、安裝及調試。

6）使用部門操作員培訓。

7）過程儀表及智能電表數據的上傳及管理。

8）無人值守車間的安防系統。

3 創建PLC控制邏輯

主要控制過程共有兩部分，第一部分是地下井源水抽取控制。工藝流程為水泵啟動后，管道內水位上升，擠占原管道內氣體空間造成氣壓增大，排氣閥開始動作排出管內多余氣體，當水位上升至基本填滿管道空間后，排氣閥停止動作，源水開始在管道內正常流動;水泵啟動延時一定時間后，開啟電控閥門，管道中的水進入市政管網，此時開始正常供水;同時PLC將壓力表上傳的數值與系統中設定壓力值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節變頻器輸出功率，使泵的出口壓力穩定于目標值。

第二部分為次氯酸鈉消毒系統控制。當水泵啟動后，消毒系統的電磁計量泵（注射藥液）同步啟動;PLC通過獲取藥液流量值與進水流量值，計算出當前出水的次氯酸鈉濃度，將計算出數值與系統中設定濃度值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節電磁計量泵工作頻率，使次氯酸鈉濃度穩定于目標值。

圖3 典型工藝流程PID圖

遠程車間的控制模式共分為現場手動、遠程手動、遠程自動三類：

1）現場手動。

深井地下水泵的控制選擇制設在現場配電柜面板上，選擇LOCAL，在現場配電柜面板上，開啟或停止深井地下水泵。

2）遠程手動。

在現場配電柜的控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在監控軟件的控制單元或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程手動開啟或者關閉深井地下水泵。

3）遠程自動。

在現場配電柜控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在供水調度中心的監控計算機監控軟件的控制單元上或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程自動。

注意：在自動模式下，泵的啟動和停止由軟起動器控制，控制模式如下，在不同的時間段設定不同的出口壓力范圍，當出口管網壓力在一延時時間范圍內低于壓力范圍的下限時，水泵自動啟動運行，當出口壓力在一延時時間范圍內高于壓力范圍的上限時，水泵自動停止。壓力上下限值必須是可調的，且僅能由具備調節權限的操作人員做出調整。

4 儀表的安裝與調試

備用水源廠自動化改造項目中儀表配置相對簡單，每個水源點車間內，包括出水流量計、出水壓力計、藥液液位計、藥液流量計、電力儀表共5個儀表設備。但在實際安裝與調試中，都必須嚴格按照每一類儀表的安裝要求與運行特性進行施工，否則會出現各種運行不穩定的問題。

某車間構筑物空間狹小，取水管道直管段相對較短，而且當時在建設車間時，取水管道與供水管道之間由一個喇叭口形狀的變徑頭連接。項目中配置的出水壓力計就安裝在變徑頭附近。在實際運行中發現，啟動水泵后壓力計讀數居然小于停泵后讀數，也就是說，開泵后管道壓力低，停泵后管道壓力高，這顯然違背最基本的管道運行規則。

經過反復測試與討論，最后發現問題出在喇叭口形狀的變徑頭上。當大量的流體經過由大變小的管道時，受到管壁擠壓從而在內部形成漩渦，致使安裝于附近的壓力計受到干擾測量到錯誤的信號，最終導致壓力數值違背基本的管道運行規則。在調整了壓力計的安裝位置，遠離喇叭口后，顯示數值恢復正常。

5 結束語

從備用水源廠自動化改造項目整個實施過程看，該項目關鍵核心之處就在于現場控制設備的運行狀態調整，以及現場儀表優化，每一個環節，每一個細節決定了整個系統的運行質量、運行效率與運行成本。通過項目實施過程中對各種問題的處理，對整個自控系統的掌握程度與分析水平也獲得提升。更重要的是，獲得的經驗可用于其它水源點車間改造中，自動化系統會變得更加完善、穩定。

參考文獻

[1]GB/T17544-98軟件包質量要求和測試.

[2]GB/T5234工業控制計算機系統驗收規范.

[3]GBJ131-90自動化儀表安裝工程質量檢驗評定標準.

[4]GBJ63-90電力裝置的電測量儀表裝置設計規范.

[5]GBJ79-85工業企業通信接地設計規范.

[6]GB50093-2002自動化儀表工程施工及驗收規范.

[7]GB50168-2006電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范.endprint

摘 要 本文結合地下水分布式水源點采水車間自動化改造項目實際過程，對改造工程中的項目規劃、現場施工管理、技術要點與難點進行分析與論述，重點介紹了該自動化改造項目實施過程中遇到的問題與解決辦法。

關鍵詞 自動化改造，信號干擾與接地，無線數據通訊，儀表與環境

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-0152-02

隨著中國經濟持續飛速發展，城市化速度越來越快，更多的城市人口對當地的供水服務質量提出更高的要求。為加快發展，滿足日益增長的供水用戶需求，水源廠啟動自控改造項目，將原有手動控制供水系統全面升級改造為遠程自動供水系統。下文針對項目設計、現場實施、調試試運行、系統優化等各環節的技術問題與要點進行探討。

1 概述

污水廠自控改造項目主要包括以下方面內容：

1）采集水源采集及處理工藝流程與設備控制邏輯，以車間為單元建立遠程控制站點。

自控改造項目需對每個工藝流程進行全面模擬，將其進一步轉化為設備控制邏輯（即PLC控制程序），在此過程中，重點考慮整個控制邏輯的嚴密性與穩定性，能夠實現長時間、不間斷的無人值守目標。

2）新建過程控制儀表，為生產部門提供精確生產數據。

原有手動系統同時存在另一個問題：生產過程數據只能依賴人工巡檢獲取，成本高、時效性差;并且部分數據無儀表采集，如流量、壓力等。本次改造項目徹底解決生產數據缺失問題。

3）實現生產數據的精確采集與統計的SCADA系統。

備用水源點自動化改造的核心功能是采集生產數據。通過分布式站點每間隔5秒一次的采集頻率，管理人員可以使用SCADA系統輕松調出時間跨度為兩年范圍內的任意生產數據，該功能為生產管理提供強大的數據支持。

2 地下水源點自控改造項目介紹

目前，地下水源點100余口機井，作為地表水源供應的重要補充，為保障市區供水發揮重要作用。

地下水源點最小機井供水量約為80m3/h/口，最大機井供水量約為240m3/h/口，其工藝流程如下圖所示。

圖1 生產流程圖

地下水泵采用配電系統均為20世紀90年代產品，不具備任何遠程控制功能，工作人員巡檢每一個車間都必須實地進行數據采集工作，而很多偏遠地區的車間往往需要在路程中花費大量時間，水源點被迫長期處于巡檢員工不足的狀態，因此急需對備用井進行自動及遠程控制技術升級。

自控系統更新改造方案按工藝流程及工藝特點而制定，根據工藝流程配置完整的壓力、流量等檢測儀表。從工程實際情況及生產管理要求出發，根據設備和功能相對集中的特點，控制系統選用PLC組成的控制系統，采用集中管理、分散控制的模式，設置數據采集及監控計算機系統。整個控制系統分為三級：調度中心監視系統、監控系統、車間本地監控系統。自控系統數據通訊網絡采用GPRS遠程通信技術，連接現場儀表和設備的數據傳輸既有常規I/O方式，也有Modbus串口通訊方式。主要（大型）機械設備的控制采用現場手動控制、就地HMI控制、中央控制系統控制的三層控制模式，控制權限由高到低依次排列。并在現場PLC站配置人機界面等設備。下面是一個典型車間的控制系統網絡架構圖：

圖2 自控系統拓撲圖

項目主要內容包括：

1）自控項目總體設計。

2）GPRS遠程通訊線路測試。

3）控制系統設備（PLC、HMI）的硬件和軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

4）SCADA系統及中央控制室計算機監控系統的平臺搭建和相關硬件、軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

5）生產過程儀表采購、安裝及調試。

6）使用部門操作員培訓。

7）過程儀表及智能電表數據的上傳及管理。

8）無人值守車間的安防系統。

3 創建PLC控制邏輯

主要控制過程共有兩部分，第一部分是地下井源水抽取控制。工藝流程為水泵啟動后，管道內水位上升，擠占原管道內氣體空間造成氣壓增大，排氣閥開始動作排出管內多余氣體，當水位上升至基本填滿管道空間后，排氣閥停止動作，源水開始在管道內正常流動;水泵啟動延時一定時間后，開啟電控閥門，管道中的水進入市政管網，此時開始正常供水;同時PLC將壓力表上傳的數值與系統中設定壓力值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節變頻器輸出功率，使泵的出口壓力穩定于目標值。

第二部分為次氯酸鈉消毒系統控制。當水泵啟動后，消毒系統的電磁計量泵（注射藥液）同步啟動;PLC通過獲取藥液流量值與進水流量值，計算出當前出水的次氯酸鈉濃度，將計算出數值與系統中設定濃度值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節電磁計量泵工作頻率，使次氯酸鈉濃度穩定于目標值。

圖3 典型工藝流程PID圖

遠程車間的控制模式共分為現場手動、遠程手動、遠程自動三類：

1）現場手動。

深井地下水泵的控制選擇制設在現場配電柜面板上，選擇LOCAL，在現場配電柜面板上，開啟或停止深井地下水泵。

2）遠程手動。

在現場配電柜的控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在監控軟件的控制單元或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程手動開啟或者關閉深井地下水泵。

3）遠程自動。

在現場配電柜控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在供水調度中心的監控計算機監控軟件的控制單元上或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程自動。

注意：在自動模式下，泵的啟動和停止由軟起動器控制，控制模式如下，在不同的時間段設定不同的出口壓力范圍，當出口管網壓力在一延時時間范圍內低于壓力范圍的下限時，水泵自動啟動運行，當出口壓力在一延時時間范圍內高于壓力范圍的上限時，水泵自動停止。壓力上下限值必須是可調的，且僅能由具備調節權限的操作人員做出調整。

4 儀表的安裝與調試

備用水源廠自動化改造項目中儀表配置相對簡單，每個水源點車間內，包括出水流量計、出水壓力計、藥液液位計、藥液流量計、電力儀表共5個儀表設備。但在實際安裝與調試中，都必須嚴格按照每一類儀表的安裝要求與運行特性進行施工，否則會出現各種運行不穩定的問題。

某車間構筑物空間狹小，取水管道直管段相對較短，而且當時在建設車間時，取水管道與供水管道之間由一個喇叭口形狀的變徑頭連接。項目中配置的出水壓力計就安裝在變徑頭附近。在實際運行中發現，啟動水泵后壓力計讀數居然小于停泵后讀數，也就是說，開泵后管道壓力低，停泵后管道壓力高，這顯然違背最基本的管道運行規則。

經過反復測試與討論，最后發現問題出在喇叭口形狀的變徑頭上。當大量的流體經過由大變小的管道時，受到管壁擠壓從而在內部形成漩渦，致使安裝于附近的壓力計受到干擾測量到錯誤的信號，最終導致壓力數值違背基本的管道運行規則。在調整了壓力計的安裝位置，遠離喇叭口后，顯示數值恢復正常。

5 結束語

從備用水源廠自動化改造項目整個實施過程看，該項目關鍵核心之處就在于現場控制設備的運行狀態調整，以及現場儀表優化，每一個環節，每一個細節決定了整個系統的運行質量、運行效率與運行成本。通過項目實施過程中對各種問題的處理，對整個自控系統的掌握程度與分析水平也獲得提升。更重要的是，獲得的經驗可用于其它水源點車間改造中，自動化系統會變得更加完善、穩定。

參考文獻

[1]GB/T17544-98軟件包質量要求和測試.

[2]GB/T5234工業控制計算機系統驗收規范.

[3]GBJ131-90自動化儀表安裝工程質量檢驗評定標準.

[4]GBJ63-90電力裝置的電測量儀表裝置設計規范.

[5]GBJ79-85工業企業通信接地設計規范.

[6]GB50093-2002自動化儀表工程施工及驗收規范.

[7]GB50168-2006電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范.endprint

摘 要 本文結合地下水分布式水源點采水車間自動化改造項目實際過程，對改造工程中的項目規劃、現場施工管理、技術要點與難點進行分析與論述，重點介紹了該自動化改造項目實施過程中遇到的問題與解決辦法。

關鍵詞 自動化改造，信號干擾與接地，無線數據通訊，儀表與環境

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-0152-02

隨著中國經濟持續飛速發展，城市化速度越來越快，更多的城市人口對當地的供水服務質量提出更高的要求。為加快發展，滿足日益增長的供水用戶需求，水源廠啟動自控改造項目，將原有手動控制供水系統全面升級改造為遠程自動供水系統。下文針對項目設計、現場實施、調試試運行、系統優化等各環節的技術問題與要點進行探討。

1 概述

污水廠自控改造項目主要包括以下方面內容：

1）采集水源采集及處理工藝流程與設備控制邏輯，以車間為單元建立遠程控制站點。

自控改造項目需對每個工藝流程進行全面模擬，將其進一步轉化為設備控制邏輯（即PLC控制程序），在此過程中，重點考慮整個控制邏輯的嚴密性與穩定性，能夠實現長時間、不間斷的無人值守目標。

2）新建過程控制儀表，為生產部門提供精確生產數據。

原有手動系統同時存在另一個問題：生產過程數據只能依賴人工巡檢獲取，成本高、時效性差;并且部分數據無儀表采集，如流量、壓力等。本次改造項目徹底解決生產數據缺失問題。

3）實現生產數據的精確采集與統計的SCADA系統。

備用水源點自動化改造的核心功能是采集生產數據。通過分布式站點每間隔5秒一次的采集頻率，管理人員可以使用SCADA系統輕松調出時間跨度為兩年范圍內的任意生產數據，該功能為生產管理提供強大的數據支持。

2 地下水源點自控改造項目介紹

目前，地下水源點100余口機井，作為地表水源供應的重要補充，為保障市區供水發揮重要作用。

地下水源點最小機井供水量約為80m3/h/口，最大機井供水量約為240m3/h/口，其工藝流程如下圖所示。

圖1 生產流程圖

地下水泵采用配電系統均為20世紀90年代產品，不具備任何遠程控制功能，工作人員巡檢每一個車間都必須實地進行數據采集工作，而很多偏遠地區的車間往往需要在路程中花費大量時間，水源點被迫長期處于巡檢員工不足的狀態，因此急需對備用井進行自動及遠程控制技術升級。

自控系統更新改造方案按工藝流程及工藝特點而制定，根據工藝流程配置完整的壓力、流量等檢測儀表。從工程實際情況及生產管理要求出發，根據設備和功能相對集中的特點，控制系統選用PLC組成的控制系統，采用集中管理、分散控制的模式，設置數據采集及監控計算機系統。整個控制系統分為三級：調度中心監視系統、監控系統、車間本地監控系統。自控系統數據通訊網絡采用GPRS遠程通信技術，連接現場儀表和設備的數據傳輸既有常規I/O方式，也有Modbus串口通訊方式。主要（大型）機械設備的控制采用現場手動控制、就地HMI控制、中央控制系統控制的三層控制模式，控制權限由高到低依次排列。并在現場PLC站配置人機界面等設備。下面是一個典型車間的控制系統網絡架構圖：

圖2 自控系統拓撲圖

項目主要內容包括：

1）自控項目總體設計。

2）GPRS遠程通訊線路測試。

3）控制系統設備（PLC、HMI）的硬件和軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

4）SCADA系統及中央控制室計算機監控系統的平臺搭建和相關硬件、軟件（編程等）的采購、安裝、編程及調試。

5）生產過程儀表采購、安裝及調試。

6）使用部門操作員培訓。

7）過程儀表及智能電表數據的上傳及管理。

8）無人值守車間的安防系統。

3 創建PLC控制邏輯

主要控制過程共有兩部分，第一部分是地下井源水抽取控制。工藝流程為水泵啟動后，管道內水位上升，擠占原管道內氣體空間造成氣壓增大，排氣閥開始動作排出管內多余氣體，當水位上升至基本填滿管道空間后，排氣閥停止動作，源水開始在管道內正常流動;水泵啟動延時一定時間后，開啟電控閥門，管道中的水進入市政管網，此時開始正常供水;同時PLC將壓力表上傳的數值與系統中設定壓力值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節變頻器輸出功率，使泵的出口壓力穩定于目標值。

第二部分為次氯酸鈉消毒系統控制。當水泵啟動后，消毒系統的電磁計量泵（注射藥液）同步啟動;PLC通過獲取藥液流量值與進水流量值，計算出當前出水的次氯酸鈉濃度，將計算出數值與系統中設定濃度值對比，調用專用PID控制功能塊開始調節電磁計量泵工作頻率，使次氯酸鈉濃度穩定于目標值。

圖3 典型工藝流程PID圖

遠程車間的控制模式共分為現場手動、遠程手動、遠程自動三類：

1）現場手動。

深井地下水泵的控制選擇制設在現場配電柜面板上，選擇LOCAL，在現場配電柜面板上，開啟或停止深井地下水泵。

2）遠程手動。

在現場配電柜的控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在監控軟件的控制單元或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程手動開啟或者關閉深井地下水泵。

3）遠程自動。

在現場配電柜控制方式選擇面板上選擇REMOTE，在供水調度中心的監控計算機監控軟件的控制單元上或在現場配電柜HMI人機界面上，選擇遠程自動。

注意：在自動模式下，泵的啟動和停止由軟起動器控制，控制模式如下，在不同的時間段設定不同的出口壓力范圍，當出口管網壓力在一延時時間范圍內低于壓力范圍的下限時，水泵自動啟動運行，當出口壓力在一延時時間范圍內高于壓力范圍的上限時，水泵自動停止。壓力上下限值必須是可調的，且僅能由具備調節權限的操作人員做出調整。

4 儀表的安裝與調試

備用水源廠自動化改造項目中儀表配置相對簡單，每個水源點車間內，包括出水流量計、出水壓力計、藥液液位計、藥液流量計、電力儀表共5個儀表設備。但在實際安裝與調試中，都必須嚴格按照每一類儀表的安裝要求與運行特性進行施工，否則會出現各種運行不穩定的問題。

某車間構筑物空間狹小，取水管道直管段相對較短，而且當時在建設車間時，取水管道與供水管道之間由一個喇叭口形狀的變徑頭連接。項目中配置的出水壓力計就安裝在變徑頭附近。在實際運行中發現，啟動水泵后壓力計讀數居然小于停泵后讀數，也就是說，開泵后管道壓力低，停泵后管道壓力高，這顯然違背最基本的管道運行規則。

經過反復測試與討論，最后發現問題出在喇叭口形狀的變徑頭上。當大量的流體經過由大變小的管道時，受到管壁擠壓從而在內部形成漩渦，致使安裝于附近的壓力計受到干擾測量到錯誤的信號，最終導致壓力數值違背基本的管道運行規則。在調整了壓力計的安裝位置，遠離喇叭口后，顯示數值恢復正常。

5 結束語

從備用水源廠自動化改造項目整個實施過程看，該項目關鍵核心之處就在于現場控制設備的運行狀態調整，以及現場儀表優化，每一個環節，每一個細節決定了整個系統的運行質量、運行效率與運行成本。通過項目實施過程中對各種問題的處理，對整個自控系統的掌握程度與分析水平也獲得提升。更重要的是，獲得的經驗可用于其它水源點車間改造中，自動化系統會變得更加完善、穩定。

參考文獻

[1]GB/T17544-98軟件包質量要求和測試.

[2]GB/T5234工業控制計算機系統驗收規范.

[3]GBJ131-90自動化儀表安裝工程質量檢驗評定標準.

[4]GBJ63-90電力裝置的電測量儀表裝置設計規范.

[5]GBJ79-85工業企業通信接地設計規范.

[6]GB50093-2002自動化儀表工程施工及驗收規范.

[7]GB50168-2006電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范.endprint