自來水廠自動化改造中的冗余設(shè)計(jì)

摘 要：自來水廠是城市基礎(chǔ)設(shè)施中的重要組成部分，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，城市自來水供水壓力不斷提高，安全、可靠的保障城市自來水供應(yīng)是現(xiàn)今乃至今后一段時間內(nèi)自來水廠工作的重點(diǎn)。在我國的自來水廠中有相當(dāng)一部分由于建設(shè)的時間較早且后期并未進(jìn)行過現(xiàn)代化改進(jìn)使得自來水廠的自動化程度不高，自來水廠中的一部分工藝流程仍然采用人工來進(jìn)行，從而使得自來水廠的潛能并未充分的予以挖掘，城市自來水廠的供水質(zhì)量與供水效率都不穩(wěn)定，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對于自來水廠的自動化改造從而使得自來水廠的工藝流程得以自動化，在確保自來水廠供水質(zhì)量的同時提高供水的效率。

關(guān)鍵詞：自來水廠；自動化；PLC改造

前言

水是萬物之源，在城市的供水體系中，由于一部分自來水廠建設(shè)的時間早使得自來水廠中的設(shè)備自動化程度不高從而極大的限制了自來水廠潛能和質(zhì)量的發(fā)揮，因此需要加強(qiáng)對于自來水廠自動化程度的改造從而有效的提升自來水廠的供水能力與供水質(zhì)量。在自來水廠的自動化改造中關(guān)鍵是要確保自來水廠自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)在自來水廠自動化改造的過程中需要對控制系統(tǒng)中的一些系統(tǒng)部件進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，在分析各部分冗余工作原理的前提下在提高工作系統(tǒng)可靠性的前提下來實(shí)現(xiàn)對于工作設(shè)備的選取。保障自來水廠控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 自來水廠處理流程分析

在自來水廠的工作中，由于各廠所使用的水源不同使得各自來水廠所采用的飲用水系統(tǒng)和組成的工藝流程各有差異。在自來水廠的水處理系統(tǒng)中，通過使用取水泵房將河流、湖泊或是水庫的水通過使用水泵輸送至水池中，在水池中經(jīng)過加藥、絮凝以及沉淀、過濾等將水中的大部分雜質(zhì)予以去除從而得到清水，完成處理后的清水輸送至清水池而后使用高壓泵泵送至城市供水管網(wǎng)。在自來水廠的水處理過程中對于加藥采用的是前加氟和后加氯的方式，在水處理的過程中前加氯應(yīng)當(dāng)在配水井的入口處，而后加氟應(yīng)當(dāng)設(shè)置在清水池的入口處。同時對于水池中的雜質(zhì)等應(yīng)當(dāng)配備有排污設(shè)備以便將水池中的沉淀物及時的予以排出。

2 自來水廠自動控制系統(tǒng)中的冗余設(shè)計(jì)的原理

在自來水廠的自動控制系統(tǒng)中的冗余切換方式可以分為熱冗余、暖冗余和冷冗余三種形式，設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)關(guān)鍵是依靠自動控制系統(tǒng)的可靠性模型的建立。熱冗余主要指的是設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中與控制系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行在其未被激活的過程中并不參與系統(tǒng)的工作而當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障時則冗余設(shè)計(jì)迅速接管控制系統(tǒng)的故障部分以保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在自來水廠冗余部分的控制中采用的是多部并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，通過冗余設(shè)計(jì)最大限度的提高自來水廠控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

3 自來水廠水處理綜合自動化控制系統(tǒng)

3.1 自來水廠水處理控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

自來水廠的自控系統(tǒng)采用的是“集中監(jiān)控、管理分散控制”的集散型系統(tǒng)，對于自來水廠的自動控制系統(tǒng)主要由信息監(jiān)控和現(xiàn)場監(jiān)控兩大部分組成。通過使用以太網(wǎng)來將主控部分的工控機(jī)與現(xiàn)場控制的PLC模塊相連接構(gòu)成一個完備的控制系統(tǒng)，如主控系統(tǒng)中的兩臺工控機(jī)同時出現(xiàn)故障，各分系統(tǒng)仍然能夠獨(dú)立的控制各分系統(tǒng)按照設(shè)定的工序進(jìn)行生產(chǎn)，保障了自來水廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行，從而使得自來水廠自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性大幅增加。

3.2 自來水廠供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

在自來水廠的供電中按照國家的相關(guān)規(guī)定對于自來水上這種二級負(fù)荷單位需要采用兩回路的供電方式，其中兩回路分別來自于不同的變電站以確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這兩路供電回路中一組作為主電路而另外一組則作為備用回路，各組回路都能夠保障自來水廠的正常供電，同時在供電回路的負(fù)載容量上還應(yīng)當(dāng)考慮到今后新添加設(shè)備的供電保障，確保自來水廠的正常供電。同時對于自來水廠中特別重要的負(fù)荷還需要對相關(guān)設(shè)備配備應(yīng)急電源以確保在設(shè)備故障發(fā)生時能夠及時的對關(guān)鍵設(shè)備恢復(fù)供電，應(yīng)急供電系統(tǒng)電源采用的是6kV雙回路放射式接線方式，為自來水廠的供電提供可靠的電源支持。應(yīng)急系統(tǒng)中所使用的UPS主要目的是確保供電中斷時重要控制設(shè)備的電力供應(yīng)直至柴油發(fā)電系統(tǒng)能夠正常工作。

3.3 自來水廠的信息監(jiān)控管理層的冗余設(shè)計(jì)

在自來水廠的主控系統(tǒng)中采用的是2臺中控設(shè)備，通過將廠長室工控機(jī)、工程師工控機(jī)以及化驗(yàn)室工控機(jī)等連接到2臺交換機(jī)上以構(gòu)成雙星型的以太網(wǎng)，相較于環(huán)形以太網(wǎng)，雙星型以太網(wǎng)在后續(xù)增加主站點(diǎn)時較為方便。將工業(yè)交換機(jī)上的2個端口設(shè)置為Trunk主干端口，建立并形成一個高速骨干鏈接，在提高骨干鏈接帶寬的同時為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信提供了可靠的冗余量。同時在工控機(jī)中配備有相同網(wǎng)卡IP地址設(shè)置的工業(yè)交換機(jī)并配合硬件偵測和負(fù)載均衡技術(shù)當(dāng)偵測到通信網(wǎng)絡(luò)故障時及時的切換到另外一條備用總線直至主系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)鏈接修復(fù)。主控室所采用的2臺主工控機(jī)采用了雙機(jī)熱備的配置模式，2臺工控機(jī)同時聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對于自控控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，在正常工作情況下，主機(jī)運(yùn)行而從機(jī)處于監(jiān)視狀態(tài)并不參與工作，而從機(jī)監(jiān)測到主機(jī)工作出現(xiàn)異常時主、從機(jī)將會迅速的切換以實(shí)現(xiàn)對于主控系統(tǒng)的控制，這一模式的實(shí)現(xiàn)原理如下：主機(jī)在正常工作時對主控系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理而從機(jī)采用監(jiān)視請求定期向主機(jī)發(fā)送請求與應(yīng)答信號，如主機(jī)并未正常的進(jìn)行應(yīng)答則認(rèn)為主機(jī)出現(xiàn)故障從而切斷與主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸自動轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，自來水廠自動控制系統(tǒng)中的各設(shè)備的數(shù)據(jù)、產(chǎn)生的報(bào)警以及事件信息則改由下位機(jī)獲取。同時，從機(jī)對主機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行定時監(jiān)控一旦監(jiān)測到主機(jī)恢復(fù)工作則自動切換到待機(jī)狀態(tài)。

3.4 自來水廠工業(yè)以太網(wǎng)的冗余設(shè)計(jì)

在自來水廠的工業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，將OSM模塊設(shè)置為冗余環(huán)網(wǎng)使能態(tài)，將其中一個設(shè)置為冗余管理態(tài)以完成對于以太網(wǎng)的管理。正常情況下冗余管理器的其中一個冗余環(huán)口為斷開狀態(tài)，整個以太網(wǎng)呈現(xiàn)出線性結(jié)構(gòu)，當(dāng)監(jiān)測到以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)故障時自動切換至另外一種環(huán)形線性結(jié)構(gòu)保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.5 自來水廠的生產(chǎn)控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

根據(jù)自來水廠的生產(chǎn)工藝流程可以將水廠的生產(chǎn)劃分為取水泵站、加氯加藥站、絮凝、沉淀、過濾以及送水泵站等多個環(huán)節(jié)，通過對每一個站點(diǎn)的運(yùn)行信息進(jìn)行采集并將信息送入水廠自動控制中心并接收控制中心的管理，各站點(diǎn)的監(jiān)控分站都具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)以便在控制系統(tǒng)發(fā)生故障時各分系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。對于可靠性要求較高的分站點(diǎn)可以使用西門子的S7-400H型PLC按照冗余的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在CPU、CPU同步模塊以及連接線纜和電源模塊等都需要設(shè)計(jì)成雙重的器件以確保控制的可靠性。S7-400H型PLC的冗余設(shè)計(jì)采用的是“熱備份”的主動原理，閑時從模塊與主模塊共同連線，當(dāng)監(jiān)測到主模塊故障時從模塊自動切換完成對于水廠分站的自動控制確保水廠能夠正常工作。

4 結(jié)束語

自來水廠的自動化改造對于提高自來水的供水效率與供水質(zhì)量有著極為重要的意義.文章在分析自來水廠供水特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對自來水自動化系統(tǒng)的冗余改造，確保自來水的正常供應(yīng)有著極為重要的意義。

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