基于西門子S7-1500PLC的自來水廠電氣自控系統設計

摘要：電氣自控系統的設計應全面考慮自控系統的穩定性、用戶操作的舒適度、長期運行等特點。基于此，詳細闡述了蚌埠自來水廠的電氣自控系統設計過程，對自來水廠工藝、系統架構、西門子PLC的選型配置、設備控制、系統調試等進行了具體分析。通過蚌埠自來水廠的電氣自控系統設計，總結了自來水廠電氣自控設計的流程及設備控制方式，可為今后自來水廠自控系統的設計提供參考。

關鍵詞：PLC;控制柜;工控機;自來水廠;自控系統

0 引言

隨著我國城鎮化進程的加快，人們對水的需求量劇增，對水質的要求也越來越高，這就要求自來水廠不斷提高供水設備的穩定性、可靠性及節能性，為社會生產生活提供有力保障。因此，如何更高效地控制和運行自來水廠自控系統，成為工業控制領域的一個熱門課題。

1 項目背景

1.1? ? 項目概述

蚌埠自來水廠本期規模為4萬m3/d，其主要生產構筑物包括：取水泵房、穩壓井、絮凝沉淀池、V型濾池、清水池、污泥濃縮池、吸水井及送水泵房、加藥及活性炭間、排泥池、脫水機房、鼓風機房及加氯間和清水池等。

蚌埠自來水廠自控系統采用分布式集中控制系統，實現全廠自動化控制，配備必要的液位檢測、達標水在線檢測的三項質量指標（pH值、余氯、濁度）和進出水流量的中控顯示，在中控室可以對全廠設備進行遠程控制，并隨時查看設備運行狀態。

1.2? ? 出水水質要求

對原水進行處理后，出廠水水質必須滿足國家頒布的《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）相關要求。

1.3? ? 自來水廠工藝介紹

1.3.1? ? 工藝流程圖

水處理工藝方案為混合、絮凝沉淀+過濾工藝，具體如下：芡河水→混合→絮凝→沉淀→過濾→清水池→二泵房→供水管網。工藝流程圖如圖1所示。

1.3.2? ? 工藝流程說明

自來水廠通過混合、絮凝、沉淀、過濾、消毒這幾個主要步驟來完成自來水的生產。

（1）混合的基本要求是藥劑投加后，水流使藥劑均勻地擴散到整個水中，即快速混合。

（2）絮凝的基本要求是有良好的水力條件和足夠的絮凝時間，本次絮凝形式是常用的網格絮凝。

（3）沉淀的基本要求是有足夠的沉淀時間，進出水均勻，池內水流穩定，盡量提高沉淀效率，減少紊動。本次沉淀形式采用目前常用的平流式沉淀池。

（4）過濾一般是指以石英砂等有空隙的粒狀濾料層通過粘附作用截留水中懸浮顆粒，從而進一步除去水中細小懸浮雜質、有機物、細菌、病毒等，使水澄清的過程。

（5）水經過濾后，濁度進一步降低，同時亦使殘留細菌、病毒等失去渾濁物保護或依附，為濾后消毒創造了良好條件。雖然經過混凝、沉淀和過濾，可以除去水中大多數細菌和病毒，但消毒能起到保證飲用水達到細菌學指標的作用，同時它也能使城市水管末梢保持一定的余氯量，以控制細菌繁殖并預防污染。目前自來水常用的消毒方法為二氧化氯消毒。

2 電氣自控系統設計

2.1? ? 設計內容

根據自來水廠工藝要求，配置必要的檢測儀表、可編程控制器（PLC）、工控機和通信系統，構成分布式集中控制系統。設計內容主要包括：

（1）中央控制層;

（2）PLC現場控制層;

（3）網絡通信層。

2.2? ? 設計要求

監控系統建立在開放型結構的網絡環境基礎上，系統設計使用符合工業標準的“開放”體系，使系統易于擴充和升級，且滿足以下要求：

（1）HMI軟件必須具備很強的可靠性及實時性，與整個自動化系統高效、無縫集成。

（2）設計符合標準化、規范要求;廣泛采用分布式處理技術，具有良好的可移植性、可擴展性和聯網功能;便于功能和系統的擴展及升級。

（3）為了達到高可靠性，兩臺監控站應互為熱備。

（4）具有系統診斷及過程診斷功能，以便在出現故障時及時進行故障定位。

2.3? ? 電氣自控系統組成

電氣自控系統本著技術先進、性價比高、實用可靠的原則進行設計。本工程采用以PLC為基礎的監測控制和數據采集系統，在中央控制室利用工控機對廠內各工況進行實時監控。設備控制層PLC各個子站與上位監控計算機相互獨立，可以不依靠上位機獨立運行，保證了生產過程的獨立性和安全性。

各PLC之間及PLC與中央控制系統之間通過光纖EtherNet（以太網）相互連接。

PLC站與控制室工控機組成局域網，工控機具備友好的組態界面，實現對PLC站的監控，可及時了解現場運行情況，包括各種運行參數的當前值，配電系統、檢測儀表和工藝設備是否異常等，實現對現場設備的遠程控制調節、工藝檢測參數的設定、異常狀態的報警和處理功能。同時，動態顯示全廠工藝流程、各工段監控畫面、工藝及電氣設備運行參數圖表，繪制各種參數運行曲線，做出趨勢分析，供技術人員分析比較，以便確定最佳運行方案。

系統控制級別由高到低為：就地控制、遠程手動控制、遠程自動控制。離工藝過程越近的控制層具有越高的優先權。

2.4? ? 中控室設備

中控室設備主要包括工控機、打印機、組態軟件、拼接大屏等，本次系統組態軟件選用的是組態王，性價比很高，功能也很強大。中控室最核心的是兩臺研華工控機和兩套組態王無限點運行版軟件。

2.5? ? 現場PLC控制站

本次控制系統包含5個現場PLC控制站，系統總的設計I/O點數為1 090點，I/O分布：1#PLC站（DI：80/DO：40/AI：20/AO：6）;2#PLC站（DI：80/DO：80/AI：20/AO：6）;3#PLC站（DI：80/DO：40/AI：40/AO：10）;4#PLC站（DI：232/DO：120/

AI：40/AO：10）;5#PLC站（DI：120/DO：40/AI：20/AO：6）。

2.5.1? ? 1#PLC站

1#PLC站為取水泵房控制站，包含西門子S7-1500 PLC及模塊、電氣柜、觸摸屏、交換機、電氣元器件、安裝輔材、成套裝配等，PLC模塊配置清單如表1所示。

2.5.2? ? 2#～5#PLC站

2#PLC站為沉淀池控制站，3#PLC站為配電間控制站，4#PLC站為濾池控制站，5#PLC站為脫水機房控制站。各站點配置與1#PLC站相似，都是西門子S7-1500 PLC，模塊數量略有差異，濾池控制站控制點數較多，所以輸入/輸出模塊的數量也比其他站點多。

2.5.3? ? PLC品牌選擇

本次PLC選用西門子S7-1500 PLC。西門子S7-1500作為迄今為止功能最強大、高性價比的PLC之一，得到了廣泛應用。本項目選擇S7-1500 PLC的原因如下：

（1）S7-1500 CPU上配置有LED顯示屏，可方便地顯示CPU狀態和故障信息等。

（2）S7-1500所有CPU集成1～3個PROFINET接口，可實現現場級通信和公司網絡通信低成本快速組態。

（3）由于S7-1500 PLC可以無縫集成到博途軟件中，無論是硬件組態、網絡連接和上位組態，還是軟件編程，其操作均簡單快捷。

3 設備控制及調試

自來水廠自動化控制與現場的工藝聯系緊密，本次主要介紹加藥系統和濾池系統，其他工藝段設備不再一一贅述。

3.1? ? 加藥系統控制

加藥系統主要包含以下幾種藥劑：堿鋁、氫氧化鈉、次氯酸鈉。堿鋁藥劑主要作用是快速吸附水中懸浮物，起到助凝作用;氫氧化鈉藥劑主要用于調節原水pH值;次氯酸鈉溶液在水中主要水解為次氯酸和次氯酸根，次氯酸有強氧化性，從而可以達到消毒的效果。

加藥系統自帶PLC控制器，由自控系統PLC負責計算加藥量，由加藥PLC負責控制藥劑制備、加藥計量泵啟停以及攪拌機啟停。

3.2? ? 濾池系統控制

作為自來水廠水處理中間環節，也是自來水廠工藝核心部分，濾池系統由濾池進水、濾池、濾池出水、反沖水池、反沖風機、反沖水泵和濾池配套閥門閘門組成，濾池運行有兩種工作狀態，即濾池過濾和濾池反沖，在運行過程中，兩種狀態相互轉換。

濾池過濾：正常情況下，濾池進水閘門打開，濾池出水調節閥調節至一定開度，廠區水源從濾池進水途經濾池濾料，最終自流至反沖水池，為保證濾池過濾均衡，通常通過調節出水蝶閥保持濾池液位恒定。

濾池反沖：濾池過濾一段時間后，由于濾料表層對水中懸浮物和浮渣的隔離，水中雜質被留在濾料中，當雜質沉積到一定程度，濾池過濾效率就會大大降低，嚴重情況下會造成濾池堵塞，這時就需要進行濾池清洗，即濾池反沖。

圖2所示為蚌埠自來水廠濾池反沖流程，需要在濾池反沖不同階段打開或關閉濾池閥門，啟動運行反沖風機或反沖水泵。

3.3? ? 系統調試

在調試前，對現場全部場地及設備進行清潔，創造良好的現場環境并防止意外事故的發生。

按照接線原理圖和接線表逐一核查設備端和控制柜端的接線是否符合設計要求。接線核查完畢，控制柜和被控設備上電。現場和控制室各一人，現場人員啟停設備，控制室人員查看觸摸屏顯示或PLC上指示燈，每個開關量信號核對4次，即“閉合—斷開—閉合—斷開”，這樣按照接線表，逐一測試各個設備狀態信息。

當現場所有設備信號校對正確，即校對完成后，開始單動測試。

現場人員將設備“遠程/就地”旋鈕旋至遠程，控制室人員在上位機手動啟動或打開設備，在此期間，現場人員和控制室測試人員確認設備的運行狀態變化，最終保證被控設備能控，并且達到預期的控制要求。

在水廠所有設備能正確單動控制后，開始聯動測試。

聯動測試環節是控制系統測試的最后環節，也是整個儀控系統最復雜和最重要的環節，這個環節需要多方的參與。其中，自控工程師兩人，負責中控室和現場測試操作;工藝人員和設備人員配合自控工程師，指導和優化控制系統控制效果;自控工程師根據使用單位工藝工程師要求，調整系統控制算法、參數，使自控系統滿足使用單位的管理和維護需要。

4 結語

本文介紹的電氣自控系統采用了工業控制領域先進的集中管理、分散控制體系結構，最大程度地保證了整個系統的可靠性。在設計中采用合理工藝、合理布置，盡量降低工程投資，在保證系統安全、穩定運行的前提下，爭取獲得最大的經濟效益。系統配置考慮了適當余量，方便以后擴展。

另外，需要重視的是，程序設計不能閉門造車，在現場要多聽業主或相關工藝人員的意見，充分考慮工程實際操作、管理、維護的方便，降低勞動強度。

筆者通過這次自來水廠電氣自控系統設計，更全面地了解了自來水廠的自控設計流程和注意事項，在實際實施過程中對方案進行了部分完善，特別是現場濾池控制過程的調整，總的來說，受益匪淺。雖然說每個項目都不可能一樣，每個自來水廠的設備或工藝都有所差異，但萬變不離其宗，其電氣自控系統的架構是相通的，也許選擇的PLC品牌不一樣，但它們的原理是一樣的。本次電氣自控系統設計的流程及設備控制方式，可為今后自來水廠自控系統的設計提供參考。

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收稿日期：2021-02-23

作者簡介：陳美林（1984—），男，江西新余人，工程師，研究方向：電氣自動化。