1  概述

    北京市第九水廠（以下簡稱九廠）三期工程，是一座日供水達50萬噸的大型基礎(chǔ)設(shè)施工程，投入運行以來在北京市供水系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位。該工程采用了混合、反應(yīng)、沉淀、煤濾、炭濾等一系列先進工藝制水系統(tǒng)，配套了高性能（可靠性、靈活性、功能性）的DCS系統(tǒng)CENTUM-CS3000系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝生產(chǎn)的自動化，確保了供水水質(zhì)、供水安全。

2  WPACS系統(tǒng)的實施

2.1  系統(tǒng)概述及配置
   
    WPACS（Water Process Automatic Control System，水處理過程自動化控制系統(tǒng)）經(jīng)嚴格國際招標程序等步驟最終系統(tǒng)定為YOKOGAWA CENTUM-CS3000型。

    CS3000是一綜合生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，針對企業(yè)生產(chǎn)和管理提供技術(shù)支持和方案解決。人機接口（HMI）用品牌機或通用PC機，比原系列增加了開放環(huán)境。操作系統(tǒng)用Window NT，提供了對于OPC（OLE for Process Control）（推薦使用）、DDE（Dynamic Data Exchange）等多種數(shù)據(jù)的支持。組態(tài)軟件固化在操作系統(tǒng)上，具有專業(yè)DCS的監(jiān)控功能的友好用戶界面，操作員可在線監(jiān)視過程參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和進行控制。

    系統(tǒng)基本組成是人機接口站HIS、現(xiàn)場控制站FCS、總線轉(zhuǎn)換器BCV（Bus Converter）、通信網(wǎng)關(guān)CGW（Communication Gateway Unit）、遠程I/O、實時控制網(wǎng)Vnet、管理網(wǎng)Ethernet及總線RIO Bus（用于LFCS）。
該系統(tǒng)支持多種子系統(tǒng)通信，有效交互功能使數(shù)據(jù)輸入減到最小，脫離控制站硬件離線調(diào)試，可用BUS轉(zhuǎn)換器（converter）與原CENTUM系列方便連接（九廠一期、二期為CENTUM-V型）。

    CS3000配置靈活，系統(tǒng)最小配置為一臺HIS、一臺FCS；最大配置為256個站（64站/域，可達16域，HIS限制在16站/域），工位數(shù)為10萬。

2.2  現(xiàn)場控制站FCS

    FCS（Field Control Station）含F(xiàn)CU及插件箱；其中FCU中冗余電源卡、R I/O通訊卡、Vnet連接單元、雙CPU卡上冗余CPU（2×2）、過程卡以及電池、風(fēng)扇、電源插口；插件箱可5個同置于一個節(jié)點內(nèi)（FCS柜內(nèi)共6個節(jié)點）。緊密安裝型I/O卡，典型插卡有AAM10和AAM11電壓/電流輸入型、AAM21mV熱電偶型、AAM11脈沖輸入型、AAM50電流輸出型、ADM12C 32點DI型、ADM52C 32點DO型、ACM12 RS-422/RS-485和ACF11Fieldbus通訊型等。

    組態(tài)功能塊主要有：PVI、PVI-DV、PID、PI-HLD、PID-BSW、ONOFF、MLD、MLD-PVI、MC-2、RATIO、PG-L13、VELLIM、SS-H/M/L、FOUT、ALM-R、PTC等。

2.3  網(wǎng)絡(luò)

    該系統(tǒng)為3級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，過程實時數(shù)據(jù)、監(jiān)視運行信息和集中管理信息分別運行在不同網(wǎng)絡(luò)。實時控制網(wǎng)Vnet為冗余令牌總線型，用來連接FCS、HIS、BCV、CGW。雙絞電纜傳輸距離500m，用總線轉(zhuǎn)發(fā)器或光纜傳輸距離20km，傳輸介質(zhì)可混用，通信速率為10M bit/sec，網(wǎng)絡(luò)連接站達64個。

    管理信息網(wǎng)Ethernet遵循IEEE 802.3、TCP/IP和FIP標準，通信速率為10M bit/sec。Ethernet用在HIS之間、HIS和ENG之間以及與其它管理系統(tǒng)之間的通訊，它不同于Vnet，存取信息、發(fā)送趨勢數(shù)據(jù)，是站間不可缺少的局域網(wǎng)。

    遠程I/O總線RIO Bus（用于FCU與I/O Node相連），通信速率為2M bit/sec。

    Fieldbus用在與現(xiàn)場設(shè)備（field devices）雙向數(shù)字通信，取代了廣泛使用的4~20mA標準通信方式，一根雙絞線可連接多臺設(shè)備，從而減少導(dǎo)線投資。利用協(xié)議傳輸提高了信息精度，且多功能信息通信而不是多變量（PV、MV）傳輸增加了對現(xiàn)場的設(shè)備監(jiān)控，使整個系統(tǒng)更加分散控制。圖2所示為九廠控制系統(tǒng)硬件配置，其中濾池公共控制器為PLC組，采取通信方式與濾池FCS通信。 

 

3  WPACS控制系統(tǒng)的功能

    WPACS整個控制系統(tǒng)為四層結(jié)構(gòu)：過程設(shè)備層（最底層、現(xiàn)場控制層、操作監(jiān)控層、管理層。

3.1  控制系統(tǒng)工作方式

    工作方式為就地控制（機側(cè)或執(zhí)行器上）和計算機系統(tǒng)控制（在現(xiàn)場控制站上），轉(zhuǎn)換功能由執(zhí)行器上的就地/遠方轉(zhuǎn)換開關(guān)完成且優(yōu)先就地控制。當(dāng)處在就地控制時，計算機系統(tǒng)只對現(xiàn)場設(shè)備的運行工況進行監(jiān)視，無權(quán)進行控制。當(dāng)設(shè)備處在計算機（遠方）控制時，如某個環(huán)節(jié)或設(shè)備發(fā)生故障，且計算機系統(tǒng)正常時，計算機發(fā)出報警和提示，允許某些環(huán)節(jié)如濾池的某格退出自動方式或某個設(shè)備退回現(xiàn)場操作。對加藥、加氯系統(tǒng)受計算機監(jiān)控時，某些設(shè)備發(fā)生故障，計算機系統(tǒng)可以啟動備用設(shè)備，并發(fā)出報警信號。

    對于計算機控制，又可分成計算機手動和自動兩種方式，前者多為單機控制，而后者多為優(yōu)化控制、順控或某個工藝流程的環(huán)節(jié)已具備聯(lián)機的自動控制。如配水泵房水泵機組的一步化控制、加藥系統(tǒng)的監(jiān)控運行等。

3.2  對控制系統(tǒng)的其它設(shè)計考慮

    物理位置的考慮：WPACS各現(xiàn)場站、I/O分布在南北向400米、東西向350米的三期廠區(qū)構(gòu)筑物內(nèi)，兩臺操作站置于原一、二期控制室內(nèi)，與最遠端相距1 800米。50萬m3/日水廠的數(shù)據(jù)點數(shù)一般在3 000點以上，模入、模出與開入、開出比在1:4。點數(shù)的分布相對集中在幾個物理位置，設(shè)計考慮在配水泵房、濾池、加藥加氯間應(yīng)設(shè)現(xiàn)場站（九廠設(shè)110kV電站并可計算機控制也應(yīng)設(shè)現(xiàn)場站）。而預(yù)處理、配水井、回流泵房等應(yīng)設(shè)I/O站。要求計算機系統(tǒng)要具有分散采集的功能，各物理位置在經(jīng)費允許條件應(yīng)保證數(shù)據(jù)通信的可靠（如采用光纜連接或雙重通信纜）。

    內(nèi)部處理的要求：采集到大量的設(shè)備狀態(tài)和工藝數(shù)據(jù)后，計算機系統(tǒng)要依靠本身的內(nèi)部運算提供運行信號和處理信息。

    歷史數(shù)據(jù)存檔要求：對事故記錄、運行狀態(tài)變化和內(nèi)部計算值保留以便分析，要求分級存儲，定期由硬盤向下級（磁帶或光盤）轉(zhuǎn)存，用于離線查詢、分析。

3.3  系統(tǒng)軟件功能

    利用CS3000操作監(jiān)控功能中的通用功能、標準操作監(jiān)控窗口、操作監(jiān)控支持功能、系統(tǒng)維護功能、控制狀態(tài)顯示功能、趨勢功能、開放數(shù)據(jù)接口等組態(tài)軟件完成HIS的組態(tài)。

    利用CS3000 FCS控制功能中的常規(guī)功能塊、順控功能塊、計算功能塊、子系統(tǒng)通信功能塊、批處理功能塊及每功能塊中的子塊完成FCS詳細組態(tài)。

4  工藝對控制的要求

4.1 工藝流程簡介

    九廠擴建工程（三期）設(shè)計規(guī)模為50萬m3/日，水處理過程與原一、二期過程相對獨立，凈配水廠內(nèi)構(gòu)（建）筑物均為新建，包括主工藝過程的配水溢流井、絮凝反應(yīng)沉淀池、濾池、清水池、配水泵房及加藥間、加氯間、加氨間、回流泵房等。除以上生產(chǎn)過程納入控制系統(tǒng)外，110kV變電站也納入該控制系統(tǒng)。

    工藝設(shè)計分為兩個系列，每系列規(guī)模25萬m3/日。

4.2  各站功能描述

(1)  配水井遠程I/O

    配水溢流井設(shè)4臺電動配水調(diào)節(jié)堰閘（每2臺一組）、4臺電動溢流調(diào)節(jié)堰閘（4臺為一組）、堰前靜壓式液位計1臺、溢流液位開關(guān)1臺及它的兩個出水管上各1臺流量計（信號入預(yù)處理I/O）。該處設(shè)配水井I/O，I/O與濾池現(xiàn)場站相連，除對信號做輸入輸出處理外，還需對經(jīng)一根DN2200的進廠水分配給兩根DN2000做兩個系列的配水。分別為：

    ① 根據(jù)配水堰上水頭和固定堰頂高度做比例、指數(shù)運算得出配水量并與流量計測得配水量做比較（參考用），配水量的調(diào)整由九廠控制室發(fā)出指令做配水堰閘調(diào)節(jié)；

    ② 調(diào)節(jié)溢流堰閘實現(xiàn)不同的溢流水位；

    ③ 常規(guī)顯示、控制、報警、數(shù)據(jù)處理等。調(diào)節(jié)堰死堰堰頂高51.70米，可調(diào)范圍為1.00米。溢流堰死堰堰頂高52.00米，可調(diào)范圍為0.60米。

I/O點計：66。

(2)  預(yù)處理遠程I/O

    預(yù)處理工藝流程為兩個系列，每系列設(shè)4個混合池、4個絮凝池、2個沉淀池、1個濾前混合井；每系列設(shè)一遠程I/O，每一遠程I/O需連接的設(shè)備有進水混合池的4臺軸流式攪拌機，進入絮凝池的4臺電動調(diào)節(jié)堰門，沉淀池的4臺吸泥機及對應(yīng)驅(qū)動裝置，濾前的1臺攪拌機，2臺跨越閘板（原水直接進入濾池）；過程儀表有1臺配水井出水流量計、4臺用于測絮凝池各級水頭損失的液位（差）計（A系列）及1臺pH計（帶溫度計）、1臺余氯計、2臺濁度計。

    監(jiān)控條件：該處I/O與濾池現(xiàn)場站相連，除對信號做輸入輸出處理外，還需對系列進水做加藥、攪拌及配水至絮凝、沉淀；或進水跨越絮凝沉淀至濾池。分別為：

    ① 對投藥混合用攪拌機及加藥間加藥泵做邏輯運算處理，當(dāng)攪拌機一臺故障，停相應(yīng)加藥點加藥泵并起動另一臺攪拌機及相應(yīng)加藥點加藥泵，反之亦然，8臺攪拌機互為備用的切換由控制站完成；

    ② 對濾前2臺攪拌機做跨越時的控制，同時完成與加藥泵的聯(lián)動處理；

    ③ 沉淀池內(nèi)8臺吸泥機（不同時運行）的運行次數(shù)、運行方式、排泥閥排泥的時間周期由人工在現(xiàn)場控制盤內(nèi)設(shè)定或據(jù)原水濁度調(diào)整，計算機處于指定常態(tài)；

    ④ 跨越閘板（2臺）除監(jiān)視工況及閥位外，需根據(jù)配水井出水流量計值進行調(diào)節(jié)；⑤ 波型板絮凝池安裝液位計做水頭損失計算。

    水質(zhì)儀表集中安裝在沉淀池水質(zhì)儀表間，所有信號按需要傳輸至其它現(xiàn)場控制站參與控制。

    兩個系列的I/O點計：242。

(3)  濾池現(xiàn)場控制站

    兩個系列的濾池共有24個煤濾池、24個炭濾池。每個煤濾池設(shè)6個工作閘閥，分別為進水閘、出水閥、反沖洗閥、進氣閥、排氣閥和排水閘，其中出水閥為調(diào)節(jié)閥；每個炭濾池設(shè)4個工作閘閥，分別為進水閘、出水閥、反沖洗閥和排水閘，其中反沖洗閥、出水閥為調(diào)節(jié)閥，其余為開關(guān)閘閥；合計240個閘閥，均為氣動執(zhí)行機構(gòu)。公用設(shè)備有反沖水泵3臺及該泵進出水閥，鼓風(fēng)機3臺（帶風(fēng)干管流量計）及相應(yīng)出氣閥。氣源系統(tǒng)設(shè)兩臺空壓機，兩個氣罐及就地控制閥門等。過程儀表有48臺液位計、24臺液位差計（煤池用）、8臺濁度計（煤池每3格1臺）及濾池出水2臺流量計、2臺濁度計（濾池出水）、2臺余氯計。

    監(jiān)控條件：過濾過程和反沖過程的順序邏輯控制在每兩池旁配置的PLC上，公共設(shè)施設(shè)公共PLC，池旁控制臺面設(shè)有畫面顯示，濾池運行水位、出水濁度值、水頭損失值、沖洗時間設(shè)定鍵，濾池工況，現(xiàn)場/遠方轉(zhuǎn)換開關(guān)等均顯示在畫面上。WPACS的濾池現(xiàn)場控制站與濾池PLC通信進行數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)場站設(shè)人機界面。

    PLC需完成的內(nèi)容有：

    ① 預(yù)處理或跨越水均勻進水至各煤池，煤池采用恒水位運行，利用水位調(diào)節(jié)出水蝶閥的開度（利用編程方法使閥門不至調(diào)節(jié)過頻繁），保持池中水位與設(shè)定水位偏差小于±20mm；

    ② 反沖過程的開始依設(shè)定過濾周期（一般為36、48小時）；

    ③ 濾池濁度與濾層水頭損失作為監(jiān)視不參與直接控制反沖，當(dāng)其值超過允許值時，可人工判斷是否進行反沖洗；

    ④ 反沖過程分氣沖、氣水聯(lián)合沖洗及水沖洗；

    ⑤ 炭池為恒水位運行，僅設(shè)水沖洗；

    ⑥ 48個池子每次只允許1個池子沖洗，系列與系列及池子與池子之間聯(lián)鎖，要求每池配置的PLC能按照指定過濾、沖洗條件及測量值編程控制、調(diào)節(jié)每個閥門的開閉和開度；

    ⑦ 回流泵房水池進水閘板狀態(tài)經(jīng)WPACS與PLC的通信傳至PLC參與反沖控制，當(dāng)2臺閘板全關(guān)時，禁止反沖洗；

    ⑧ 氣源系統(tǒng)由現(xiàn)場盤選定空壓機備用關(guān)系，WPACS監(jiān)視狀態(tài)、故障及總管壓力。

    濾池出水水質(zhì)儀表間設(shè)濁度計及余氯計，余氯信號經(jīng)網(wǎng)上通信至加氯現(xiàn)場控制站。

I/O點計：990。

(4)  配水泵房、加氨間現(xiàn)場控制站

    配水泵房與加氨間地理位置為一處，所以設(shè)一現(xiàn)場控制站。控制或監(jiān)視的設(shè)備有5臺套配水機組（單機容量2500kW），三用兩備；3臺定速，2臺調(diào)速；工作泵為調(diào)速泵，定速泵為備用泵；相應(yīng)5臺進水電動蝶閥（監(jiān)視常開狀態(tài)）、5臺出水液壓驅(qū)動閥（與泵一步化控制）及2套液壓驅(qū)動裝置；4臺排水泵及液位訊號控制器；過程儀表有5臺出水管道電磁流量計；5臺進水管道壓力變送器；5臺出水管道壓力變送器；2臺干管壓力變送器；2臺清水池液位計及2臺余氯計、1臺pH計、1臺濁度計。另每臺機組設(shè)繞組、軸承等檢測。

    加氨間控制或監(jiān)視的設(shè)備有5臺加氨機及相應(yīng)15臺電動球閥、2臺電子稱、6臺軸流風(fēng)機。

    WPACS是相對獨立的控制系統(tǒng)，有獨立的數(shù)據(jù)通路，掛接各現(xiàn)場控制站嚴格完成上述各站功能；但在調(diào)度上從調(diào)度系統(tǒng)上講，市自來水公司調(diào)度中心僅對一個九廠（一、二、三期）下達供水調(diào)度命令至九廠的中心控制室；一、二、三期共兩個泵房十一臺泵，兩種控制系統(tǒng)共同完成兩個泵房十一臺機組的運行。具體方法需在做大量的工作后編程調(diào)整實現(xiàn)。目前應(yīng)以配水機組和出水閥的一步化操作和水泵機組的調(diào)速為主要控制方法在WPACS中完成。WPACS啟泵應(yīng)在現(xiàn)場允許、無任何電氣機械故障、水位出口壓力正常條件下先開泵后開出水閥，并開啟對應(yīng)加氨機；停泵在上述條件下先關(guān)閥后停泵。大型機組的運行需在軟件編程中做出多種判斷，每一環(huán)節(jié)都緊扣下一環(huán)節(jié)的運行，泵組運行直接關(guān)聯(lián)的設(shè)備有：液壓驅(qū)動裝置、冷卻水狀況、電機繞組溫度、機泵軸承溫度、管道壓力、清水池水位、電機出線回路、變頻裝置等。

    加氨機上的電磁閥與水泵出水管道上的閥門一一對應(yīng)聯(lián)動，先開泵后開加氨機出口閥。

    加氨I/O點計：124。

    泵房I/O點計：182。

(5)  加氯、加藥間現(xiàn)場控制站

    加氯、加藥間地理位置為一處，所以設(shè)一現(xiàn)場控制站。加藥間有6座儲藥池（設(shè)電動連通板閘2臺），4座溶液池（4個進藥電動閥及2個切換閥、4個進水電動閥、8個出藥閥）。加藥現(xiàn)場控制站控制或監(jiān)視的設(shè)備有加藥計量泵6臺（絮凝前混合池4加藥處、濾前混合池2加藥處），相應(yīng)18個電動閥（6個吸藥電動閥、12個出藥電動閥）；輸藥泵3臺，相應(yīng)3個輸藥閥；加上前述各閥合計41個電動閥。排污泵2臺；儲藥池溶液池液位6臺；4臺攪拌機及軸流風(fēng)機。

監(jiān)控條件如下：

    ①  在儲藥池藥液濃度為一定值的條件下（如40%）確定溶液池的輸藥濃度（如5%），由4臺液位計測量進藥量及進水量以達到預(yù)定濃度。3臺輸藥泵一用二備，當(dāng)泵和出藥管上的閥門出現(xiàn)故障時，退回手動，只允許一臺輸藥泵處于中央控制方式。人工設(shè)定備用關(guān)系。

    ②  溶液池的液位達3/4預(yù)定液位時開啟攪拌機，并在預(yù)定液位時延時停止攪拌以使藥液均勻。4座溶液池各有四種狀態(tài)，即工作狀態(tài)、配藥狀態(tài)、備用狀態(tài)、故障狀態(tài)。

    ③  根據(jù)每系列進水流量計值改變加藥泵頻率（固定某一沖程條件下2~6mm）調(diào)節(jié)加藥量，6臺加藥泵與6個加藥處（每處2點由6臺加藥泵互為備用，即一臺泵對應(yīng)1處1點及另1處另1點）的備用關(guān)系及12臺電動閥的切換關(guān)系的邏輯運算以及與對應(yīng)攪拌機的切換由現(xiàn)場站完成。加藥泵及進出藥閥的順控為先開出藥閥，再開吸藥閥，再開加藥泵。另外，池子的倒換、藥液濃度的設(shè)定等均由現(xiàn)場控制站完成。

    每3座儲藥池設(shè)1臺超聲波液位計。每座溶液池各設(shè)1臺超聲波液位計。

    加氯間設(shè)備有7臺加氯機及對應(yīng)8個加氯點的電動球閥，1套氯吸收裝置及對應(yīng)3臺進氣電動閥，4臺電子稱（4組氯瓶），2臺液氯蒸發(fā)器，3套漏氯報警儀，氯瓶切換裝置等。

    監(jiān)控條件如下：預(yù)加氯設(shè)2臺加氯機，加在配水溢流井的兩條出水管上，采用流量、余氯復(fù)合環(huán)控制自動投加；消毒加氯設(shè)3臺加氯機，二用一備，加在每系列的炭池的出水管上（另設(shè)兩臺加壓泵，夜間水壓低時開泵，依據(jù)配水泵房壓力變送器信號），采用流量比例投加；補氯設(shè)2臺加氯機，加在吸水井的進水管上，采用流量、余氯復(fù)合環(huán)控制自動投加。加氯率人工設(shè)定，加氯機自動調(diào)節(jié)，也可在現(xiàn)場站根據(jù)上述條件自動控制加氯量。加氯機水射器即加氯供水管的電動球閥開閉控制加氯機的開停。

    預(yù)加氯余氯信號、流量信號由預(yù)處理I/O網(wǎng)上信息傳輸引來；主加氯流量信號由濾池現(xiàn)場站網(wǎng)上信息傳輸引來；補氯余氯信號、流量信號由泵房現(xiàn)場站網(wǎng)上信息傳輸引來。

加藥I/O點計：410。

加氯I/O點計：175。

(6)  回流泵房遠程I/O

    回流泵房設(shè)回流水池2座，每座2格，每座之間設(shè)手動連通閘。每格內(nèi)在不同高程設(shè)1臺上清液回流泵，1臺污泥泵。回流泵房設(shè)遠程I/O與濾池現(xiàn)場站連接，控制和監(jiān)視的設(shè)備有4臺上清液回流（調(diào)速）泵（將濾池沖洗水回流至配水溢流井前）、4臺污泥回流泵（將泥水排至污泥處理廠）及2進水管上的電動閥門。儀表有2池內(nèi)的2臺靜壓式液位計及2臺液位開關(guān)（溢流用）、回流出水管1臺流量計。

監(jiān)控條件為：

    ① 根據(jù)靜壓式液位計的值控制進水板閘之一打開，在濾池反沖水（4~5次）到上限水位時關(guān)閘；

    ② 沉淀一定時間后啟動上清液回流泵，依回流流量調(diào)整泵轉(zhuǎn)速以使均勻回流。

    ③ 幾次回流后起動污泥泵。

    ④進水閘板狀態(tài)信號經(jīng)控制網(wǎng)送濾池現(xiàn)場站用做反沖控制條件之一。

I/O點計：77。

5  結(jié)語

    本文提及的各項工藝要求、設(shè)備功能已在九廠運行中實施。不過，大型水廠的自動化系統(tǒng)的正常運行是一件及其復(fù)雜的過程事件，在這個過程中依靠各專業(yè)工程技術(shù)人員的集思廣益，依靠先進的計算機和通信技術(shù)，使生產(chǎn)過程控制達到優(yōu)化，降低了勞動強度，使生產(chǎn)穩(wěn)定、節(jié)能、增效。

參考文獻:

[1] 自動化系統(tǒng)建設(shè)的意見[C].北京市自來水公司,1997,6.

[2] 第九水廠三期工程工藝對自動控制的要求[C].北京市市政工程設(shè)計研究總院,1999,1.

[3] CENTUM CS 3000 Integrated Production Control System Technical Information TI33Q1B10-01E[C]. YOKOGAWA.

[4] 濾池設(shè)計資料[C]. AQUA工程有限公司