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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50萬噸的大型基礎設施工程，投入運行以來在北京市供水系統中有著舉足輕重的地位。該工程采用了混合、反應、沉淀、煤濾、炭濾等一系列先進工藝制水系統，配套了高性能（可靠性、靈活性、功能性）的DCS系統CENTUM-CS3000系統，實現了工藝生產的自動化，確保了供水水質、供水安全。

2  WPACS系統的實施

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

    CS3000是一綜合生產過程控制系統，針對企業生產和管理提供技術支持和方案解決。人機接口（HMI）用品牌機或通用PC機，比原系列增加了開放環境。操作系統用Window NT，提供了對于OPC（OLE for Process Control）（推薦使用）、DDE（Dynamic Data Exchange）等多種數據的支持。組態軟件固化在操作系統上，具有專業DCS的監控功能的友好用戶界面，操作員可在線監視過程參數、設備狀態和進行控制。

    系統基本組成是人機接口站HIS、現場控制站FCS、總線轉換器BCV（Bus Converter）、通信網關CGW（Communication Gateway Unit）、遠程I/O、實時控制網Vnet、管理網Ethernet及總線RIO Bus（用于LFCS）。

    該系統支持多種子系統通信，有效交互功能使數據輸入減到最小，脫離控制站硬件離線調試，可用BUS轉換器（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），工位數為10萬。

2.2  現場控制站FCS

    FCS（Field Control Station）含FCU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、風扇、電源插口；插件箱可5個同置于一個節點內（FCS柜內共6個節點）。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  網絡

    該系統為3級網絡結構，過程實時數據、監視運行信息和集中管理信息分別運行在不同網絡。實時控制網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，用總線轉發器或光纜傳輸距離20km，傳輸介質可混用，通信速率為10M bit/sec，網絡連接站達64個。

    管理信息網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之間的通訊，它不同于Vnet，存取信息、發送趨勢數據，是站間不可缺少的局域網。

    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用在與現場設備（field devices）雙向數字通信，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備，從而減少導線投資。利用協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）傳輸增加了對現場的設備監控，使整個系統更加分散控制。圖2所示為九廠控制系統硬件配置，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控制系統的功能

    WPACS整個控制系統為四層結構：過程設備層（最底層、現場控制層、操作監控層、管理層。

3.1  控制系統工作方式

    工作方式為就地控制（機側或執行器上）和計算機系統控制（在現場控制站上），轉換功能由執行器上的就地/遠方轉換開關完成且優先就地控制。當處在就地控制時，計算機系統只對現場設備的運行工況進行監視，無權進行控制。當設備處在計算機（遠方）控制時，如某個環節或設備發生故障，且計算機系統正常時，計算機發出報警和提示，允許某些環節如濾池的某格退出自動方式或某個設備退回現場操作。對加藥、加氯系統受計算機監控時，某些設備發生故障，計算機系統可以啟動備用設備，并發出報警信號。

    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，而后者多為優化控制、順控或某個工藝流程的環節已具備聯機的自動控制。如配水泵房水泵機組的一步化控制、加藥系統的監控運行等。

3.2  對控制系統的其它設計考慮

    物理位置的考慮：WPACS各現場站、I/O分布在南北向400米、東西向350米的三期廠區構筑物內，兩臺操作站置于原一、二期控制室內，與最遠端相距1 800米。50萬m3/日水廠的數據點數一般在3 000點以上，模入、模出與開入、開出比在1:4。點數的分布相對集中在幾個物理位置，設計考慮在配水泵房、濾池、加藥加氯間應設現場站（九廠設110kV電站并可計算機控制也應設現場站）。而預處理、配水井、回流泵房等應設I/O站。要求計算機系統要具有分散采集的功能，各物理位置在經費允許條件應保證數據通信的可靠（如采用光纜連接或雙重通信纜）。

    內部處理的要求：采集到大量的設備狀態和工藝數據后，計算機系統要依靠本身的內部運算提供運行信號和處理信息。

    歷史數據存檔要求：對事故記錄、運行狀態變化和內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）轉存，用于離線查詢、分析。

3.3  系統軟件功能

    利用CS3000操作監控功能中的通用功能、標準操作監控窗口、操作監控支持功能、系統維護功能、控制狀態顯示功能、趨勢功能、開放數據接口等組態軟件完成HIS的組態。

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

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）設計規模為50萬m3/日，水處理過程與原一、二期過程相對獨立，凈配水廠內構（建）筑物均為新建，包括主工藝過程的配水溢流井、絮凝反應沉淀池、濾池、清水池、配水泵房及加藥間、加氯間、加氨間、回流泵房等。除以上生產過程納入控制系統外，110kV變電站也納入該控制系統。

    工藝設計分為兩個系列，每系列規模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4臺電動配水調節堰閘（每2臺一組）、4臺電動溢流調節堰閘（4臺為一組）、堰前靜壓式液位計1臺、溢流液位開關1臺及它的兩個出水管上各1臺流量計（信號入預處理I/O）。該處設配水井I/O，I/O與濾池現場站相連，除對信號做輸入輸出處理外，還需對經一根DN2200的進廠水分配給兩根DN2000做兩個系列的配水。分別為：

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

    ② 調節溢流堰閘實現不同的溢流水位；

    ③ 常規顯示、控制、報警、數據處理等。調節堰死堰堰頂高51.70米，可調范圍為1.00米。溢流堰死堰堰頂高52.00米，可調范圍為0.60米。

I/O點計：66。

(2)  預處理遠程I/O

    預處理工藝流程為兩個系列，每系列設4個混合池、4個絮凝池、2個沉淀池、1個濾前混合井；每系列設一遠程I/O，每一遠程I/O需連接的設備有進水混合池的4臺軸流式攪拌機，進入絮凝池的4臺電動調節堰門，沉淀池的4臺吸泥機及對應驅動裝置，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。
監控條件：該處I/O與濾池現場站相連，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，當攪拌機一臺故障，停相應加藥點加藥泵并起動另一臺攪拌機及相應加藥點加藥泵，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動處理；

    ③ 沉淀池內8臺吸泥機（不同時運行）的運行次數、運行方式、排泥閥排泥的時間周期由人工在現場控制盤內設定或據原水濁度調整，計算機處于指定常態；

    ④ 跨越閘板（2臺）除監視工況及閥位外，需根據配水井出水流量計值進行調節；

    ⑤ 波型板絮凝池安裝液位計做水頭損失計算。

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

兩個系列的I/O點計：242。

(3)  濾池現場控制站

    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，其中出水閥為調節閥；每個炭濾池設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、出水閥為調節閥，其余為開關閘閥；合計240個閘閥，均為氣動執行機構。公用設備有反沖水泵3臺及該泵進出水閥，鼓風機3臺（帶風干管流量計）及相應出氣閥。氣源系統設兩臺空壓機，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，公共設施設公共PLC，池旁控制臺面設有畫面顯示，濾池運行水位、出水濁度值、水頭損失值、沖洗時間設定鍵，濾池工況，現場/遠方轉換開關等均顯示在畫面上。WPACS的濾池現場控制站與濾池PLC通信進行數據交換，現場站設人機界面。

    PLC需完成的內容有：

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

    ② 反沖過程的開始依設定過濾周期（一般為36、48小時）；

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

    ④ 反沖過程分氣沖、氣水聯合沖洗及水沖洗；

    ⑤ 炭池為恒水位運行，僅設水沖洗；

    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、調節每個閥門的開閉和開度；

    ⑦ 回流泵房水池進水閘板狀態經WPACS與PLC的通信傳至PLC參與反沖控制，當2臺閘板全關時，禁止反沖洗；

    ⑧ 氣源系統由現場盤選定空壓機備用關系，WPACS監視狀態、故障及總管壓力。濾池出水水質儀表間設濁度計及余氯計，余氯信號經網上通信至加氯現場控制站。I/O點計：990。

(4)  配水泵房、加氨間現場控制站

    配水泵房與加氨間地理位置為一處，所以設一現場控制站。控制或監視的設備有5臺套配水機組（單機容量2500kW），三用兩備；3臺定速，2臺調速；工作泵為調速泵，定速泵為備用泵；相應5臺進水電動蝶閥（監視常開狀態）、5臺出水液壓驅動閥（與泵一步化控制）及2套液壓驅動裝置；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。另每臺機組設繞組、軸承等檢測。

    加氨間控制或監視的設備有5臺加氨機及相應15臺電動球閥、2臺電子稱、6臺軸流風機。

    WPACS是相對獨立的控制系統，有獨立的數據通路，掛接各現場控制站嚴格完成上述各站功能；但在調度上從調度系統上講，市自來水公司調度中心僅對一個九廠（一、二、三期）下達供水調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整實現。目前應以配水機組和出水閥的一步化操作和水泵機組的調速為主要控制方法在WPACS中完成。WPACS啟泵應在現場允許、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，并開啟對應加氨機；停泵在上述條件下先關閥后停泵。大型機組的運行需在軟件編程中做出多種判斷，每一環節都緊扣下一環節的運行，泵組運行直接關聯的設備有：液壓驅動裝置、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聯動，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、加藥間現場控制站

    加氯、加藥間地理位置為一處，所以設一現場控制站。加藥間有6座儲藥池（設電動連通板閘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）。加藥現場控制站控制或監視的設備有加藥計量泵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臺攪拌機及軸流風機。
監控條件如下：

    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定濃度。3臺輸藥泵一用二備，當泵和出藥管上的閥門出現故障時，退回手動，只允許一臺輸藥泵處于中央控制方式。人工設定備用關系。

    ②  溶液池的液位達3/4預定液位時開啟攪拌機，并在預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，即工作狀態、配藥狀態、備用狀態、故障狀態。

    ③  根據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）調節加藥量，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1處1點及另1處另1點）的備用關系及12臺電動閥的切換關系的邏輯運算以及與對應攪拌機的切換由現場站完成。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、藥液濃度的設定等均由現場控制站完成。

    每3座儲藥池設1臺超聲波液位計。每座溶液池各設1臺超聲波液位計。

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

    監控條件如下：預加氯設2臺加氯機，加在配水溢流井的兩條出水管上，采用流量、余氯復合環控制自動投加；消毒加氯設3臺加氯機，二用一備，加在每系列的炭池的出水管上（另設兩臺加壓泵，夜間水壓低時開泵，依據配水泵房壓力變送器信號），采用流量比例投加；補氯設2臺加氯機，加在吸水井的進水管上，采用流量、余氯復合環控制自動投加。加氯率人工設定，加氯機自動調節，也可在現場站根據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。

    預加氯余氯信號、流量信號由預處理I/O網上信息傳輸引來；主加氯流量信號由濾池現場站網上信息傳輸引來；補氯余氯信號、流量信號由泵房現場站網上信息傳輸引來。

加藥I/O點計：410。

加氯I/O點計：175。

(6)  回流泵房遠程I/O

    回流泵房設回流水池2座，每座2格，每座之間設手動連通閘。每格內在不同高程設1臺上清液回流泵，1臺污泥泵。回流泵房設遠程I/O與濾池現場站連接，控制和監視的設備有4臺上清液回流（調速）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池內的2臺靜壓式液位計及2臺液位開關（溢流用）、回流出水管1臺流量計。

    監控條件為：

    ① 根據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）到上限水位時關閘；

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

    ③ 幾次回流后起動污泥泵。

    ④進水閘板狀態信號經控制網送濾池現場站用做反沖控制條件之一。
I/O點計：77。

5  結語

    本文提及的各項工藝要求、設備功能已在九廠運行中實施。不過，大型水廠的自動化系統的正常運行是一件及其復雜的過程事件，在這個過程中依靠各專業工程技術人員的集思廣益，依靠先進的計算機和通信技術，使生產過程控制達到優化，降低了勞動強度，使生產穩定、節能、增效。

參考文獻:
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