０１８年第８期 内蒙古石油化工 ２
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地下自来水厂ＳＣＡＤＡ系统初步设计
杨 昆，马利刚，谢雷栋
）（呼和浩特春华威嘉水务运营有限责任公司，内蒙古呼和浩特 ０１００１０
工业控制机Ｉ包括网络、操作系统、串／并行１世纪，ＰＣ的软硬件产品不断增加，ＰＣ本体、２Ｉ 摘 要：接口、存储装置迅速发展，以Ｉ所开发的工业控制软件，因为系统采取开放结ＰＣ和分散式控制为基础，构、价格便宜，渐渐为工业界所接受。这些工业软件通称为ＳＣＡＤＡ（ＳｕｅｒｖｉｓｏｒＣｏｎｔｒｏｌＡｎｄＤａｔａＡｃ－ ｐｙ
）即监控和数据采集。ｕｉｓｉｔｉｏｎｑ
本文从分析现代化大型水厂控制系统的基本要求着手，设计了一种基于ＰＬＣ和无线通信的ＳＣＡ－应用于地下自来水厂，不仅满足了系统管理信息化和集中监控的要ＤＡ系统的系统结构及通信实现，
求，而且保证了水厂的安全运行。
关键词：水厂；ＣＡＤＡ系统；ＬＣＳＰ
（）９９１．６２ 文献标识码：００６—７９８１２０１８０８—００４５—０３ＴＵＡ 文章编号：１ 中图分类号：
城市人口的急剧膨 随着我市规模的不断扩大、
胀以及城市工业的高速发展，城镇居民用水量和工业用水量急剧增长，所以保证水厂的安全稳定运行就成为保障城市稳定快速发展的一个至关重要的环
功能的不断完善和节。随着可编程序控制器（ＬＣ）Ｐ
无线通信技术的迅猛发展，基于ＰＬＣ和无线通信的
不ＣＡＤＡ系统正广泛应用于各大现代化水厂中，Ｓ
仅满足了系统管理信息化和集中监控的要求，而且保证了水厂的安全运行。威嘉水务所属的９个地下水厂为市区居民和各行业提供自来水服务，其水源全部为地下水，水质优良，设计日供水能力为２２万。９个水厂共有１ｔ１０口水源井分别分散在市区，９个加压泵房，设有４范围涵盖整个市区８台加压泵，
及近郊。本文主要结合各水厂的实际情况模拟设计水厂ＳＣＡＤＡ系统的构成及通信实现。
ＣＡＤＡ系统概述１ Ｓ
市政管网、水资ＣＡＤＡ系统广泛应用于油田、Ｓ
源监测、环保等诸多行业，功能越来越强大，结构也越来越复杂。
通用ＳＣＡＤＡ系统可分为３层。第１层为数据采集层，由Ｒ完成现场原始数ＴＵ与一次仪表构成，据的采集与预处理，而且根据设计需求还可以实现现场的数据存储，以保证通讯中断后数据的连续性；第２层为数据监控层，在此层将利用各种软件远程仿真现场，实现数据的实时监控、实时报警，该层可根据对应的管理模式再分为分控中心、总控中心等，还可根据设计需求进行大量历史数据的存储；第３层为数据应用层，在此层实现对已采集数据的分析、整理，并根据需要实现多种形式的发布。业界很多公司分别在数据采集层、数据监控层、数据应用层都拥有极其稳定的产品和丰富的系统集成经验。
ＣＡＤＡ系统２ 自来水厂的Ｓ
收稿日期：２０１８－０４－１５
１ 基本情况２．
由于水厂及水源井数量较多且情况不同，所以本文只以一个水厂来进行ＳＣＡＤＡ自控系统进行分析。
。我公司第二水厂，设计日供水能力为５．２５万ｔ
该厂共有２每口水２口水源井分别分散在７个井群，源井安装一台潜水泵，有一个加压泵房，设有７台配水泵，两个２两条输水管道。为了保０００ｔ的净水池，
证水厂的安全稳定运行和保障城市稳定快速发展，实现系统管理信息化和集中监控。我们将设计一套符合水厂工艺的自动化系统，该系统将具备对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
２ 水厂ＳＣＡＤＡ系统可实现的功能及其基本要２．求２．１ 水厂ＳＣＡＤＡ系统可实现的功能２．
水厂Ｓ可根据ＣＡＤＡ系统在产水工艺流程中，水质变化进行药剂的合理投放；根据管网压力和水位等变化，调节水量、流速、送水泵组等。同时将水厂运行工况、运行参数、水质参数等实时送到调度室，计算机通过基础数据分析，从不同角度反映供水状态，包括管网运行负荷分析、供水路径查询、厂间输水交汇点的水流动态、管网压力分布、水流方向模拟显示，从而优化调度方式。ＳＣＡＤＡ系统是水厂生产自动化和管理信息化的核心系统。２．２ 现代化水厂控制系统的基本要求２．２．２．１ 数据的远程采集与设备的集中监控。水２．
厂的最大特点就是地域分布极为分散，特别是以地下水为水源的水厂，通常水源地、加压泵房、测压点与水厂控制中心之间距离几公里甚至几十公里，使
／控制系统ＩＯ点特别分散。而为了降低制水成本，
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内蒙古石油化工 ２０１８年第７期
减轻工人的劳动强度又希望各个单井泵房能够实现
无人值守，这就要求水厂控制系统能够实现数据的远程采集和设备的集中监控，因此ＳＣＡＤＡ系统特别适合于现代化水厂的监测监控。ＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐ
ｅｒ－ｖｉｓｉｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑ
ｕｉｓｉｔｉｏｎ）系统即监测监控与数据采集系统，它可以实时采集现场数据，对现场设备进行本地或远程的自动控制，并对工艺流程进行全面、实时的监控，为生产、调度和管理提供必要的数据。
２．
２．２．２ 控制器要集成化，能满足逻辑运算、数据采集与传输的要求。水厂的控制大部分是对输水泵和配水泵的逻辑控制，闭环控制只用在出水压力控
制上，而逻辑控制是可编程序控制器（Ｐ
ＬＣ）的传统应用领域。ＰＬＣ不仅能够采集开关量信号、完成逻辑控制，其强大的模块化设计还可以扩展模拟量采集模块、通信模块完成不同数据的采集和保证数据的及时传输，因此使ＰＬＣ成为目前水厂控制系统的首选控制器。
２．
２．２．３ 通信安全、快捷。由于水厂的地域分布极为分散，而现代化水厂又要求水厂控制系统能够实现数据的远程采集和设备的集中控制，实现远程单井泵房的无人值守，所以保证现场设备的数据实时、安全的传送到水厂监控中心显的尤为重要，这就要求水厂控制系统的通信网络要安全、快捷。对于地域分布极为分散的水厂控制系统，如果架设通信电缆不仅费用昂贵，而且安全性得不到保障，因为恶劣的天气及人为因素很容易损坏通信电缆，所以经济，有效地解决途径是采用无线传输。
３ 水厂Ｓ
ＣＡＤＡ系统的构成３．
１ ＰＬＣ系统网络根据水厂对控制系统的具体要求以及水厂的实际情况，可以选用基于ＰＬＣ和无线传输的ＳＣＡＤＡ系统。全部控制及数据采集都由ＰＬＣ完成，
水厂控制中心与各个水源地的通信由无线数传电台完成，系统组成如图１所示。
图１ 水厂ＳＣＡＤＡ系统组成
针对水源井整体分布分散，但是部分单井泵房
又相对集中的特点，可以通过ＲＳ４８５网络将相距较近的单井泵房连接在一起，由一台ＰＬＣ来统一管理２
２眼水源井共分为７组。由于水源井的控制点数较少，该系统可以选用西门子的Ｓ７－２００系列。３．
２ ＶＳＤ系统加压泵房内有７台配水泵，其中两台为７５ｋＷ的变频调速泵，三台７５ｋＷ的工频泵和两台５５ｋＷ的工频泵，变频泵选用施耐德公司的ＡＴＶ６１变频器驱动，工频泵选用施耐德公司的ＡＴＳ４８软起动器驱动。７台泵分为两组分别向两个配水管网输水，一台７５ｋＷ的变频调速泵和三台７５ｋＷ的工频泵为一组；另一台变频泵与两台５５ｋＷ的工频泵为一组。两组配水管网都能实现恒压供水，其基本工作原理是：把管网的出口压力反馈给变频器，利用变频器内置的ＰＩＤ功能组成压力闭环。在用水高峰期如果当变频器已经调节到５０Ｈｚ的工频还不能满足压力要求，Ｐ
ＬＣ就会起动下一台工频泵，变频器重新进行频率调节，直到出口压力达到设定值。当在夜晚用水量减少时，变频器已经运行在其频率下限，但是管网出口压力还是过高，那么ＰＬＣ就会发出指令停止一台工频泵变频器重新进行频率调节直到出口压力达到设定值。采用此恒压供水方案后，供水压力的控制精度可以提高到９５％以上。为了保证各个泵的使用寿命，平衡的使用各个配水泵，采用“先起先停”原则，因变频泵担负着调节管网出口压力的重任所以必须始终运行。
中控室操作员站选用工控机，内装ｉ－Ｆｉｘ组态软件，不仅能够完成整个系统的监控，还能实时记录各种重要数据，自动生成报表减轻了操作人员的工作强度。为了实现中控室与水源地的通信联系，需要装设８台美国ＭＤＳ公司的ＭＤＳ２７１０数传电台。
中控室ＰＬＣ作为整个水厂控制系统的核心，
信息处理量非常大，而且为了保证系统数据的更新速率对控制器的运算速率要求也比较高，所以可以选择Ｓ７－３０００系列ＰＬＣ。
４ 水厂Ｓ
ＣＡＤＡ系统的通信实现４．
１ 软件实现加压泵房是保证整个水厂正常运转的最重要的环节，全厂管理、控制和监视信息都汇总到加压泵房进行处理，就犹如人的大脑一样是水厂监控系统的控制核心。加压泵房的主要功能为：①保证恒压供水。②数据采集，无线通信。③数据处理、故障诊断与报警和自动生成各种生产报表。所有这些功能的完成都是以完成与变频器、软起动器、水源地Ｃ
ＰＵ２２６通信为前提的。利用ＣＰ３４０的自由口编程模式编写与变频器、软起动器及水源地Ｓ７－２００从站的通信程序时，虽然所选通信协议可能不同，但是基本的程序流程是一样的，如图２所示。
水源地ＣＰＵ２２６与施耐德ＡＴＶ６１变频器通信也是充分利用了Ｓ７－２００系列ＰＬＣ的自由口编程
ＣＡＤＡ系统初步设计０１８年第７期 杨昆等 地下自来水厂Ｓ ２
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模式，其程序流程图与基于ＣＰ３４０自由口模式的通
信流程图基本一致，所不同的是Ｓ７－２００ＰＬＣ在自
由口通信模式下是通过两条专门用于自由口通信的
指令：发送指令（ＸＭＴ）和接收指令（ＲＣＶ）
，与发送完成中断和接收完成中断相配合来完成通信控制的。
图３为ＣＰＵ２２６作为从站响应加压泵房Ｓ７－３００ＰＬＣ访问的程序流程图。
图２ 基于ＣＰ３４０自由口模式的通信流程图
图３ Ｓ７－２００从站的响应流程图
初始化端口程序只在程序执行的第一个周期内执行，它将完成自由口模式的设置，包括通信频率，数据格式等的设置，并首先使能自由口的数据接收功能，使自由口处于等待数据接收状态。
数据接收子程序调用数据接受指令（ＲＣＶ）一旦接收完成就调用接收完成中断子程序。经数据校
验后如果接收成功即进行数据转存，
但是为了防止在数据传输过程中有多位数据出错而无法校验出来，可以在数据转存子程序中做一个软件滤波后再进行转存。
数据发送子程序首先将应答信息装载到发送缓冲区并计算ＢＣＣ校验码，然后调用发送指令（ＸＭＴ）
，发送完成后转入发送完成中断子程序此中断程序的主要功能是使自由口重新回到接收等待状
态。
５ 水厂ＳＣＡＤＡ系统的特点５．１ 可靠的控制策略
三种控制方式保证安全在水厂ＳＣＡＤＡ系统中
每一台主要设备都具有三种控制方式，
保证了主要设备的有效起／停。
面板控制：无论是变频器还是软起动器都可以在自带的操作面板上直接对设备进行起动、停止的操作。
就地控制：就地控制是指通过操作安装在变频柜或软起动柜上起动、停止、急停等按钮进行控制。其本质是通过变频器和软起动起器的控制端子进行控制。
远程控制：远程控制是在中控室对设备进行集
中的控制，
其控制命令是以通信的方式传递给变频器或软起动器，本质是通信控制。
各输水泵，配水泵都具有的控制且能够互相备用，即可以在自动方式下实现任意组合的连锁控制，又能在手动方式下控制。５．２ 恒压供水
利用施耐德ＡＴＶ６１变频器的内置ＰＩＤ功能，将出水口压力值反馈回变频器实现闭环压力控制，从而实现整个系统的恒压供水。
５．３ 丰富的监控界面，
强大的报表功能计算机操作员站的显示画面有工艺流程图、设备操作画面、趋势图、报警画面、报表画面。操作人员通过这些画面可以全面地了解水厂的运行情况，方便地对设备进行操作。并且可以自动生成各种报
表，
不但可以自动统计产量还可以记录各种重要数据，大大降低了工人的劳动强度。５．４ 防雷抗干扰措施
由于二水厂所处地域地势平坦，夏天容易遭受雷击，特别是感应雷的袭击，为此应在电源线与信号线上增设浪涌抑制器。同时由于变频器的谐波干扰
严重，
影响了数传电台的传输质量，在软件中增加了软件滤波程序来进一步提高通信质量。６ 结束语
本文结合当地水厂的实际情况，设计了基于
ＰＬＣ、ＶＳＤ和无线传输的水厂ＳＣＡＤＡ系统，
该系统可以满足水厂建设现代化水厂，实现数据远程采集与集中监控和单井泵房无人值守的要求。而且针对本地水厂地域分散的特点采用无线传输，不但保证了通信质量而且大大降低了工程成本。该系统具有恒压供水的控制精度高等特点，会大大降低水厂的运营成本。
［参考文献］
［１］ 肖军，
陶文华．可编程序控制器原理及应用［Ｍ］．清华大学出版社，２０１４．［２］ 王兆宇．
施耐德变频器综合应用［Ｍ］．中国电力出版社，２０１７．
