污水自控系统初步设计.docx
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污水自控系统初步设计
设计说明
设计阶段：
初步设计
****污水处理厂改造工程
自控设计
版本号：
x
设计号：
日期：
序言
****污水处理厂改造工程是在****污水处理厂（二期）的基础上进行的改造，该污水处理厂（一期）已于2000年停止运行。
本次改造工程的主要内容是针对原污水厂出水不达标增加脱氮除磷工艺，包括增加厌氧段、曝气池的改造以及化学除磷装置这三大部分。
其中厌氧段将增加厌氧罐，曝气池的改造包括缺氧池和好氧池以及好氧池形式的改变，化学除磷部分包括微絮凝滤池系统。
为了使改造后的****污水处理厂能满足环保和技术发展的要求，实现二级排放标准。
在****污水处理厂改造工程中，****集团公司第四研究院第四十四研究所将提供技术成熟的，国际先进的自动控制系统解决方案，对污水处理厂原有的自控系统进行改造。
综合改造后将使污水处理厂的管理、生产以及调度等达到一个全新的技术水平，实现的污水处理工艺流程实时自动化监测、控制和管理。
保证改造后的污水处理厂发挥最大的经济效益和社会效益，最大限度地提高排水水质。
1概述
1.1设计依据
（1）****建设集团2007年7月编制的《****污水处理厂改造工程初步设计书》。
（2）****污水处理厂二期工程《自控仪表部分》。
（3）****污水处理厂二期工程《竣工图》。
1.2设计范围
****污水处理厂改造工程新增了脱氮除磷工艺，需要对原自控系统进行改造：
（1）根据新增脱氮除磷工艺，对新增设备参数进行监视，并根据工艺要求对相应设备进行控制。
（2）对原自控系统进行升级改造，提供足够的扩展能力。
（3）对监控中心进行改造，包括计算机系统和模拟屏系统。
1.3设计原则
（1）产品成熟型：
选用成熟的、先进的、可靠的同时能及时供货和便于维修的设备，基本上主要设备均采用国外高品质产品。
。
（2）技术先进性：
在方案配置时，更注重现在及将来技术发展要求，在满足工艺要求的前提下，保证新购设备4年左右的先进性。
（3）规范性：
在方案设计、设备选型、图纸设计、软件编程及现场调试中，遵循行业规范，为以后的生产运行、维护管理、软件升级创造便利。
（4）利于现场控制、监控中心调度和管理，真正实现厂级的管控一体化。
1.4采用的标准和规范
本监控系统设计参照下列标准和规范的最新版本的要求。
《建设项目经济评价/方法与评价》国家计划委员会建设部
《工业噪声控制设计规范》GBJ87-85
《工业与民用电力装置的接地设计规范》GBJ65-83
《过程检测和控制系统用文字代号和图形符号》HG20505-2000
《工业自动化仪表施工及验收规范》GB50093-2002
《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB50032-2003
《外壳防护等级的分类》GB4208
《计算机接地技术条件》GB2887
《计算站场地安全要求》GB9361
《不间断电源设备》GB7260
《电子计算机机房设计规范》GB50174
《汉字编码字符集（基本集）24点阵字型》GB5007.1
《汉字编码字符集（辅助集）24点阵字型》GB5007.2
《自动化仪表安装工程质量检验评定标准》GBJ131
《信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充》GB18030
《安全防范工程技术规范》GB50348
《重点单位重要部位安全技术防范系统要求》DB31/329.4-2005
2自控系统组成
改造后的自控系统包括3个主要部分：
分别是中心监控调度管理系统、现场控制系统和现场自控仪表系统。
2.1中心监控调度管理系统
中心监控调度管理系统是集水处理工艺流程监控系统、化验实验室检测系统、调度管理自动化系统以及办公自动化于一体的综合管理系统。
水处理工艺流程监控系统：
在监控中心设置多台服务器、计算机，通过监控软件和网络连接各现场控制器，将现场控制其采集到的测量数据和设备运行状态等显示在计算机显示器上，使得监控中心操作人员可以了解全场设备运行和工艺情况。
化验实验室检测系统：
水厂原来的实验室需要到现场等采集需要的水质参数，然后进行分析实验。
改造后的化验实验室检测系统可以通过网络直接从工艺流程监控系统读取需要的实时参数进行分析处理，避免了采集数据的不实时和不准确性，为下一步处理工艺完善和改进提供及时准确地依据。
调度和管理自动化系统：
通过工艺流程监控系统的采集观察和化验实验室检测系统的分析实验，根据分析结果，可以对水处理工艺进行更精确地调整，保证了污水处理厂各设备合理的运行，可以有效地提高污水处理效率和节能减耗。
办公自动化系统：
通过建好的局域网，可以将水厂的各个部门的工作和领导对厂区工作的指导直接下达到职行部门，进行无纸化办公可以充分体现环保的理念。
2.2现场控制系统
采用国际先进的现场解决方案，通过现场控制器采集现场仪表采集的在线数据，根据工艺要求对除污机、刮泥机、回流泵等设备进行控制，同时监视鼓风机等自带PLC的参数，及时上传数据到监控中心，以供操作维护人员及时掌握现场设备情况。
根据工艺要求同时为了节约能源，建议可以为鼓风机等设备增加变频控制器，来根据设备运转情况进行变频控制（关于变频器的引入应由电气部分进行设计，如果电气方面没有提供变频器设计，我们可以在今后的自控部分进行设计，这里不作详细说明）。
2.3自控仪表系统
自控仪表系统主要是现场安装的各类分析仪表，分析仪表的采用具有国际先进技术公司的产品，以保证现场仪表能够准确地采集、分析数据，并通过通讯线缆或硬接线方式接入各地的现场控制器。
仪表的精度、采集方式等参数均影响到数据的准确性，都会对实验分析造成影响，从而影响到处理流程的偏差。
所以我们对现场自控仪表均选用国际知名公司的优秀产品。
2.4自控系统结构图
下图为自控系统的结构图：
3自动控制系统方案
3.1方案描述
****污水处理厂在改造前拥有一套自动控制系统，由1个监控中心、4个现场监控站以及现场自控仪表组成。
但由于投产已有8年的时间，系统功能都不能满足现在的要求，加之改造后又有新增设备，原系统预留参数点数等的兼容性问题更为突出，所以我们建议将采用一套全新的系统对其进行替换。
改造后的自控系统由1个监控中心（包括监控中心、模拟屏、办公系统）、3个现场监控站和现场自控仪表组成。
其3个现场监控站分别是：
一级处理区，二级处理区和污泥处理区及变电室。
本套自控系统将以位于监控中心的iFIX监控软件为核心，结合现代局域网的成熟技术，将办公自动化、化验实验室以及场站控制系统有机的结合起来。
在污水处理水厂监控中心配置二台实时运行数据服务器，选用具有最先进计算机结构的“真正”64位服务器和WINDOWSServer操作系统；两台工程师（兼操作员，工作站等采用中文WNIDOWSXP操作系统，满足公司工程师和调度人员易操作，易掌握的特点。
化验实验室设备通过网络从实时数据库中或直接从现场接收需要的数据，经过分析研究后通报给各上级领导和调度人员，保证整个污水处理过程能够以最合理、最有效、最节约的方式运作。
同时为水厂办公自动化配置一台应用服务器，保证办公人员办公时不会对姿控系统服务器造成影响，同时也能提高办公效率。
控制中心采用冗余的10/100Mbps快速交换式以太网网络。
网络基于客户机/服务器模式构建，网络通讯协议为TCP/IP，通讯介质为5类双绞线。
两台SCADA服务器互为冗余，其它客户机（操作员工作站、工程师工作站等）通过网络共亨服务器资源。
基于这种框架的系统网络可合理利用网络资源，减轻了单台服务器的工作和通讯负荷，保证系统上层网络高速稳定运行。
光缆由于其抗干扰性强、传送带宽较其他方式宽、传送距离远等特点正在被广泛应用到各种工矿场合。
污水厂各场站与监控中心距离较远，所以我们采用光缆方式连接以保证数据传送的及时准确。
现场控制站的现场控制器将全部采用澳大利亚MOX公司MOXOC开放控制器系统；MOXOC开放控制器同现场仪表、控制设备之间采用标准的总线和硬接线的方式实现连接，使各个层次之间形成一个有机的整体。
完成对全厂设备及工艺流程的实时监控，并通过iFIX系统可完成对整个系统进行有效的调度，监控和运行管理。
系统完成的主要功能：
数据采集：
采集全厂各个生产过程的工艺参数、电气设备运行状态和电气参数等信息。
图形功能：
通过监控管理计算机LCD动态（有动态的实时参数值）显示全厂平面图、全厂总工艺流程图、局部工艺流程（剖面）图、供电系统图，以及工艺参数、电气参数、电气设备（如机泵）运行状态、事故报警显示的各种数据图表。
具有图形编辑器可以灵活方便地绘制总平面图、工艺图、工艺区域图、工艺单元图、工艺控制图和单元控制图。
控制功能：
操作站通过人---机对话方式指导操作，可用键盘或鼠标对有关设备进行手动操作（如开/停机操作），可以设定各个工艺参数、控制参数。
自动状态下，对工艺过程和控制设备按要求进行控制与调节。
报警功能：
提供的报警日志可以记录事件，信息和报警。
并且可以根据要求对相应内容进行归档，触发相应动作等。
所以它可以对设备及工艺过程中发生故障时发出警报，显示故障点和故障状态，按照报警等级作出相应反应，记录故障信息。
安全操作：
提供的用户管理器允许设置用户权限。
针对不同的操作者设置相应的加密等级，记录操作员及操作信息。
动态显示：
对全部工艺过程、工艺参数、设备状态可以通过颜色变化、百分比、色标填充等手段动态显示。
数据管理：
根据采集到的信息，建立各种信息数据库，保存工艺参数、电气参数、电气设备运行数据、控制数据、报警数据、故障数据。
自动生成历史数据库，并对各类工艺参数值作出趋势曲线（历史数据）。
完成数据传送和报表打印。
供调度员分析比较，以便找出污水厂的最佳运行规律，为生产管理、事故分析、工艺控制寻优、改进管理方法、保证出水水质、提高经济效益等提供可靠的依据。
报表功能：
自动生成的生产报表（班/日/月）供生产管理之用，机内存储六个月的信息量。
打印各式生产运行报表、报警数据报表、事故报表；以及各种图形、曲线；还可对显示器图形画面进行彩色拷贝。
网络管理功能：
对工业以太网进行管理，通过工业以太网对各现场控制站进行数据指令的传送、运行监控、控制组态等。
大屏幕显示功能：
在监控中心设置模拟屏和控制站。
操作人员通过工作站的人机界面监视和控制生产过程，调整工艺参数，控制现场设备。
模拟屏动态显示各主要设备的状态、主要节点的现场数据，如水质、流量、液位、设备运行状态、事故报警等。
数据报表分析功能：
录入：
分为日报录入和月报录入。
日报录入每天录入一次，存储到日报库中，形成日台帐；而月报录入每月录入一次，这些数据和由日报汇总的数据共同生成水厂的月报。
修改和删除：
对误录入的数据进行编辑和删除。
浏览：
操作人员可随时浏览查看数据库中的内容。
查询：
根据操作人员输入的条件，查询有关记录。
例如，需要查询2000年5月1日污水厂的供水量，只需输入日期和水量指标，单击“查询”即可查询出相应时间的污水情况及与其相关的处理情况。
统计汇总：
对各项指标汇总生成相应的日、月、年报。
例如可按水量、水质、药耗、电量、压力等汇总成相应的报表形式。
报表输出：
分为固定报表输出和任意报表输出。
固定报表输出指按照已有的日、月、年报模式生成相应的报表；任意报表输出指内部直接调用Excel报表支持系统，支持用户按实际需要设想报表打印。
系统维护：
此项设置包括数据备份和远程通讯。
为了避免数据丢失或破坏后无法恢复，每周将整个系统的数据库备份一次。
3.2系统控制内容
系统的主要控制部位在一级处理区和二级处理区内，污泥处理区和配电室主要检测一些如电源接通正常等状态信号，一级和二级处理区的主要控制内容包括下面内容。
3.2.1一级处理区
●进水格栅间
根据格栅前后液位差或时间，控制格栅除污机启停及运行时间（2套液位检测、2台除污机）；
●机水泵房集水池
根据集水池液位，控制污水泵运行时间及台数（4台污水泵）；
进水池PH值测量（1套PH值变送器）；
●计量槽
根据超声波流量计，计量污水流量；
●曝气沉砂池
除砂器及砂水分离器定时连锁控制（3台鼓风机）；
●初沉池
初沉池刮泥、排泥系统的定时、连锁控制（1套刮泥机）。
3.2.2二级处理区
●缺氧池
根据DO和氨氮检测仪，控制潜水搅拌机启停及运行时间（2套DO检测、2氨氮检测、4台潜水搅拌机）；
●三相好氧流化床
根据DO和总磷检测仪，控制污泥回流泵和混合液回流泵的启停及运行时间（2套DO检测、2套总磷检测、6台污泥回流泵、4台混合液回流泵）；
空气流量测量（2套空气流量计）；
回流污泥流量测量（1套电磁流量变送器）；
内回流污泥流量测量（2套电磁流量变送器）；
●二沉池
根据BOD检测，控制污泥到污泥脱水间（2套BOD检测）；
●V型滤池（微絮凝过滤池）
根据计量，控制反冲洗泵的启停及运行时间（2台反冲洗泵）。
4自动控制设备的配置
4.1自控设备的分类
污水厂自动化控制需要的自控设备，包括服务器、计算机（用于监控中心）、监控软件系统（用于监控中心）、软件现场监控站PLC系统（用于各现场控制室）、现场自控仪表（用于各工艺现场）以及监控中心模拟屏（即DLP大屏幕显示系统）。
本次改造工程主要是针对原污水处理厂已经陈旧的自控设备和工艺，对原有控制系统进行全面的更新。
4.2自控设备的配置
我们将对自控设备进行四个部位的介绍，分别是监控中心、模拟屏（DLP大屏幕显示系统）、现场控制站以及现场仪表。
4.2.1监控中心（包括办公局自动化）
4.2.1.1服务器和计算机
原自控系统包括三台计算机，分别为监控计算机2台，管理计算机1台。
机器的配置的CPU主频为166MHz，已经远落后于现在计算机工程的发展，同时其工作稳定性也不乐观。
为了保证新系统的运行稳定性和技术先进性，需要对三台计算机进行更换。
为了系统运行的稳定，需要对计算机进行详细的分工。
要求新系统采用Client/Server形式，借助服务器的稳定性作为系统后端采集监控的主体，新型计算机只作为前端显示和调度厂区的工艺流程。
作为上位监控软件运行的主体，对主要工艺流程内容进行集中监视、显示、报警、数据处理、数据存储、报表打印等进行处理。
要求服务器采用冗余的系统结构，保证单台服务器出现故障时，另外一台能够及时接管系统，保证监控调度的正常进行。
同时设置一台服务器作为办公自动化专用服务器（包括与外网的连接）。
为了节约服务器的安装空间，保证控制机房的整洁美观，我们建议选用美国惠普（HP）公司的机架式服务器，服务器的基本配置如下：
●型号：
HPProLiantDL360G5
●CPU：
双核至强1.86GHz；
●内存：
2G（4×512M）；
●硬盘容量：
不少于146G；
●网络接口：
双以太网接口；
计算机工作站是系统工程师的重要操作平台,同时也可兼作系统的操作员工作站。
系统工程师可以通过该工作站对计算机系统的应用软件及数据库等进行维护和修改，包括对现场控制器的组态以及组态程序的下载、系统诊断、网络的监视和管理等，同时还可以对系统进行二次开发。
计算机的基本配置如下：
●型号：
HPxw4400
●CPU：
P4酷睿双核1.86GHz；
●内存：
1G；
●硬盘：
160G；
●网络接口：
双以太网接口；
作为服务器和计算机的显示节点，将原有的14＂和21＂CRT显示器更换为三星17＂和19＂液晶显示器。
4.2.1.2打印机
监控中心配备2台HPColorLaserJet3800n彩色激光打印机，作为报警/事件打印机、报表打印机。
打印机可直接挂在工业以太网网络上，实现网络打印功能。
同一网络中的任何一台计算机均可通过网络访问任何一台打印机，并实现定时打印，随即打印，条件打印等打印功能，以满足整个系统的所有打印需求。
具体参数为：
●打印机类型：
彩色激光打印机
●黑白打印速度：
21ppm
●彩色打印速度：
21ppm
●最大打印幅面：
A4
●最高分辨率：
600*600dpi
●纸张容量：
输入纸盒:
100页多用途纸盒,250页可调节纸盒
●输出纸盒：
250页顶部输出纸盒
●内存：
标配160MBRAM
●接口：
USB2.0端口,1个可用的EIO插槽,3个主机USB
●附件：
HPJetdirect快速以太网嵌入式打印服务器
4.2.1.3监控软件
监控软件运行在服务器和监控计算机上，主要将采集到的现场信号显示在计算机工艺图上，并根据要求对数据进行分析，根据要求进行报表的生成和输出等工作。
监控软件可以让操作人员很直观的了解全场的工作情况，并根据监控到的数据进行合理的调度。
监控软件的稳定性是监控调度的关键，所以我们选择国外先进的iFIX监控软件，iFIX软件在国内外同类工程中有过丰富的经验，可以保证系统运行的稳定性和技术的先进性。
iFIX软件（中文版）作为上位机系统的工控组态软件，它是由INTELLUTION公司（GE公司的子公司）生产的世界上最为著名的32位软件，它是FIX软件的升级改进版。
iFix软件具有良好的人机界面，具有中文版本，运行环境为WINDOWS，其主要特点和功能如下：
●具有GE等多厂家PLC的通信驱动程序和通信协议。
●iFix软件的核心是一个实时数据库，该数据库能够管理现场的输入和输出变量、内部变量、在线报警状态等实时数值和状态值。
iFix软件的实时数据库占用WINDOWS的虚拟内存地址空间，它能管理多至65000个点（现场I/O和内部变量）和65000个实时报警信息。
iFix软件的实时数据库与iFix模块间的数据交换是基于事件驱动方式和客户机/服务器结构，Windows操作系统的应用程序接口（APIs）可以直接或者通过内部信息队列访问实时数据库。
iFix软件的实时数据库可以同多种数据库进行数据交换。
●iFix软件具有算术逻辑计算和控制功能
iFix提供多种选项以实现复杂的数学计算和控制算法。
iFix内嵌正文语言可完成代数计算，逻辑判断，数学功能和配方管理，而不需专业的计算机编程技能。
同时iFix支持VisualBasic和C语言。
iFixAPI可用VisualBasic编程来实现用于后台处理和用户交互的算法和控制功能。
●iFix软件支持图形用户接口（GUI）
—该图形用户接口可支持高分辨率（1600*1280）和多窗口系统；
—该图形用户接口支持的图形颜色应达到16M；
—该图形用户接口具有丰富的图形库，用户可用一些标准设备如：
鼠标、轨迹球等进行图形的设计、修改和操作；能够使画面移动、整形、旋转、组合、分割、缩放等等，并且用户能够利用和编辑内部的动态符号库，拟使用外部软件做图库，并且可以模拟传统仪表进行画面设计，各画面之间可任意交换有关图形；
—该图形用户接口具有图形的多步放大和漫游功能；
—该图形用户接口支持多种图形形式，包括图象、曲线和布告，用户能模拟现场工艺流程，使画面处于动态显示状态，并可设置所有参数。
可设置软功能键,对功能键可设置有意义的图标，并可对功能键编写命令语句；
—对手动控制操作，从发出命令到流程图上显示时间＜1.5S；
—流程图中状态更新时间<1.5S；
—画面切换刷新时间<2S。
●iFix软件可对监控对象进行参数设置、修改和控制。
此外iFix还提供计算模块、事件多级驱动、多窗口显示、数据记录和报表生成、文件批处理、用户帮助等。
全部用汉字显示人机界面基本参数。
●变量标志。
用户可以对所有数据元素设置标签名，并且所有的名称在系统的应用程序中可以引用。
提供标签表。
●历史和实时数据。
用户通过清晰的交互式的画面展示实时，历史的数据，以指出操作过程的趋势及有关的问题。
●记录和报表功能
实时数据（I/O和报警）可在发生变化时或定时地记录在每日的历史文件中，iFix的内部缓冲区确保数据的高度完整性，即使在极限条件下（多至10，000个I/O点同时在变化）也可防止数据丢失。
iFix支持定时和随时打印报表。
可产生、显示、预览、多种报表，如日报、月报、年报、故障报告、所有状态信号报告、所有单元的维护状况报告等。
●存档功能
I/0点和历史数据存在每日的独立历史文件中，它可保存在本地工作站的硬盘中或网络服务器中，历史文件可用操作系统的应用程序或商用备份软件进行备份和恢复。
●报警功能
—可以用逻辑格式来设计如：
高限、高高限、低限、低低限和其它条件的报警，其值可在线地记录在报警文本中。
—iFix报警可分成高达50，000个安全级别，并且能根据拓扑区组和报警族分组显示出来。
—报警可显示在布告窗口或弹出窗口中，并且可以用不同的颜色表示，可为重要报警定义不同的声音音调。
—报警信息可以记录到历史文件中，也可以通过打印机打印出来，还可以从iFix历史文件中检索。
●连接性和网络支持
—支持客户机/服务器形式，支持服务器冗余和网络冗余，同时支持在线和离线组态。
—iFix支持多种网络组件，包括Novell、LAN服务器和TCP/IP等等。
—可以与已有的数据库、数据表格和其它的用户程序集成在一起。
—iFix的虚拟文件接口（VFIs）能够外接应用程序与iFix的应用程序之间交换数据；
—iFix的应用编程接口（APIs）允许用户直接从用户程序或应用模块中访问iFix的数据；
—iFix支持动态数据交换（DEE）以在两个独立应用之间交换数据；
—运用iFix的SQL命令以预定义的格式将数据记录到历史数据库中，其它应用可以对其访问。
iFix支持微软公司的开放数据库互连（ODBC）接口，允许iFix存取各种常用数据库系统文件，包括Oracle和Sybase，以及文件系统如dBase和Parodox。
●具有授权及安全性，可设置用户使用权限。
●组态功能，允许以应用软件和系统软件进行在线查询式的菜单驱动组成。
并允许为系统的过程监视、数据更新、报警处理、PLC通讯等进行组态，针对本项目，iFix软件组态和显示类型包括：
—报警总汇。
显示所有存在的报警和所有返回到正常情况下但没有经过报警确认的报警情况：
列出报警表、报警时间，没有确认的报警要闪烁，在报警总汇中，使用单击式进行报警确认；
—工艺和工艺控制图形显示。
主要内容有：
工艺流程、仪表，变送器，开关，调压器，电动阀、符号表、站区平面图、工艺单元控制图、仪表，电缆系统图以及用户要求的其它需显示的图；
—诊断显示：
用不同颜色来显示PLC和上位机的运行状态（在线、离线、故障），支持高分辨率彩色图形显示系统，显示颜色16M，有先进的作图工具和完善的图形编辑能力；
—支持功能键、鼠标器、打印机、绘图机、调制解调器等外部设备；
—能进行实时数据和历史数据分析，可以定期存贮过程数据；
—具有故障报警及打印功能；
—能够自动生成报表；
—具有历史数据恢复及趋势图显示功能；
—用户帮助功能。
本系统我们为服务器配置两套开发版iFIX4.0用于系统开发应用，为工作站配置两套运行版iFIX4.0用于节点显示。
4.2.1.4操作系统软件
我们为服务器和工作站提供美国微软公司的视窗产品，微软的视窗产品在全球拥有广泛的用户，市场占有率世界第一，其操作步骤以为广大用户熟悉。
所以我们为服务器提供WindowsServer2003，为工作站提供WindowsXP操作系统。
4.2.1.5数据库软件
数据库备份着现场实时数据和数据分析数据，稳定性十分重要。
所以我们选用美国微软公司的数据库软件SQLServer2005。
4.2.2
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