自来水控制讲课资料个人.docx
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自来水控制讲课资料个人
自来水控制
自来水概述
自来水是指通过自来水处理厂净化、消毒后生产出来的符合国家饮用水标准的供人们生活、生产使用的水。
它主要通过水厂的取水泵站汲取江河湖泊及地下水，地表水。
并经过沉淀、消毒、过滤等工艺流程，最后通过配水泵站输送到各个用户。
由自来水厂按照《国家生活饮用水相关卫生标准》处理后，用机泵通过输配水管道供给用户使用。
另外，目前国内惠及普通百姓的农村饮水工程，由于地形地势的多样性，很多地方的自来水并不采用水泵输送，这些高山上来的自流水也属于自来水。
由于自来水通过水泵动力或重力势能作用输送后，受到管道结构，特别是蓄水塔与管道的材料（不锈钢金属管，ＰＶＣ等）的影响，由机泵通过输配水管道供给用户的水，往往达不到生活饮用水卫生标准。
自来水来源
自来水是经过多道复杂的工艺流程，通过专业设备制造出来的饮用水。
自来水的处理过程如下：
首先必须把源水从江河湖泊中抽取到水厂（不同的地区取水口是不同的，水源直接影响着一个地区的饮水质量）；
然后经过沉淀、过滤、消毒、入库（清水库），再由送水泵高压输入自来水管道，现在国家规定要用PP管，而不是以前常用的铁管，因为时间一长铁管就会生锈，会造成严重的二次污染；
最终分流到用户龙头。
整个过程要经过多次水质化验，有的地方还要经过二次加压、二次消毒才能进入用户家庭。
现在自来水消毒大都采用氯化法，公共给水氯化的主要目的就是防止水传播疾病，这种方法推广到至今有100多年历史了，具有较完善的生产技术和设备，氯气用于自来水消毒具有消毒效果好，费用较低，几乎没有有害物质的优点。
但我们经过对理论资料了解、研究，认为氯气用于自来水消毒还是有在一定的弊端。
氯化消毒后的自来水能产生致癌物质，且目前有关方面专家也提出了许多改进措施。
并在大约一百多年前就采用了氯化消毒方法，并沿用至今，成为一种常规消毒方法。
但随着科学技术发展，发现氯化后自来水出现一些令人遗憾的结果！
经过氯化后的水会产生哪些物质？
这些物质会影响人体健康吗？
如何才能得到既清洁又安全的饮用水？
在现阶段，消毒剂除氯气外，还有二氧化氯，臭氧，采用代用消毒剂可降低有害物质的生成量，同时提高处理效率。
过滤后的水要进行消毒，消毒剂用氯气。
氯气易溶于水，与水结合生成次氯酸和盐酸，在整个消毒过程中其主要作用的是次氯酸。
对产生臭味的无机物来说，它能将其彻底氧化消毒，对于有生命的天然物质如水藻，细菌而言，它能穿透细胞壁，氧化其酶系统（酶为生物催化剂）使其失去活性，使细菌的生命活动受到障碍而死亡。
次氯酸本身呈中性，容易接近细菌体而显示出良好的灭菌效果，次氯酸根离子也具有一定的消毒作用，但它带负电荷而难于接近细菌体（细菌体带负电荷），因而较之次氯酸，其灭菌效果要差得多，所以氯气消毒效果要比采用漂白粉消毒更佳。
目前世界上安全的自来水消毒方法是臭氧消毒，不过这种方法的处理费用太昂贵，而且经过臭氧处理过的水，它的保留时间是有限的，至于能保留多长时间，目前还没有一个确切的概念。
所以目前只有少数的发达国家才使用这种处理方法
自来水控制原理
通过水泵直接将水压上高楼，或将水输上水塔，由于水塔高于楼，利用U形管原理，使得水从每家的水管流出。
控制概述
城市供水是一项科学化、系统化的工作，城市供水量受多种因素的影响，其用水量的变化要求水厂的供水量应进行相应的调整。
系统最优化的控制方案，就是要根据水厂不同时期、不同时间段的用水需求设计供水量曲线，采用专家智能调度系统，合理调度水源，既满足供水需求，又节能降耗。
达到降低成本、节约资源、提高企业经济效益、科学管理的目的。
为满足这样的控制要求，实现相关的技术功能。
为了保证系统安全可靠的运行，实现最大的节能效果，在系统设计和元器件的选型、网络结构的设计方面作了充分的考虑，采用集中监控、管理，分散控制的集散型系统，把安全可靠放在系统设计的第一要素。
控制设计原则
在控制系统设计时，遵循以下系统设计原则：
可靠性原则：
可靠性原则是针对控制系统的稳定性和安全性而言的，从系统硬件设计到软件设计都必须考虑其可靠性。
科学性原则：
科学性原则是指控制系统中选用的设备、PLC等产品都属于目前国内和国际上的主流产品，同时，控制系统的结构是合理的，具有行业针对性的。
经济性原则：
经济性原则是指在设计控制系统时，从元器件品牌的选择上，采用合理的配置，注重整体的效果，而不是一味选择高价格的配置。
毕竟，成本是项目实施中非常重要的一个因素。
另外，从控制角度实现节能降耗。
先进性原则：
先进性原则是指在系统科学设计和元器件经济合理的前提下，要尽量保证控制系统符合国际上自动化控制系统的发展方向，保证本控制系统在5-10年内仍属于比较先进的控制系统。
系统的可维护性设计
在系统设计和元器件选型时，我们必须考虑以后系统维护的方便快捷，而且作为一个重要的指标来衡量系统设计的成功与否。
系统的维护设计遵循以下几个方面的原则：
“实用、先进、可靠、经济”，结合生产运行、管理、安全因素。
分散风险，局部故障不影响整体运行，迅速排除故障，采用通用器件和标准件，保证备件来源。
应用先进技术、硬件配置符合国际标准，运行稳定，适应性强，设备器件配套齐全，系统容量易于扩充。
具有良好的互换性和通用性，易于管理。
低压配电控制
水源井控制系统配置及功能
各水厂水源井软起动控制系统均相同，下面仅以单台设备配置说明其功能。
其控制原理如下所示：
水源井的工艺过程控制
本工程水源井控制系统是由软启动器和PLC控制系统组成，具有工频旁路功能。
通过通讯网络把采集到的数据传输给中央监控站，并执行水厂中央监控站发出的控制命令，实现对水源井的控制功能。
工艺要求，水源井的控制要根据清水池的液位、管网的压力、每台泵的状况、运行时间、供水的高峰低谷情况等多种变量，来共同决定水源井水泵的工作情况及投入运行的台数。
避免水泵的频繁起停，依据清水池的液位下降速率，进行计算调节，保证供水的正常。
根据平均进水量和出水量的差值，计算水位的下降速率，确定水泵的开停数量，确保清水池的液位在正常的范围，保证整个工艺设备的正常运行。
1选择水泵总扬程的计算：
因高温深井泵叶轮浸入水中工作，故不考虑吸程，泵的总扬程为：
H=H1+H2+V2²/2g+h
式中：
H1—动水位到泵座出口测压点的垂直距离（米）；
H2—泵座出口处压力表读数乘102（米），（压力表单位为MPa）；
V2²/2g—泵座出口测压点处动能水头（米）；
h一井内泵管的沿程损失（米）。
2.水泵扬程计算公式
head,H为单位质量液体流经泵后获得的有效能量。
是泵的重要工作能参数，又称压头。
可表示为流体的压力能头、动能头和位能头的增加，即
H=（p2-p1）/ρg+（c2-c1）/2g+z2-z1式中:
H——扬程，m；
p1，p2——泵进出口处液体的压力，Pa；
c1，c2——流体在泵进出口处的流速，m／s；
z1，z2——进出口高度，m；
ρ——液体密度，kg／m3；
g——重力加速度，约9.81m／s2。
水源井系统配置（单台）：
地点
水源井
配置
软启动器1套
PLC控制器1套
电量模块1套
液位变送器1套
超声波流量计1套
电磁流量计
电磁流量计是应用导电体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测电动势来反映管道流量的原理而制成的。
其测量精度和灵敏度都较高。
工业上多用以测量水、矿浆等介质的流量。
可测最大管径达2m，而且压损极小。
但导电率低的介质，如气体、蒸汽等则不能应用。
超声波流量计
超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的速度等于被测介质的平均流速和声波本身速度的几何和的原理而设计的。
它也是由测流速来反映流量大小的。
超声波流量计虽然在70年代才出现，但由于它可以制成非接触型式，并可与超声波水位计联动进行开口流量测量，对流体又不产生扰动和阻力，所以很受欢迎，是一种很有发展前途的流量计。
超声波流量计按测量原理分可分为时差式和多普勒式
利用时差式原理制造的时差式超声流量计近年来得到广泛的关注和使用，是目前企事业使用最多的一种超声波流量计。
利用多普勒效应制造的超声多普勒流量计多用于测量介质有一定的悬浮颗粒或气泡介质，使用有一定的局限性，但却解决了时差式超声波流量计只能测量单一清澈流体的问题，也被认为是非接触测量双相流的理想仪表。
水源井系统控制功能
●数据采集功能：
电流、电压采集、流量采集、地下动静态水位采集。
●通讯功能，将采集数据上传，也可接收中控室命令进行参数修订与设备起停控制。
●具有远程/就地切换功能。
控制系统设置三种控制模式：
手动控制模式、自动控制模式和远程控制模式。
在正常情况下，以远程控制模式运行。
如果由于某现场控制站的网络链路发生故障时，则泵站进入自动控制运行模式。
在设备检修或自控设备发生故障时，采用手动控制模式。
控制级别由高到低为：
手动控制、遥控控制、自动控制。
●故障报警功能，当设备有故障时，系统自动进行保护并将故障上传中控室。
●电机的保护：
在不同的工作方式下，对电机采用不同的保护方式，软启动控制时，通过软启动可对负载进行过流、过压、欠压、缺相、过载等各种保护，在工频旁路工作状态通过热保护和断路器对电机实现保护。
●液位工作方式：
根据液位高低作为主要的工作指标来控制水泵的运行。
针对水厂水源井的工艺要求，按照预先存储在PLC中的程序，根据当前水厂蓄水池的液位，自动控制水泵的开启台数，使水厂蓄水池水位保持基本稳定，以节能方式控制运行。
●节电工作方式：
根据用电的高峰和用电的低谷来控制水泵的开停。
夜间用电低谷时电价便宜，使进水量大于出水量，在临近低谷时，清水池蓄满水。
在白天用电高峰时，使出水量略大于进水量，在不低于低水位的情况下，尽量少开水泵，使清水池起到蓄水作用，以最大限度的节约生产消耗，降低生产成本。
加压站供水机组配置及功能
各水厂加压泵的控制基本相同，其工艺控制过程和控制原理如下所示：
加压站的工艺过程控制
工艺要求通过自控设计，实现水厂自动化管理，根据管网内用水的实际情况，自动调整供水流量和压力，使水泵运行达到节能高效的最佳工况；通过远动自控方式实现水源和水厂的联合调度。
加压泵的控制主要根据出水管道上的压力和流量对加压泵变频转速输出进行闭环控制，保证出水管网的恒压。
同时在水厂清水池上安装液位计，根据清水池水位，为水源井水泵运行台数提供依据，调节水源来水水量，并保护加压水泵，防止水泵干转。
根据每台泵的实际运行时间，多台水泵自动循环工作，避免单台泵连续运行时间过长，磨损严重，而其他水泵长期不运行，严重的腐蚀。
尽量使所有的水泵均衡的使用。
根据用户的实际需要和实际的工艺特点，可通过上位机和编程设备，确定单台水泵连续工作的最大时间和单台泵停止的最大时间和单台泵连续休息的最长时间，也就是，运行时间较长的水泵先停，运行时间较短的水泵先开，使每台水泵的运行时间大致相同。
根据水厂出水水压变化以及用户用水量变化情况，自动调整加压泵工况和开停台数。
对清水池各控制液位进行监控和报警，并与水泵运行联动控制。
加压站系统配置：
地点
水厂加压站
配置
变频器控制系统（根据水泵台数，）1套
PLC控制器1套
电量模块（根据水泵台数）1套
压力变送器1套
超声波流量计1套
液位变送器1套
水厂加压站系统控制功能
●数据采集功能：
电流、电压采集；压力、流量采集；变频转速采集与控制。
●通讯功能，将采集数据上传，也可接收中控室命令进行参数修订与设备起停控制。
●具有远程/就地切换功能。
控制系统设置三种控制模式：
手动控制模式、自动控制模式和远程控制模式。
●故障报警功能，当设备有故障时，系统自动进行保护并将故障上传中控室。
●系统压力的设定功能：
针对本系统的特点，系统的压力设定采用远程上位机根据实际情况设定或现场无级旋钮手动设定两种操作方式。
操作员通过现场控制柜上的设定旋钮可以人为设定，也可以通过远程计算机进行设定，也可根据用水情况，进行程序自动修正设定，实现节水、节电的效果。
系统根据设定值和压力传感器采集的实际压力信号，经过PID运算后实现恒压供水，系统可以根据出水压力和流量等运行参数自动调节出水压力和流量。
●电机的保护：
在不同的工作方式下，对电机采用不同的保护方式，变频工作状态，通过变频器可对负载进行过流、过压、欠压、缺相、过载等各种保护，在工频工作状态通过热保护和断路器对电机实现保护。
●节电工作方式：
根据用水量的大小，即供水流量及压力参数，自动控制水泵的开启数量和运行频率。
实现供水量的供需平衡。
最大限度的节能运行。
●缺水保护功能：
负载运行时，清水池水位必须保持一定高度，为防止水位低于一定值，水泵由于缺水空转而导致损坏。
系统自动工作时具有缺水保护功能，缺水时系统水泵停止运转；同时系统进行声光报警。
●针对检修的设计：
系统设有专用检修开关，在系统运行过程中水泵的检修是不可避免的，为了在某台水泵的检修过程中不影响其他水泵的正常巡检和定量的切换，通过检修开关可以随时切除和投入对应的水泵。
保证系统的连续工作，这样可以实现相互备用的使用效果。
●巡检功能：
针对具有备用泵的情况，为防止某台水泵负载由于长期不运转发生锈蚀，系统设置巡检功能。
●定量投入功能：
当一台变频控制的负载不能满足管网压力需求时，系统从而保证系统供水压力的稳定和供水流量变化。
远程测控单元RTU
对于水厂测控单元，其主要与现场控制设备和现场仪表通讯，并具有远程通讯接口，将现场数据集中送至中控室。
测压点RTU主要将现场压力数据通过无线的传输方式送至中控室。
它们同时也接受中控室下发的指令实现远程控制。
无线数据传输终端，GPRSDTU
显示仪表
压力传感器
其工作原理如下：
功能特点：
●遥测遥控遥信：
远程测量各站点的状态参数。
●网络联接：
系统具有标准的通信协议，可方便地联入其它计算机信息管理网络。
●远程设定：
可远程设定各站点的工作参数。
●突发报警：
各站点具有独立工作能力，故障自动发出报警信息。
●数据保持：
具有数据掉电保护功能,可长期保存设定参数,
●通讯介质：
无线电台、光纤、手机网络、电话线、专用双绞线等多种通信方式。
控制系统抗干扰措施
本控制系统采用了如下几方面的抗干扰措施：
●系统现场控制站的所有数字量输入/输出模块、均采用隔离，将现场各种信号与系统背板总线隔离。
●系统现场控制站的所有模拟量输入/输出信号电缆均采用屏蔽电缆，其屏蔽层在控制柜侧一点接地，消除了空间干扰。
●系统现场控制站的控制电缆、信号电缆与系统动力电缆应分开布线，保持一定的间距。
使用金属管穿线，并将金属管良好接地。
●系统的控制电源设计采用浪涌抑制器，可防止来自电网上的超高压、欠压、浪涌、尖峰脉冲干扰。
上位机监控系统
系统通讯网络结构
本工程自控系统从工程的实际情况及工艺要求出发，根据水厂各生产环节，按工艺及地理位置布局要求，采用分布式控制方案，在每一生产区域设立现场控制站，完成对本区域内设备和过程的监视、操作和控制，各站和中心站通过可靠性高和实时性强的通讯设备连接，实现对等通信，达到集中管理和分散控制的目的。
设中心监控室一个，三个水厂作为现场控制站负责现场数据的采集和控制，同时把采集到的数据传送给中心监控站，并执行中心监控站发出的控制命令；中心监控室对一水厂、二水厂、三水厂进行集中监控，显示设备的运行状态，修改部分工艺参数，对报警和各种报表的自动记录和打印，关键数据的历史记录的保存，各种参数的瞬时和历史曲线的显示。
实现对水源井的遥测、遥控功能。
保证整个控制过程的连续性和安全性并实现供水的合理调度。
系统的通讯网络结构：
由于中控室设在二水厂，与一水厂距离较近，因此一水厂、二水厂与中控室采用光纤环网通讯，光纤采用单模光纤。
中控室与三水厂距离较远，采用虚拟专用网络的通讯方式。
中控室与各测压点采用无线电台数据传输方式。
中控室与各水厂的通讯
一水厂、二水厂与中控室距离大约500米，采用环形光纤网进行数据传输，系统支持冗余环配置，保证了通讯系统的高度可靠性。
实现了数据的实时采集与控制，采用光纤传输抗干扰性强，不易受电磁波及其它信号的干扰；所配光端机具有在线错误侦测、故障定位能力。
具有故障自愈和通讯自恢复；具有同步出错跟踪和多点故障管理功能。
三水厂离中控室距离较远，不易敷设光缆。
同时考虑其传输数据量大，采用虚拟专用网络进行数据传输。
局端设备和用户端设备之间通过普通的电话铜线连接，无须对线缆进行改造就可以实现宽带接入。
它是虚拟网络技术。
在固定的IP地址下独享网络带宽。
采用VPN安全网关有如下特点：
●具有很高的传输速率；
●集成了防火墙、传输和加密等功能，可以在全动态IP的广域网络（INTERNET/城域网）上使用，独享带宽，安全可靠。
●支持ADSL、光纤、固定IP等多种接入方式，支持星形、网状等各种网络拓扑。
●使用加密算法保证数据的完整性。
中控室与各测压点，水源井的通讯
电台
特点：
1功能先进，体积小，功耗低
2发射功率1~~10W，可编程设置，所有技术指标达到欧洲工业标准，并符合欧洲RoHS环保标准
3数据专用频段（220—240MHz），自动调谐。
4工作温度范围：
-—40度~~+70度，电容兼容性强，适应严酷的工作环境。
由于各测压点，水源井的位置布置较分散，数据传输量不大，与中控室的通讯采用无线电台传输方式。
网络通讯结构如下图所示：
无线电台通讯是应用于系统分站距离中心控制室较远、分布范围不集中且线路难以敷设的控制站。
它是数传电台将现场测控单元采集得数据通过透明传输协议上传给中心监控站，达到实时监控的目的。
采用超短波数传电台作为传输信道。
组网灵活、维修方便、运行费用低。
传输频率为230MHZ左右频带范围。
上位机监控功能
上位机工作站监控系统的功能有三大类：
第一类是管理功能：
即生成全系统工艺流程，提供清晰、友好的人机界面，生动形象地反映工艺流程的实时数据，完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。
生成、打印各类生产运行管理报表。
设置多层保护密码实现系统安全管理，并根据权限设置不同，对相应权限的设备进行控制。
第二类是对设备的监控功能：
即在基于图形和菜单的方式上，操作人员可以在中控室监视各设备运行状态和对设备进行控制。
同时可对系统的软件进行组态、调整，满足水厂的运行要求。
通过通讯系统检测每个水源井控制站的信息及数据。
根据用水量、水池液位、供水压力以及用水高低峰情况，进行分析统计，自动作出优化节能运行决策，实现供水量的供需平衡。
第三类是通讯功能：
上位机工作站监控系统与现场站之间的通讯。
下面具体阐述各类功能：
1、系统画面显示与控制功能
在中控室的微机系统中，为了便于直观的了解到整个水厂的生产流程，显示检测到的实时数据，动态实时地显示工艺流程、各主要工艺设备运行状态、各处理环节的工艺和电气等生产数据。
动态图为展开式画面，拟设计以下图形画面。
●菜单画面
●水厂和水源地平面图
●工艺控制图
●报警总貌画面
●趋势曲线画面
●帮助画面
●通讯系统图
●单元控制图
●
●
●
●
●
在上述画面中显示系统各设备、单元的运行状态以及全部过程参数变量的状态、测量值、设定值、控制方式（手动/自动状态）、高低报警等信息。
为了便于管理，系统设置了访问控制权限，避免错误的操作造成的损失。
系统设有帮助菜单，包含了使用手册的全部内容，对每个操作具有明确的解释，可以全面浏览，也可以根据关键字进行查询，以快捷的方式得到相关的帮助信息。
或通过点击“？
”键，随时得到帮助。
操作员可从单元控制画面调出任一变量（模拟量或离散量）的详细信息。
对各模拟回路可以手动改变设定值，输出值，控制方式等，对离散量可以手动操作设备的开启和停止、画面显示指令状态和实际状态。
2、报警管理功能
操作员可通过画面观察正在发生的报警，也可以通过系统中的声音报警，提示操作员报警正在发生。
显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色来区别，对重要工序发生的报警，可以在组态时定义其重要度，实现优先报警和强制报警，当报警信息发生时，无论系统工作在何种状态，屏幕上都出现醒目的报警信息，并驱动现场操作单元进入安全运行状态。
可以在报警记录中查询详细的报警信息，未经确认的报警处于闪烁状态。
报警确认按钮。
并以醒目的标志提示报警信息的发生。
并传送到打印机打印出来。
3、趋势曲线功能
系统具有显示模拟量采集点趋势曲线的能力，所有曲线均分为历史曲线和实时曲线。
既可以单独显示，也可以同屏显示，显示的时间区段可以根据需要随时调整。
并在同一坐标轴上显示多个变量的趋势记录曲线，用户可以选择不同的变量，用不同颜色、线条和时间单位，来表示不同的变量。
对数据轴进行放大和缩小显示，实时趋势显示的时间1～10秒可选，历史趋势显示的时间1分～24小时可选。
对趋势记录曲线进行分析。
比如，在一个坐标上可同时显示进、出水流量、水池液位、压力值分析曲线，使操作人员对水厂的工作情况有一个直观的了解。
操作人员也可以方便的查询任意一段时间的某种变量的曲线。
设定曲线包括：
●流量曲线
●压力曲线
●液位曲线
●电量曲线
4、报表功能
报表数据的收集是按照用户定义的时间间隔，自动控制进行，报表软件将自动产生所有的标题和表头。
并设报表备份功能。
报表的数据来自历史数据库。
可以调用以前记录的任何一天的报表数据。
报表采用中文报表。
包括班、日、月、年报表，图表和曲线。
系统支持对报告和屏幕拷贝的打印。
设定报表包括：
●日报表
●月报表
●年报表
各类报表既可以屏幕查看，也可以按时自动打印输出。
5、打印功能
中控室设打印机1台，做为报警、图形、曲线打印。
打印过程既可按时间间隔设定定时打印，也可以由事件激活，或者由用户召唤随机打印（通过画面中的热键）；图形及曲线打印机通过画面中的热键，由操作员控制。
支持对报告和屏幕拷贝的打印。
6、数据存储功能
数据库存储，采用大容量的磁介质存储器，根据系统的刷新速度，系统保存一年以上的数据量设计存贮器大小，并留有存储器扩展接口。
系统支持历史数据的记录存档，硬盘数据可转存到软盘或光盘上，对具有统计意义的关键数据，长期保存，存储的数据资料用于生产调度和预报参考，对控制系统报警、联锁、操作指令的变化等事件及其日期、时间作为历史数据加以储存。
可以设定记录起时时间，数据记录时间，存储路径。
系统可将每个采集到的变量的有关信息，存入实时数据库，或历史数据库。
作为历史趋势曲线使用的数据变量。
可以将数据扩充至外部存储设备保存，数据库具有开放式的结构，可是实现数据库数据动态数据交换。
支持DDE等通用的数据交换协议。
支持建立在标准以太网环境下的客户机/服务器的体系结构，可以实现数据库的共享。
存档的数据及在线历史数据一起应用到系统的趋势功能中，用户在调用在线数据的同时，对存档数据的调用是透明的。
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