基于西门子S7-1500PLC的自来水厂电气自控系统设计

摘要：电气自控系统的设计应全面考虑自控系统的稳定性、用户操作的舒适度、长期运行等特点。基于此，详细阐述了蚌埠自来水厂的电气自控系统设计过程，对自来水厂工艺、系统架构、西门子PLC的选型配置、设备控制、系统调试等进行了具体分析。通过蚌埠自来水厂的电气自控系统设计，总结了自来水厂电气自控设计的流程及设备控制方式，可为今后自来水厂自控系统的设计提供参考。

关键词：PLC;控制柜;工控机;自来水厂;自控系统

0 引言

随着我国城镇化进程的加快，人们对水的需求量剧增，对水质的要求也越来越高，这就要求自来水厂不断提高供水设备的稳定性、可靠性及节能性，为社会生产生活提供有力保障。因此，如何更高效地控制和运行自来水厂自控系统，成为工业控制领域的一个热门课题。

1 项目背景

1.1    项目概述

蚌埠自来水厂本期规模为4万m3/d，其主要生产构筑物包括：取水泵房、稳压井、絮凝沉淀池、V型滤池、清水池、污泥浓缩池、吸水井及送水泵房、加药及活性炭间、排泥池、脱水机房、鼓风机房及加氯间和清水池等。

蚌埠自来水厂自控系统采用分布式集中控制系统，实现全厂自动化控制，配备必要的液位检测、达标水在线检测的三项质量指标（pH值、余氯、浊度）和进出水流量的中控显示，在中控室可以对全厂设备进行远程控制，并随时查看设备运行状态。

1.2    出水水质要求

对原水进行处理后，出厂水水质必须满足国家颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）相关要求。

1.3    自来水厂工艺介绍

1.3.1    工艺流程图

水处理工艺方案为混合、絮凝沉淀+过滤工艺，具体如下：芡河水→混合→絮凝→沉淀→过滤→清水池→二泵房→供水管网。工艺流程图如图1所示。

1.3.2    工艺流程说明

自来水厂通过混合、絮凝、沉淀、过滤、消毒这几个主要步骤来完成自来水的生产。

（1）混合的基本要求是药剂投加后，水流使药剂均匀地扩散到整个水中，即快速混合。

（2）絮凝的基本要求是有良好的水力条件和足够的絮凝时间，本次絮凝形式是常用的网格絮凝。

（3）沉淀的基本要求是有足够的沉淀时间，进出水均匀，池内水流稳定，尽量提高沉淀效率，减少紊动。本次沉淀形式采用目前常用的平流式沉淀池。

（4）过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过粘附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。

（5）水经过滤后，浊度进一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造了良好条件。虽然经过混凝、沉淀和过滤，可以除去水中大多数细菌和病毒，但消毒能起到保证饮用水达到细菌学指标的作用，同时它也能使城市水管末梢保持一定的余氯量，以控制细菌繁殖并预防污染。目前自来水常用的消毒方法为二氧化氯消毒。

2 电气自控系统设计

2.1    设计内容

根据自来水厂工艺要求，配置必要的检测仪表、可编程控制器（PLC）、工控机和通信系统，构成分布式集中控制系统。设计内容主要包括：

（1）中央控制层;

（2）PLC现场控制层;

（3）网络通信层。

2.2    设计要求

监控系统建立在开放型結构的网络环境基础上，系统设计使用符合工业标准的“开放”体系，使系统易于扩充和升级，且满足以下要求：

（1）HMI软件必须具备很强的可靠性及实时性，与整个自动化系统高效、无缝集成。

（2）设计符合标准化、规范要求;广泛采用分布式处理技术，具有良好的可移植性、可扩展性和联网功能;便于功能和系统的扩展及升级。

（3）为了达到高可靠性，两台监控站应互为热备。

（4）具有系统诊断及过程诊断功能，以便在出现故障时及时进行故障定位。

2.3    电气自控系统组成

电气自控系统本着技术先进、性价比高、实用可靠的原则进行设计。本工程采用以PLC为基础的监测控制和数据采集系统，在中央控制室利用工控机对厂内各工况进行实时监控。设备控制层PLC各个子站与上位监控计算机相互独立，可以不依靠上位机独立运行，保证了生产过程的独立性和安全性。

各PLC之间及PLC与中央控制系统之间通过光纤EtherNet（以太网）相互连接。

PLC站与控制室工控机组成局域网，工控机具备友好的组态界面，实现对PLC站的监控，可及时了解现场运行情况，包括各种运行参数的当前值，配电系统、检测仪表和工艺设备是否异常等，实现对现场设备的远程控制调节、工艺检测参数的设定、异常状态的报警和处理功能。同时，动态显示全厂工艺流程、各工段监控画面、工艺及电气设备运行参数图表，绘制各种参数运行曲线，做出趋势分析，供技术人员分析比较，以便确定最佳运行方案。

系统控制级别由高到低为：就地控制、远程手动控制、远程自动控制。离工艺过程越近的控制层具有越高的优先权。

2.4    中控室设备

中控室设备主要包括工控机、打印机、组态软件、拼接大屏等，本次系统组态软件选用的是组态王，性价比很高，功能也很强大。中控室最核心的是两台研华工控机和两套组态王无限点运行版软件。

2.5    现场PLC控制站

本次控制系统包含5个现场PLC控制站，系统总的设计I/O点数为1 090点，I/O分布：1#PLC站（DI：80/DO：40/AI：20/AO：6）;2#PLC站（DI：80/DO：80/AI：20/AO：6）;3#PLC站（DI：80/DO：40/AI：40/AO：10）;4#PLC站（DI：232/DO：120/

AI：40/AO：10）;5#PLC站（DI：120/DO：40/AI：20/AO：6）。

2.5.1    1#PLC站

1#PLC站为取水泵房控制站，包含西门子S7-1500 PLC及模块、电气柜、触摸屏、交换机、电气元器件、安装辅材、成套装配等，PLC模块配置清单如表1所示。

2.5.2    2#～5#PLC站

2#PLC站为沉淀池控制站，3#PLC站为配电间控制站，4#PLC站为滤池控制站，5#PLC站为脱水机房控制站。各站点配置与1#PLC站相似，都是西门子S7-1500 PLC，模块数量略有差异，滤池控制站控制点数较多，所以输入/输出模块的数量也比其他站点多。

2.5.3    PLC品牌选择

本次PLC选用西门子S7-1500 PLC。西门子S7-1500作为迄今为止功能最强大、高性价比的PLC之一，得到了广泛应用。本项目选择S7-1500 PLC的原因如下：

（1）S7-1500 CPU上配置有LED显示屏，可方便地显示CPU状态和故障信息等。

（2）S7-1500所有CPU集成1～3个PROFINET接口，可实现现场级通信和公司网络通信低成本快速组态。

（3）由于S7-1500 PLC可以无缝集成到博途软件中，无论是硬件组态、网络连接和上位组态，还是软件编程，其操作均简单快捷。

3 设备控制及调试

自来水厂自动化控制与现场的工艺联系紧密，本次主要介绍加药系统和滤池系统，其他工艺段设备不再一一赘述。

3.1    加药系统控制

加药系统主要包含以下几种药剂：碱铝、氢氧化钠、次氯酸钠。碱铝药剂主要作用是快速吸附水中悬浮物，起到助凝作用;氢氧化钠药剂主要用于调节原水pH值;次氯酸钠溶液在水中主要水解为次氯酸和次氯酸根，次氯酸有强氧化性，从而可以达到消毒的效果。

加药系统自带PLC控制器，由自控系统PLC负责计算加药量，由加药PLC负责控制药剂制备、加药计量泵启停以及搅拌机启停。

3.2    滤池系统控制

作为自来水厂水处理中间环节，也是自来水厂工艺核心部分，滤池系统由滤池进水、滤池、滤池出水、反冲水池、反冲风机、反冲水泵和滤池配套阀门闸门组成，滤池运行有两种工作状态，即滤池过滤和滤池反冲，在运行过程中，两种状态相互转换。

滤池过滤：正常情况下，滤池进水闸门打开，滤池出水调节阀调节至一定开度，厂区水源从滤池进水途经滤池滤料，最终自流至反冲水池，为保证滤池过滤均衡，通常通过调节出水蝶阀保持滤池液位恒定。

滤池反冲：滤池过滤一段时间后，由于滤料表层对水中悬浮物和浮渣的隔离，水中杂质被留在滤料中，当杂质沉积到一定程度，滤池过滤效率就会大大降低，严重情况下会造成滤池堵塞，这时就需要进行滤池清洗，即滤池反冲。

图2所示为蚌埠自来水厂滤池反冲流程，需要在滤池反冲不同阶段打开或关闭滤池阀门，启动运行反冲风机或反冲水泵。

3.3    系统调试

在调试前，对现场全部场地及设备进行清洁，创造良好的现场环境并防止意外事故的发生。

按照接线原理图和接线表逐一核查设备端和控制柜端的接线是否符合设计要求。接线核查完毕，控制柜和被控设备上电。现场和控制室各一人，现场人员启停设备，控制室人员查看触摸屏显示或PLC上指示灯，每个开关量信号核对4次，即“闭合—断开—闭合—断开”，这样按照接线表，逐一测试各个设备状态信息。

当现场所有设备信号校对正确，即校对完成后，开始单动测试。

现场人员将设备“远程/就地”旋钮旋至远程，控制室人员在上位机手动启动或打开设备，在此期间，现场人员和控制室测试人员确认设备的运行状态变化，最终保证被控设备能控，并且达到预期的控制要求。

在水厂所有设备能正确单动控制后，开始联动测试。

联动测试环节是控制系统测试的最后环节，也是整个仪控系统最复杂和最重要的环节，这个环节需要多方的参与。其中，自控工程师两人，负责中控室和现场测试操作;工艺人员和设备人员配合自控工程师，指导和优化控制系统控制效果;自控工程师根据使用单位工艺工程师要求，调整系统控制算法、参数，使自控系统满足使用单位的管理和维护需要。

4 结语

本文介绍的电气自控系统采用了工业控制领域先进的集中管理、分散控制体系结构，最大程度地保证了整个系统的可靠性。在设计中采用合理工艺、合理布置，尽量降低工程投资，在保证系统安全、稳定运行的前提下，争取获得最大的经济效益。系统配置考虑了适当余量，方便以后扩展。

另外，需要重视的是，程序设计不能闭门造车，在现场要多听业主或相关工艺人员的意见，充分考虑工程实际操作、管理、维护的方便，降低劳动强度。

笔者通过这次自来水厂电气自控系统设计，更全面地了解了自来水厂的自控设计流程和注意事项，在实际实施过程中对方案進行了部分完善，特别是现场滤池控制过程的调整，总的来说，受益匪浅。虽然说每个项目都不可能一样，每个自来水厂的设备或工艺都有所差异，但万变不离其宗，其电气自控系统的架构是相通的，也许选择的PLC品牌不一样，但它们的原理是一样的。本次电气自控系统设计的流程及设备控制方式，可为今后自来水厂自控系统的设计提供参考。

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收稿日期：2021-02-23

作者简介：陈美林（1984—），男，江西新余人，工程师，研究方向：电气自动化。