绿色建筑的水处理控制

■Ｏｕｒ　Ｅｙｅｓ本期关注　绿色建筑的水处理控制　文１上海宝信软件股份有限公司　胡云　随暑茎　喜　妻　查、登记、规划、开发利用、供水过程到用水、　污水处理及回用、水资源保护等方面实现精细　化、整体化管理。建立起以行政、经济、法律、　科技等多种手段相适应的现代水资源管理系统。　自动化控制与信息系统是实现水资源保护、绿　色环保、水资源综合利用不可缺少的重要工具。　运用各种高新科技手段，对水资源及　相关的大量信息进行实时采集、在线分析、　传输及管理；以现代水资源管理理论为基　础，以计算机技术为依托对水资源进行实　时、优化配置和调度；以远程控制及自动　化技术为依托对水资源工程设施进行过程　控制操作。充分掌握所在地区水资源供需　状况，建立相应的资料库和水量、水质模　型、供需水模型及生态环境分析模型等。　１水处理控制系统体系结构　１．１体系结构　水处理自动化控制系统的构成按照具体　的处理对象、应用要求以及范围有所不同，　但是，其基本形态均遵守工业计算机、控制　器逻辑单元和自动化仪表组成的多级分布式　架构。从层次角度上看，水处理自动化控制　系统结构通常包含：现场仪表、控制系统、　调度控制与应用三个层次。　１＿２功能说明　现场仪表和设备层包括监控对象、监测　仪表、监控状态以及其他仪表等。控制对象　包括：各种水泵、闸门、格栅除污机、电动　执行机构等；监测仪表主要包括两大类：一　类属于监测生产过程物理参数的仪表，如检　３２智能建筑与城市信息２０１１年第３期总第１７２期　测温度、压力、流量等。另一类属于智能分　析检测仪表，应用于水质分析的浊度、ｐＨ值　等；还有一些用于某个特定目的分析处理的　仪表，如移动目标监测等．　控制层是完成现场设备的监测与控制命　令的执行，也可以接受上层指令对现场设　备进行控制的设施。通常采用标准网络接　口或者其他通信电缆与上层设备相连．．设　备控制层是控制系统发出控制命令、执行　控制动作的核心单元，通常由若干套现场　逻辑单元组成　每套控制单元控制若干台　执行机构或者监测若干台仪表、状态接点，　现场控制单元通常由ＰＬＣ、ＤＣＳ和为了控　制现场设备的接触器、断路器、显示仪表、　执行机构一、二次回路、按钮以及选择开　关等电气设备构成。　调度控制与应用层是整个自动化监控系　统中最上层，是所有现场仪表、状态监测数据、　信息汇集与处理中心，同时也是现场各种控　制单元执行命令的发出地点。从系统的角度　出发，调度应用层接收所有现场状态，根据　工艺和流程要求对控制节点上的每个设备进　行控制。另外，该层次应该具备与调度、操　作人员良好的接口，并能修改各种控制工艺　流程。调度层必须满足如下要求：　◆系统能直接向现场控制单元下达调度　指令，系统运行必须考虑现场的安全性。允　许用户根据需要设置调用联动预案的事件源；　◆能提供多种子系统的联动操作动作及　多种联动信号源，供操作人员选择，以形成　新的系统联动预案；　◆设备动作或者报警信号能自动关联到　其他设备联动，并直观的在操作显示屏上弹　出该设备的操作界面；　◆系统要求远程调度必须和对应被监视　设备图像信息联动。　通信网络：　处于不同范围内的仪表、控制　单元和计算机处理有机的联接在一起。现场仪　表采用标准的接口与本地控制单元相连接，现　场控制单元与控制设备之间采用直接或者通过　变频设备相连接。若干套现场控制单元可以采　用现场总线或者标准的网络接口互联。计算机　网络是实现数据服务器、操作工作站、应用通　信以及与现场控制单元互联的最佳选择。　２城市供水自动化控制系统　城市供水自动化控制系统集仪表、通信、　网络、控制、调度与应用于一体的一套完整系　统，系统完成对供水系统整个过程的控制，包　括生产数据的采集、设备控制、数据传输、远　程控制等。自来水处理是城市供水系统中的重　要环节，处理过程相比较其他两个系统更为复　杂，它是由处于不同的现场设备的运行，大量　的数据采集和反馈处理系统综合而成。其自动　控制系统，完成对取水泵站，加药加氯、公共　冲洗、送水泵站等关键环节进行控制，从而有　利于提高水处理系统的性能、产能和可靠性。　城市供水自动化控制系统由中央控制室、　现场控制分站和通信网络组成。现场控制分站　由ＰＬＣ或ＲＴＵ、现场检测仪表组成，完成对　工艺参数和设备运行状态的采集和储存，并与　上级计算机通信。　调度系统完成所有供水系统自动化控制　与监测的集中调度与管理，从水源取水控制　开始到输送水管路的所有参数，自来水处理　能力以及各种关键监测点的数据，按照经济、　社会、节约等集中分析，进行全过程化的控　制与调度。调度系统包括如下内容：　◆优化调度取水：根据天气、水源地情　况、通过模型计算，专家系统分析和人工校核，　制定出少开停机次数、流量波动率最小的优　化调度供水计划：　◆经济运行分析：通过动态模型分析，　在满足供水能力的情况下，制定出最经济的　运行方案；　◆流量平衡和流量控制：按照用水需求，　在现有的输送水能力下，根据水力模型计算　出上下游泵站开停机台数，使整个输送水系　统在流量平衡状况下安全高效：　◆事故分析与处理。　３污水处理自动化控制系统　污水处理厂自动化监控系统用于污水处　理全过程的实时监控和调度管理。控制结构　由监控中心和二级分控站组成。其应用从简　单的逻辑控制到复杂的分散化控制，系统要　求遵循“集中管理，分散控制，数据共享”　的原则，具有适应性强、可靠性高、开放性好、　易于扩展、比较经济等特点。　自动化控制系统满足污水处理厂运行　管理和安全处理的要求，即生产过程自动　控制和报警、自动保护、自动操作、自动　调节，提高运行效率，降低运行成本，减　轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺　流程中的重要参数、设备工况等进行计算　机在线集中实时监测，重要设备进行计算　机在线集散控制，确保污水处理厂的出水　水质达到设计排放标准。　３．１系统结构　污水处理厂自动控制系统采用计算机＋　ＰＬＣ＋现场仪表构成的分布式控制系统，系　统设置一个监控中心和若干个现场ＰＬＣ控制　站，按照调度应用、控制层和现场测量仪表　模式。控制中心计算机设备与现场控制单元　之间通过工业以太网通信。监控中心由数据　库服务器、工作站、网络交换机、打印机、　不间断电源、投影仪等组成。现场控制单元　由ＰＬＣ、工控机、触摸屏、打印机、不间断　电源、操作台、辅助继电器柜、高低压开关柜、　ｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ＆Ｃｉｔｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　２０１　１　３　Ｎｏ　１　７２　３３　ｉ　Ｏｕｒ　Ｅｙｅｓ本期关注　机侧控制箱等组成。　３．２功能要求　◆数据采集：采集全厂各个生产过程的　工艺参数、设备运行状态和电气参数等；　◆图形功能：显示全厂平面图、工艺流　程图、局部工艺流程（剖面）图、供电系统图等，　具有图形编辑功能；　◆控制功能：手动操作（如开／停机操作）　和自动操作，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；　◆安全操作：提供的用户管理器允许设　置用户权限；　◆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；　◆自动生成的生产报表（班／日／月）供　生产管理之用，存储一年的信息量；　◆系统留有网络接口用以办公自动化系　统和管理信息系统的连接。　４中水回用系统　所谓中水，主要是指城市污水或生活污水经　处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重　复使用的非饮用水，其水质介于上水与下水之间，　是水资源有效利用的一种形式。因为它的水质　指标低于生活饮用水的水质标准，但又高于允许　排放的污水的水质标准，处于两者之间。中水回　用是解决城市水资源危机的重要途径，也是协调　城市水资源与水环境的根本出路。　４．１中水回用的控制　４．１．１系统构成　中水回用的自动控制系统架构和污水处理　自动化部分完全相同，分现场仪表、现场控制　单元和监控中心。现场控制单元的数量与中水　３４智能建筑与城市信息２０１１年第３期总第１７２期　回用规模以及生产工艺流程密切关联。在控制　系统中，现场控制单元控制废水处理成套设备、　水泵、电动阀门等，并接收现场仪表的监测数　据。通信网络实现控制单元和监控中心管理与　调度计算机之间的链路。在目前的控制系统中，　摄像机起到远程对现场的直观了解。　现场控制单元一般由ＰＬＣ或者ＤＣＳ为　核心的部件，外加保护设备、短路器、交流　接触器、继电器、电量采集与显示仪表等组成。　现场处理软件完成本端设备的控制，同时负　责与上级监控中心的联络。　４．１．２系统主要功能　（１）监视系统内每一个模拟量和数字量。　对原水、浓水、产品水的流量、压力、水温、　电导率、浊度、氧化还原电位以及ｐＨ值等　检测显示；泵电机启动停止、运行状态、电　压电流的监控；自动阀门开关状态，条件连　锁；系统开机、运行、停机流程的自动运行，　正常状态下不需要人工干涉，避免操作失误。　（２）异常数据显示并自动弹出报警画面　确认报警。对于系统所有的异常数据，均有　报警画面和数据的闪烁提示；泵电机运行状　态的不正常，工艺设备的故障状态等，都可　弹出报警画面及故障确认报警画面。　（３）建立趋势画面并获得趋势信息。所　有的流量、压力、温度、电导率、浊度以及　ｐＨ值模拟量显示等都可以建立立式画面及趋　势画面，并长久保存在上位计算机内，可以　随时调出查阅，方便生产管理和运行维护。　（４）调整过程设定和偏置等。所有过程　值，如原水进水流量、淡水出水温度、高压　进水压力等都可实现手动、自动在线调整。　所加药剂的配方可以根据需要保存在计算机　内，并根据配方自动按比例加药。　５水处理监控系统实施　５．１自控系统的设计　自动化控制工程与水处理基础工程密切　配套，其应用要求、规模以及安全等级均需　要与基础工程相适应。因此，在基础工程确　定后必须组织对应的自动化控制工程方案进　行初步或者详细设计。水处理自动化控制系　统原则上包括监控中心和闸站端，监控中心　的设计内容必须包括：　◆中心站系统的功能设计；　◆监控中心的结构设计；　◆通信网络设计；　◆视频监视系统设计：　◆主要设备（含仪表）的技术指标；　◆系统电源和外围设备（含防雷）的数　量、类型和技术指标；　◆与其他系统的连接方式等。　现地控制单元ＬＣＵ是直接控制和监测现　场设备的单元，进行工艺参数检测、设备运　行工况信号的采集、监测和控制，并向监控　中心进行实时的数据传送。监控中心操作工　作站可调用各现场站的全部运行信息，并控　制现场所有设备的启动和停止。　根据站点设备情况，合理配置现地控制　单元数量，各现地控制单元通过站内网络实　现联网，并进一步联网接入到监控中心系统。　现场控制单元的设计内容：　◆站端功能设计；　◆使用的仪表的设计，包括仪表定位、　性能指标、数量、安装方式等；　◆ＰＬＣ中使用的控制单元的设计，包括　控制单元定位、性能指标、数量、安装方式等。　５．２水处理自动化系统设备安装　水处理的自动化系统设备安装前应外观　完整、附件齐全，并按规定检查其型号、规　格及材质。采集设备的安装位置必须严格按　施工图分布，以防测得的数据有较大偏差。　设备安装时不应敲击及振动，安装后应牢固、　平整。设备的安装固定，不管是在水下或水上，　均应有专门不锈钢支架。架、仪表固定可靠，　电缆由金属软管或者ＰＶＣ管过渡，并有伸缩　余量。检测元件应安装在能真实反映实际输　入变量的位置。因此，自动化控制系统的设　备和仪表主要包括液位计、流量仪、开度仪、　压力计、温度计、雨量计、风速风向仪、各　种水质仪表和ＰＬＣ控制柜，以及与之相关的　各种线路敷设。　５．３水处理自动化系统设备调ａｔ．　自控系统的设备调试、软件编制及仪表　标定由专业人员负责。系统的调试由专业人　员和设备安装人员共同进行。对进入该系统　的各种电气信号应检查核实后才能进入。防　止损伤元器件。对小型机械设备控制回路可　以直接在各种控制模式下操作调试。直至达　到设计要求。对较大机械设备采用回路模拟　操作调试，达到要求后再带机械设备运行调　试。总体调试时由各方面相互配合进行，确　保各种模式下设备控制运行达到要求。该系统　试运行期间的操作监护由专业人员负责，其他　人员必须经培训后才能上岗。　６工程案例（某地供水自动化控制系统）　某地深水井群利用奎屯河周围相对丰富　的地下水资源，将周边可以利用的１０口深井　的地下水，通过管道汇集起来集中供给５个　团场１０万人饮用水。目前，单口井出水量在　６０—８０ｍ　／天，井深２００～２５０ｍ，４ｋｇ工作压　力，日供水１万立方米。深水井分布相对集中，　井群分布在半径３ｋｍ范围内，所有深水井管　道集中到１３号井房旁边汇水池统一向市区供　水，井群设有统一的控制管理室，控制室与　１３号井位于同一位置。水源地分两路供水，　从水源地单独一路向某团供水，其他各个团　部统一有水源地另外一路供水。在各个供水　管道中间设立了若干个增压泵，分别位于不　同管路并在增压泵具备流量和压力监测设备。　所有供水系统设立了统一的井群总控室，井　ｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ＆Ｃｉｔｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　２０１　１　３　Ｎｏ　１７２　３５　■Ｏｕｒ　Ｅｙｅｓ本期关注　群总控室与水源地控制室相距１　２．５ｋｍ左右。　每个深水井均配备了抽水泵房，深水井　的深度和出水量互有不同，各个泵房的抽水　电机功率大体相同，在１８．５ｋＷ～２２ｋＷ之间。　当水源地向各个团部供水的主要管道的中间　设立若干个加压泵，加压泵的功率在３０ｋＷ　左右　每个深水泵均配备了流量计测量抽水　泵的流量，而在１３号井房汇水池有３台水位　计用于检测该水池的水位。　６．１系统结构　水源地所有深水井比较集中，也是本次　控制的主题，所需要控制的对象不仅要实现　数字控制，同时需要将现场的图像采集到水　源地控制室，因此采用专门敷设光纤。增压　泵分布的范围较广，采用敷设通信电缆显然　从经济的角度不是很理想，因此采用租用电　信的无线通信网络（ＧＰＲＳ）。同样总控制室　与水源地相隔较远，不适合专用敷设光纤，　从功能要求，总控制室需要部分替代水源地　监控室的功能，采用无线通信不是很适合，　采用租用电信的专用线路能满足要求。因此，　整个网络是集光纤网络、无线网络和租用网　络为一体的综合通信网络系统　６＿２系统功能　◆数据采集：采用性能适合的ＰＬＣ和　ＲＴＵ，：　各种不同的采集仪表连接到ＰＬＣ并　进行现场数据格式转换并传输到监控中心，同　时要求数据采集的精度和时间在允许的范围　内　对所有监测对象通过监测仪表；　实时数据　和状态进行自动化采集，包括：泵机工作状态、　实时水位、实时流量、现场图像等；　◆控制与调节：监控不仅完成数据采集　同时完成动作的执行，设备要求在监测到设　备异常时能返回引起执行机构的联动；　◆计算机通信网络：将分布在数十公里　范围的监测泵群和增压泵站监测通过无线通　３６智能建筑与城市信息２０１１年第３期总第１７２期　信技术（ＧＰＲＳ）、光纤通信和计算机网络：ｌ奇　所有监测数据集中统一处理，实现数据集中　管理和远程控制；　◆视频监视：通过现场摄像机将视频数　据转换成标准的ＴＣＰ／ＩＰ数据包，传输到监控　中心并在视频监视服务器上展现，保证在远　程控制时对现场充分的了解；　◆综合调度与控制系统：综合调度和控　制是本系统的核心也是节水调度的目的，系　统按照泵群工况、输水管路流量、压力集中　调度供水，对所用水量集中计量，报表生成、　信息查询、统计等；　◆系统可靠性：由于周边环境相对比较　差，如何保证监测和监控设备、通信网络的　稳定可靠是本次需要重点考虑的问题，也是　保证系统稳定基础。　６．３节水效果　◆总站可以根据管理需要，实施查询水　资源消耗和利用情况，对指导实际供水降低　水资源浪费，平衡利用水资源，实时动态监　控起到了积极作用；　◆信息的有效积累；　为调度技术的不断　优化创造条件，优化和提高能源调度的节能　调度水平，用科学的方法对水资源的抽取、　输送分配和消费等活动的全过程，进行的组　织指挥、监督和调节，以便有效地开发和利　用水资源；　◆结算月末结算工作效率明显提高，结　算数据以系统为准，数据准确性明显提高；　◆由于实施远程管理和监控，计量设备　故障时间明显降低；　◆水资源浪费效果明显，输水管路的有　效合格率大大提高；　◆为实现计划、生产技术、设备、供应、　财务、管理等各个环节上，系统地、综合地　进行全面水资源管理奠定基础，充分、有效、　经济合理地开发和利用一切水资源。　圈