1  概述

    北京市第九水厂（以下简称九厂）三期工程，是一座日供水达50万吨的大型基础设施工程，投入运行以来在北京市供水系统中有着举足轻重的地位。该工程采用了混合、反应、沉淀、煤滤、炭滤等一系列先进工艺制水系统，配套了高性能（可靠性、灵活性、功能性）的DCS系统CENTUM-CS3000系统，实现了工艺生产的自动化，确保了供水水质、供水安全。

2  WPACS系统的实施

2.1  系统概述及配置
WPACS（Water Process Automatic Control System，水处理过程自动化控制系统）经严格国际招标程序等步骤最终系统定为YOKOGAWA CENTUM-CS3000型。

    CS3000是一综合生产过程控制系统，针对企业生产和管理提供技术支持和方案解决。人机接口（HMI）用品牌机或通用PC机，比原系列增加了开放环境。操作系统用Window NT，提供了对于OPC（OLE for Process Control）（推荐使用）、DDE（Dynamic Data Exchange）等多种数据的支持。组态软件固化在操作系统上，具有专业DCS的监控功能的友好用户界面，操作员可在线监视过程参数、设备状态和进行控制。

    系统基本组成是人机接口站HIS、现场控制站FCS、总线转换器BCV（Bus Converter）、通信网关CGW（Communication Gateway Unit）、远程I/O、实时控制网Vnet、管理网Ethernet及总线RIO Bus（用于LFCS）。

    该系统支持多种子系统通信，有效交互功能使数据输入减到最小，脱离控制站硬件离线调试，可用BUS转换器（converter）与原CENTUM系列方便连接（九厂一期、二期为CENTUM-V型）。

    CS3000配置灵活，系统最小配置为一台HIS、一台FCS；最大配置为256个站（64站/域，可达16域，HIS限制在16站/域），工位数为10万。

2.2  现场控制站FCS

    FCS（Field Control Station）含FCU及插件箱；其中FCU中冗余电源卡、R I/O通讯卡、Vnet连接单元、双CPU卡上冗余CPU（2×2）、过程卡以及电池、风扇、电源插口；插件箱可5个同置于一个节点内（FCS柜内共6个节点）。紧密安装型I/O卡，典型插卡有AAM10和AAM11电压/电流输入型、AAM21mV热电偶型、AAM11脉冲输入型、AAM50电流输出型、ADM12C 32点DI型、ADM52C 32点DO型、ACM12 RS-422/RS-485和ACF11Fieldbus通讯型等。

    组态功能块主要有：PVI、PVI-DV、PID、PI-HLD、PID-BSW、ONOFF、MLD、MLD-PVI、MC-2、RATIO、PG-L13、VELLIM、SS-H/M/L、FOUT、ALM-R、PTC等。

2.3  网络

    该系统为3级网络结构，过程实时数据、监视运行信息和集中管理信息分别运行在不同网络。实时控制网Vnet为冗余令牌总线型，用来连接FCS、HIS、BCV、CGW。双绞电缆传输距离500m，用总线转发器或光缆传输距离20km，传输介质可混用，通信速率为10M bit/sec，网络连接站达64个。

    管理信息网Ethernet遵循IEEE 802.3、TCP/IP和FIP标准，通信速率为10M bit/sec。Ethernet用在HIS之间、HIS和ENG之间以及与其它管理系统之间的通讯，它不同于Vnet，存取信息、发送趋势数据，是站间不可缺少的局域网。

    远程I/O总线RIO Bus（用于FCU与I/O Node相连），通信速率为2M bit/sec。

    Fieldbus用在与现场设备（field devices）双向数字通信，取代了广泛使用的4~20mA标准通信方式，一根双绞线可连接多台设备，从而减少导线投资。利用协议传输提高了信息精度，且多功能信息通信而不是多变量（PV、MV）传输增加了对现场的设备监控，使整个系统更加分散控制。图2所示为九厂控制系统硬件配置，其中滤池公共控制器为PLC组，采取通信方式与滤池FCS通信。 

 

3  WPACS控制系统的功能

    WPACS整个控制系统为四层结构：过程设备层（最底层、现场控制层、操作监控层、管理层。

3.1  控制系统工作方式

    工作方式为就地控制（机侧或执行器上）和计算机系统控制（在现场控制站上），转换功能由执行器上的就地/远方转换开关完成且优先就地控制。当处在就地控制时，计算机系统只对现场设备的运行工况进行监视，无权进行控制。当设备处在计算机（远方）控制时，如某个环节或设备发生故障，且计算机系统正常时，计算机发出报警和提示，允许某些环节如滤池的某格退出自动方式或某个设备退回现场操作。对加药、加氯系统受计算机监控时，某些设备发生故障，计算机系统可以启动备用设备，并发出报警信号。

    对于计算机控制，又可分成计算机手动和自动两种方式，前者多为单机控制，而后者多为优化控制、顺控或某个工艺流程的环节已具备联机的自动控制。如配水泵房水泵机组的一步化控制、加药系统的监控运行等。

3.2  对控制系统的其它设计考虑

    物理位置的考虑：WPACS各现场站、I/O分布在南北向400米、东西向350米的三期厂区构筑物内，两台操作站置于原一、二期控制室内，与最远端相距1 800米。50万m3/日水厂的数据点数一般在3 000点以上，模入、模出与开入、开出比在1:4。点数的分布相对集中在几个物理位置，设计考虑在配水泵房、滤池、加药加氯间应设现场站（九厂设110kV电站并可计算机控制也应设现场站）。而预处理、配水井、回流泵房等应设I/O站。要求计算机系统要具有分散采集的功能，各物理位置在经费允许条件应保证数据通信的可靠（如采用光缆连接或双重通信缆）。

    内部处理的要求：采集到大量的设备状态和工艺数据后，计算机系统要依靠本身的内部运算提供运行信号和处理信息。

    历史数据存档要求：对事故记录、运行状态变化和内部计算值保留以便分析，要求分级存储，定期由硬盘向下级（磁带或光盘）转存，用于离线查询、分析。

3.3  系统软件功能

    利用CS3000操作监控功能中的通用功能、标准操作监控窗口、操作监控支持功能、系统维护功能、控制状态显示功能、趋势功能、开放数据接口等组态软件完成HIS的组态。

    利用CS3000 FCS控制功能中的常规功能块、顺控功能块、计算功能块、子系统通信功能块、批处理功能块及每功能块中的子块完成FCS详细组态。

4  工艺对控制的要求

4.1 工艺流程简介

    九厂扩建工程（三期）设计规模为50万m3/日，水处理过程与原一、二期过程相对独立，净配水厂内构（建）筑物均为新建，包括主工艺过程的配水溢流井、絮凝反应沉淀池、滤池、清水池、配水泵房及加药间、加氯间、加氨间、回流泵房等。除以上生产过程纳入控制系统外，110kV变电站也纳入该控制系统。

    工艺设计分为两个系列，每系列规模25万m3/日。

4.2  各站功能描述

(1)  配水井远程I/O

    配水溢流井设4台电动配水调节堰闸（每2台一组）、4台电动溢流调节堰闸（4台为一组）、堰前静压式液位计1台、溢流液位开关1台及它的两个出水管上各1台流量计（信号入预处理I/O）。该处设配水井I/O，I/O与滤池现场站相连，除对信号做输入输出处理外，还需对经一根DN2200的进厂水分配给两根DN2000做两个系列的配水。分别为：

    ① 根据配水堰上水头和固定堰顶高度做比例、指数运算得出配水量并与流量计测得配水量做比较（参考用），配水量的调整由九厂控制室发出指令做配水堰闸调节；

    ② 调节溢流堰闸实现不同的溢流水位；

    ③ 常规显示、控制、报警、数据处理等。调节堰死堰堰顶高51.70米，可调范围为1.00米。溢流堰死堰堰顶高52.00米，可调范围为0.60米。

I/O点计：66。

(2)  预处理远程I/O

    预处理工艺流程为两个系列，每系列设4个混合池、4个絮凝池、2个沉淀池、1个滤前混合井；每系列设一远程I/O，每一远程I/O需连接的设备有进水混合池的4台轴流式搅拌机，进入絮凝池的4台电动调节堰门，沉淀池的4台吸泥机及对应驱动装置，滤前的1台搅拌机，2台跨越闸板（原水直接进入滤池）；过程仪表有1台配水井出水流量计、4台用于测絮凝池各级水头损失的液位（差）计（A系列）及1台pH计（带温度计）、1台余氯计、2台浊度计。
监控条件：该处I/O与滤池现场站相连，除对信号做输入输出处理外，还需对系列进水做加药、搅拌及配水至絮凝、沉淀；或进水跨越絮凝沉淀至滤池。分别为：

    ① 对投药混合用搅拌机及加药间加药泵做逻辑运算处理，当搅拌机一台故障，停相应加药点加药泵并起动另一台搅拌机及相应加药点加药泵，反之亦然，8台搅拌机互为备用的切换由控制站完成；

    ② 对滤前2台搅拌机做跨越时的控制，同时完成与加药泵的联动处理；

    ③ 沉淀池内8台吸泥机（不同时运行）的运行次数、运行方式、排泥阀排泥的时间周期由人工在现场控制盘内设定或据原水浊度调整，计算机处于指定常态；

    ④ 跨越闸板（2台）除监视工况及阀位外，需根据配水井出水流量计值进行调节；

    ⑤ 波型板絮凝池安装液位计做水头损失计算。

    水质仪表集中安装在沉淀池水质仪表间，所有信号按需要传输至其它现场控制站参与控制。

两个系列的I/O点计：242。

(3)  滤池现场控制站

    两个系列的滤池共有24个煤滤池、24个炭滤池。每个煤滤池设6个工作闸阀，分别为进水闸、出水阀、反冲洗阀、进气阀、排气阀和排水闸，其中出水阀为调节阀；每个炭滤池设4个工作闸阀，分别为进水闸、出水阀、反冲洗阀和排水闸，其中反冲洗阀、出水阀为调节阀，其余为开关闸阀；合计240个闸阀，均为气动执行机构。公用设备有反冲水泵3台及该泵进出水阀，鼓风机3台（带风干管流量计）及相应出气阀。气源系统设两台空压机，两个气罐及就地控制阀门等。过程仪表有48台液位计、24台液位差计（煤池用）、8台浊度计（煤池每3格1台）及滤池出水2台流量计、2台浊度计（滤池出水）、2台余氯计。

    监控条件：过滤过程和反冲过程的顺序逻辑控制在每两池旁配置的PLC上，公共设施设公共PLC，池旁控制台面设有画面显示，滤池运行水位、出水浊度值、水头损失值、冲洗时间设定键，滤池工况，现场/远方转换开关等均显示在画面上。WPACS的滤池现场控制站与滤池PLC通信进行数据交换，现场站设人机界面。

    PLC需完成的内容有：

    ① 预处理或跨越水均匀进水至各煤池，煤池采用恒水位运行，利用水位调节出水蝶阀的开度（利用编程方法使阀门不至调节过频繁），保持池中水位与设定水位偏差小于±20mm；

    ② 反冲过程的开始依设定过滤周期（一般为36、48小时）；

    ③ 滤池浊度与滤层水头损失作为监视不参与直接控制反冲，当其值超过允许值时，可人工判断是否进行反冲洗；

    ④ 反冲过程分气冲、气水联合冲洗及水冲洗；

    ⑤ 炭池为恒水位运行，仅设水冲洗；

    ⑥ 48个池子每次只允许1个池子冲洗，系列与系列及池子与池子之间联锁，要求每池配置的PLC能按照指定过滤、冲洗条件及测量值编程控制、调节每个阀门的开闭和开度；

    ⑦ 回流泵房水池进水闸板状态经WPACS与PLC的通信传至PLC参与反冲控制，当2台闸板全关时，禁止反冲洗；

    ⑧ 气源系统由现场盘选定空压机备用关系，WPACS监视状态、故障及总管压力。滤池出水水质仪表间设浊度计及余氯计，余氯信号经网上通信至加氯现场控制站。I/O点计：990。

(4)  配水泵房、加氨间现场控制站

    配水泵房与加氨间地理位置为一处，所以设一现场控制站。控制或监视的设备有5台套配水机组（单机容量2500kW），三用两备；3台定速，2台调速；工作泵为调速泵，定速泵为备用泵；相应5台进水电动蝶阀（监视常开状态）、5台出水液压驱动阀（与泵一步化控制）及2套液压驱动装置；4台排水泵及液位讯号控制器；过程仪表有5台出水管道电磁流量计；5台进水管道压力变送器；5台出水管道压力变送器；2台干管压力变送器；2台清水池液位计及2台余氯计、1台pH计、1台浊度计。另每台机组设绕组、轴承等检测。

    加氨间控制或监视的设备有5台加氨机及相应15台电动球阀、2台电子称、6台轴流风机。

    WPACS是相对独立的控制系统，有独立的数据通路，挂接各现场控制站严格完成上述各站功能；但在调度上从调度系统上讲，市自来水公司调度中心仅对一个九厂（一、二、三期）下达供水调度命令至九厂的中心控制室；一、二、三期共两个泵房十一台泵，两种控制系统共同完成两个泵房十一台机组的运行。具体方法需在做大量的工作后编程调整实现。目前应以配水机组和出水阀的一步化操作和水泵机组的调速为主要控制方法在WPACS中完成。WPACS启泵应在现场允许、无任何电气机械故障、水位出口压力正常条件下先开泵后开出水阀，并开启对应加氨机；停泵在上述条件下先关阀后停泵。大型机组的运行需在软件编程中做出多种判断，每一环节都紧扣下一环节的运行，泵组运行直接关联的设备有：液压驱动装置、冷却水状况、电机绕组温度、机泵轴承温度、管道压力、清水池水位、电机出线回路、变频装置等。

    加氨机上的电磁阀与水泵出水管道上的阀门一一对应联动，先开泵后开加氨机出口阀。

加氨I/O点计：124。

泵房I/O点计：182。

(5)  加氯、加药间现场控制站

    加氯、加药间地理位置为一处，所以设一现场控制站。加药间有6座储药池（设电动连通板闸2台），4座溶液池（4个进药电动阀及2个切换阀、4个进水电动阀、8个出药阀）。加药现场控制站控制或监视的设备有加药计量泵6台（絮凝前混合池4加药处、滤前混合池2加药处），相应18个电动阀（6个吸药电动阀、12个出药电动阀）；输药泵3台，相应3个输药阀；加上前述各阀合计41个电动阀。排污泵2台；储药池溶液池液位6台；4台搅拌机及轴流风机。
监控条件如下：

    ①  在储药池药液浓度为一定值的条件下（如40%）确定溶液池的输药浓度（如5%），由4台液位计测量进药量及进水量以达到预定浓度。3台输药泵一用二备，当泵和出药管上的阀门出现故障时，退回手动，只允许一台输药泵处于中央控制方式。人工设定备用关系。

    ②  溶液池的液位达3/4预定液位时开启搅拌机，并在预定液位时延时停止搅拌以使药液均匀。4座溶液池各有四种状态，即工作状态、配药状态、备用状态、故障状态。

    ③  根据每系列进水流量计值改变加药泵频率（固定某一冲程条件下2~6mm）调节加药量，6台加药泵与6个加药处（每处2点由6台加药泵互为备用，即一台泵对应1处1点及另1处另1点）的备用关系及12台电动阀的切换关系的逻辑运算以及与对应搅拌机的切换由现场站完成。加药泵及进出药阀的顺控为先开出药阀，再开吸药阀，再开加药泵。另外，池子的倒换、药液浓度的设定等均由现场控制站完成。

    每3座储药池设1台超声波液位计。每座溶液池各设1台超声波液位计。

    加氯间设备有7台加氯机及对应8个加氯点的电动球阀，1套氯吸收装置及对应3台进气电动阀，4台电子称（4组氯瓶），2台液氯蒸发器，3套漏氯报警仪，氯瓶切换装置等。

    监控条件如下：预加氯设2台加氯机，加在配水溢流井的两条出水管上，采用流量、余氯复合环控制自动投加；消毒加氯设3台加氯机，二用一备，加在每系列的炭池的出水管上（另设两台加压泵，夜间水压低时开泵，依据配水泵房压力变送器信号），采用流量比例投加；补氯设2台加氯机，加在吸水井的进水管上，采用流量、余氯复合环控制自动投加。加氯率人工设定，加氯机自动调节，也可在现场站根据上述条件自动控制加氯量。加氯机水射器即加氯供水管的电动球阀开闭控制加氯机的开停。

    预加氯余氯信号、流量信号由预处理I/O网上信息传输引来；主加氯流量信号由滤池现场站网上信息传输引来；补氯余氯信号、流量信号由泵房现场站网上信息传输引来。

加药I/O点计：410。

加氯I/O点计：175。

(6)  回流泵房远程I/O

    回流泵房设回流水池2座，每座2格，每座之间设手动连通闸。每格内在不同高程设1台上清液回流泵，1台污泥泵。回流泵房设远程I/O与滤池现场站连接，控制和监视的设备有4台上清液回流（调速）泵（将滤池冲洗水回流至配水溢流井前）、4台污泥回流泵（将泥水排至污泥处理厂）及2进水管上的电动阀门。仪表有2池内的2台静压式液位计及2台液位开关（溢流用）、回流出水管1台流量计。

    监控条件为：

    ① 根据静压式液位计的值控制进水板闸之一打开，在滤池反冲水（4~5次）到上限水位时关闸；

    ② 沉淀一定时间后启动上清液回流泵，依回流流量调整泵转速以使均匀回流。

    ③ 几次回流后起动污泥泵。

    ④进水闸板状态信号经控制网送滤池现场站用做反冲控制条件之一。
I/O点计：77。

5  结语

    本文提及的各项工艺要求、设备功能已在九厂运行中实施。不过，大型水厂的自动化系统的正常运行是一件及其复杂的过程事件，在这个过程中依靠各专业工程技术人员的集思广益，依靠先进的计算机和通信技术，使生产过程控制达到优化，降低了劳动强度，使生产稳定、节能、增效。

参考文献:
[1] 自动化系统建设的意见[C].北京市自来水公司,1997,6.
[2] 第九水厂三期工程工艺对自动控制的要求[C].北京市市政工程设计研究总院,1999,1.
[3] CENTUM CS 3000 Integrated Production Control System Technical Information TI33Q1B10-01E[C]. YOKOGAWA.
[4] 滤池设计资料[C]. AQUA工程有限公司.