水廠監(jiān)測控制系統(tǒng)設計

1、第22卷 第1期武 漢 測 繪 科 技 大 學 學 報v ol. 22n o. 11997年3月jounralofw uhantechnicalu niversityof surveyingand m appngm arch1997收稿日期: 1996210214.蘇光奎,男, 43歲,副教授,現(xiàn)從事智能接口技術研究 。水廠監(jiān)測控制系統(tǒng)設計蘇光奎(武漢測繪科技大學信息工程學院,武漢市珞喻路39號, 430070)摘要 該文論述了自來水廠各生產(chǎn)工藝流程的信號采集與控制的基本設計思想。關鍵詞 自來水廠;數(shù)據(jù)采集;實時控制分類號 tp273;t p3911水廠生產(chǎn)過程控制的分析與基本原理自來水廠的生

2、產(chǎn)可分取水、 投藥、 沉淀、 過濾、儲水 、 送水、 供電等過程 。 每一過程都將受水廠調度室(中心控制室 ) 的監(jiān)視和控制。 由于一般水廠的占地面積大,生產(chǎn)過程中的監(jiān)測點分布廣, 每一監(jiān)測點的工藝參數(shù)較多, 所以需采集的數(shù)據(jù)品種較多 ,種類繁雜 。 由于自來水廠生產(chǎn)過程的控制不單由多個前級生產(chǎn)工藝的輸入?yún)?shù)形成, 而且還要受到多個后繼工藝反饋參數(shù)的影響, 而有些后繼工藝產(chǎn)生結果需要較長的時間才能形成, 有時出現(xiàn)較嚴重的滯后現(xiàn)象, 因而難以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和實時控制 。 為了實現(xiàn)自來水廠的生產(chǎn)控制管理 , 水廠監(jiān)測控制系統(tǒng)包含取水分系統(tǒng)、 投藥分系統(tǒng)、 沉淀分系統(tǒng) 、 過濾分系統(tǒng) 、 送水分系統(tǒng)和

3、供電分系統(tǒng) 。 對每一分系統(tǒng)采用分散控制、 集中管理的控制方式 。 每一分系統(tǒng)的監(jiān)測控制點隨時將反饋的信號傳送給中心控制室。中心控制室根據(jù)各監(jiān)測點的反饋信號和各工藝流程的要求進行分析和處理 , 然后決定傳送相應的監(jiān)測信號和控制信號給各分系統(tǒng) , 從而實現(xiàn)整個水廠生產(chǎn)的實時控制。控制系統(tǒng)的框圖如圖1 所示。為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時控制, 該生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的中心控制室應具備相應的功能, 以便實現(xiàn)分散控制 、 集中管理的控制方式。 其中心控制室的基本功能為: 1) 與各分系統(tǒng)進行實時通訊,對分系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行分析處理, 根據(jù)分系統(tǒng)的控制要求向各分系統(tǒng)發(fā)布相應的命令信號; 2)利用一臺監(jiān)視器隨時顯示

4、生產(chǎn)情況; 3) 利用一臺打印機打印所需報表; 4) 利用一臺圖形終端顯示生產(chǎn)流程 、 生產(chǎn)狀況等參數(shù)的模擬圖形; 5) 檢查各分系統(tǒng)工作是否正常, 若有故障出現(xiàn), 應及時發(fā)出報警 。 各分系統(tǒng)功能包括: 1) 采集各監(jiān)測點的參數(shù) , 并實時顯示各參數(shù)值; 2) 與中心控制室進行實時通訊 , 對中心控制室的各種命令及數(shù)據(jù)進行分析處理 ; 3) 根據(jù)監(jiān)測的參數(shù), 實時控制相應的生產(chǎn)環(huán)節(jié) 。fig.1syste m flow chart圖1系統(tǒng)框圖供電監(jiān)測送水控制過濾控制沉淀控制投藥控制取水控制監(jiān)視器打印機主機圖 形終 端中心控制室(調度室)2分系統(tǒng)的設計211取水分系統(tǒng)的設計取水分系統(tǒng)是監(jiān)測控制

5、取水泵站的控制系統(tǒng)。取水水位的高低決定水泵的揚程(即控制取水泵的轉速 ) , 因此在取水水位較高時, 可控制取水泵機轉速降低, 以便節(jié)省能源損耗。 每臺取水泵的開停機狀況和取水泵的水流流速決定了每臺取水泵的源水水量 。 總的取水水量q為:q=ni= 1uitici其中ci為泵機的開停機狀態(tài),ti為開機時間,ui為泵機的單位時間內(nèi)水流流量。 系統(tǒng)可根據(jù)用戶的用水需求 ,適當開啟對應泵機工作; 從取水泵機的溫度和真空度可了解取水泵機的工作狀況; 取水泵的電耗則由取水泵的電流電壓來決定; 取水泵機需要開停哪些臺, 則由中心控制室根據(jù)出廠水清水庫的水位來決定。 根據(jù)該分系統(tǒng)需要采集的參數(shù)的性質, 可將

6、其分為開關量和模擬量兩種,其框圖如圖2 所示 。fig.2w ater2fentchingsub2syste mflow chart圖2取水分系統(tǒng)框圖a d開 關 量i o通訊口工 業(yè) 控 制 機監(jiān)視器電流變送器溫度變送器流量儀泵機狀態(tài)1n泵機狀態(tài)該分系統(tǒng)與中心控制室通訊的信號有取水水位、 取水泵機的開停狀況、 源水水量 、 取水泵機電耗和中心控制室開停相應泵機的命令信號等。212投藥分系統(tǒng)的設計投藥分系統(tǒng)是根據(jù)源水的進水量、 進水濁度決定其投藥量 。 源水經(jīng)過投藥反應之后, 在沉淀池內(nèi)將泥沙沉淀, 再經(jīng)過快速過濾, 加入適當?shù)南緞?, 然后監(jiān)測出水濁度并調整投藥量, 才能產(chǎn)生用戶所需的自來

7、水。 但是 , 加入藥量的多少將會直接影響自來水的質量。 藥量加入較少, 一是泥沙不能完全沉淀 , 使自來水比較渾濁; 二是不能完全殺死源水中的有害細菌,自來水達不到衛(wèi)生標準,不能作為飲用水 。 藥量加入較多 , 一是浪費原材料, 二是使自來水中含有超過一定比例的余氯, 有害市民的健康 。 為了生產(chǎn)較好的飲用水, 必須對出廠水的濁度和余氯隨時進行監(jiān)測, 以便及時調整投藥機構以加大或減少相應的投藥量。 總的投藥量q為:q=mi= 1kitisi其中 ,ki為投藥機單位時間內(nèi)的流量,ti為投藥時間 ,si為投藥機開停機狀況。投藥分系統(tǒng)的框圖如圖 3 所示。該分系統(tǒng)與中心控制室通訊的信號有: 源水濁

8、度 、 反饋濁度 、 投藥機構開停機狀況、 投藥量q(其中有投藥量和消毒劑兩種) 和中心控制室發(fā)出的投藥機構開停機命令信號。213沉淀分系統(tǒng)的設計當源水加入相應藥量后, 其源水流入多個反應沉淀池沉淀, 將水中的大量泥沙沉入池底。 沉淀時間越長 , 沉淀池中沉淀的泥沙堆積越深, 當其達fig.3d rug2putting sub2syste mflow chart圖3投藥分系統(tǒng)框圖流量儀濁度儀投 藥 開 關開關執(zhí)行機構開關量輸出開關量輸入a d監(jiān) 視 器工 業(yè) 控 制 機通 訊 口到一定深度后 , 需將沉淀池中的泥沙排除。 排除泥沙的控制方法有兩種: 一種方法是在規(guī)定時間內(nèi)分別對各反應沉淀池的泥

9、沙排除一次。 這種方法雖較簡單 , 但若規(guī)定時間較長, 將會出現(xiàn)沉淀池內(nèi)泥沙積存較多的情況。 若規(guī)定時間較短, 將會出現(xiàn)排泥頻繁而浪費水源和能源。 另一種排泥的方法是根據(jù)監(jiān)測沉淀池內(nèi)泥沙積存的深度來決定。 這種方法雖較合理, 但需要有較好的監(jiān)測泥沙深度的傳感器才能實現(xiàn)。 在一般情況下 , 大都采用定時排泥的方法 。 在開啟排泥閘門時, 一是要隨時監(jiān)測排泥道水位 、 天溝水位和明渠水位, 二是要監(jiān)測排泥閘的開啟狀況 。 如果水位出現(xiàn)異?；蚺拍嚅l因某種情況出現(xiàn)故障, 本系統(tǒng)需及時報警。 沉淀分系統(tǒng)的框圖如圖4 所示。fig .4m ud2precipitatingand m ud2elim ina

10、ting control flow chart圖4沉淀排泥控制框圖a d開關量輸入輸出控制故障報警通訊口工 業(yè) 控 制 機監(jiān)視器執(zhí)行機構1n閘開關閘開關1水位儀3水位儀2水位儀1n執(zhí)行機構該分系統(tǒng)與中心控制室通訊的信號有:各沉淀池排泥狀況和閘門開啟狀況。214過濾分系統(tǒng)的設計濾池是將沉淀后的水源再經(jīng)過過濾加入消毒劑后產(chǎn)生用戶所需的自來水。 由于沉淀后的水源沒有完全清除泥沙, 水源中還存留有部分雜物及泥沙 , 為了進一步凈化水源, 沉淀后的水源經(jīng)過過濾池的過濾網(wǎng) , 將水源進行過濾 。 在過濾過程中,由于水源中的雜質都積留在過濾網(wǎng)上, 久而久之 ,過濾網(wǎng)濾水的速度和效果將受到影響, 使其生產(chǎn)飲用

11、水的速度受到限制,同時也使沉淀后的水源不能及時通過過濾網(wǎng)而溢出濾池丟失。 為此 , 必須經(jīng)常對過濾網(wǎng)進行清洗(通常稱為反沖洗)。反沖18第1期蘇光奎:水廠監(jiān)測控制系統(tǒng)設計洗的方法有兩種: 一種是采用定時的方法; 另一種是監(jiān)測濾池入水水位和出水水位, 當出入水水位超出規(guī)定時就進行反沖洗。 反沖洗時 , 打開相應的過濾池閘門 , 讓水反向流出 , 以此帶走存留在濾網(wǎng)上的雜物 。 本系統(tǒng)采用的是第一種方法。 由于水源經(jīng)過過濾加氯后就是飲用水, 此時就應及時監(jiān)測出水水源質量,隨時通知中心控制室。 該系統(tǒng)的框圖如圖5 所示。fig.5filteringsub2syste mflow chart圖5過濾分

12、系統(tǒng)框圖監(jiān)視器輸出控制通訊口工 業(yè) 控 制 機開 關 量 輸 入a d濁度儀1n濁度儀閘門開關1開閘機構1閘門開關nn開閘機構215送水分系統(tǒng)的設計送水分系統(tǒng)除監(jiān)測送水泵站每臺泵機的電流、 電壓、 溫度、 真空度外 , 還必須對水流流量、 水壓、 水中的余氯 、 濁度、 清水庫的水位 、 泵機的開機狀況進行監(jiān)測 。 監(jiān)測水流流量是考核該水廠生產(chǎn)水量的一個重要指標,測量水壓用以決定送給用戶用水的高度 。 當在用水高峰期時,其水壓較低 ,這時可調高泵機的出水壓力。 當用水較少時,可降低出水壓力 , 以便節(jié)約電能 。 水中的余氯和濁度信號反饋給中心控制室后, 中心控制室可根據(jù)此信號調節(jié)投藥分系統(tǒng)中投

13、藥機構的投藥量。 由于投藥機構投藥后, 水源經(jīng)過沉淀池沉淀、 過濾網(wǎng)過濾后進入清水庫,送水機構從清水庫中取水,此時所測得的余氯和水源的濁度都出現(xiàn)了一定的滯后現(xiàn)象。 為此 , 在投藥過程中,投藥量的范圍應選用適中 , 否則將會出現(xiàn)調節(jié)機構頻繁開停的現(xiàn)象。 測量清水庫水位是反饋給中心控制室的信號, 該信號可用來決定取水泵站是否要開啟或停止某些取水泵。 該分系統(tǒng)的框圖如圖6 所示。216供電分系統(tǒng)的設計供電分系統(tǒng)主要監(jiān)測變壓器的電流、 電壓、 功率、 溫度、 周波及開機的狀況, 以此監(jiān)測的參數(shù)作為水廠用電的考核指標和設備工作狀況的測試指標。 由于供電系統(tǒng)關系全水廠的工作, 所以 ,對各變壓器的工作狀

14、況應隨時監(jiān)視, 出現(xiàn)故障及時報警。fig .6w ater2supplying sub2syste mflow chart圖6送水分系統(tǒng)框圖監(jiān)視器工 業(yè) 控 制 機通訊口開關量輸入a d余氯儀濁度儀水位儀a變送器溫度變送器泵機開關1n泵機開關3數(shù)據(jù)通訊中心控制室與各個分系統(tǒng)都要隨時進行數(shù)據(jù)通訊。 采用數(shù)據(jù)通訊的方法有3 種: 1) 無線通訊方式 ; 2) 有線并行通訊方式; 3) 有線串行通訊方式。 雖然水廠的各個分系統(tǒng)分布較廣, 距離也較遠(約 1 km) , 采用無線通訊較為理想, 但由于它要占用一個無線尋呼的頻點, 同時還要求中心控制室和各分系統(tǒng)都要有一個發(fā)射和接收信號的裝置以免受外來干

15、擾, 這樣造價就較高 。 采用有線并行通訊方式 , 其缺點是需要布設較多的電纜線。 本系統(tǒng)采用有線串行通訊方式進行數(shù)據(jù)通訊。中心控制室與各個分系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)量較少, 并且每一分系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都是按照預定的格式傳送的, 傳送的頻度也較低。 所以中心控制室采用定時查詢和定時發(fā)送的方法進行數(shù)據(jù)通訊。 在設計通訊接口的過程中, 一是要解決數(shù)據(jù)傳送過程中的誤碼問題,二是要解決選擇通訊點的問題 。 解決選擇通訊點的方法是將各個分系統(tǒng)的串行通訊端連接到中心控制室的通訊接口, 由中心控制室的主機控制多路切換電路, 將其指定的分系統(tǒng)串行通訊口與主機的串行通訊端口進行串行通訊 。其通訊的框圖如圖7 所示。解

16、決數(shù)據(jù)傳送誤碼問題采用了兩種方法。其一是采用三重fig.7serial communication s w itching flow chart圖7串行通訊切換框圖串口2串口1主機串口多路切換電路(下轉第 86 頁)28武漢 測 繪 科 技 大 學 學 報1997年randomt im e d ependen t d ynam ic rel iab il ity ofstructureunderthe actionof w ind l oadh an guang dongzhou j iazeguan chang shengl i gu iqing(school of u rban studi

17、es , w tu s m , 39 l uoyu road , w uhan, ch ina, 430070 )abstract in this paper the characteristic of random tim e dependent structu re is studied, andthe decline form ula of stochastic p rocess strenth is propo sed .in the effect of dynamic loadthe dynam ic response of stochastic coefficien t struc

18、tu re is analyzed by vib ration mou ld de2compo sed . t he dynamic response spectrum and statistic form ula are obtained.the time de2pendent boundary functi on is determ ined. u nder some basic assumptions, the reliabilityfor2m ula of time dependent structu re is gained. a lso the reliab ilityanalys

19、is m ethod of servicingstructu re, and the evaluati on formula both in design ing period and estim ating period are giv2en.key words random tim e dependent structu re; dynamic response;tim e dependent bound;tim e dependent dynamic reliab ility(上接第82 頁)校驗的方法判斷出錯問題, 同時可糾正出現(xiàn)的少量錯誤 。 其二是采用奇偶校驗和crc 校驗的方法 , 發(fā)現(xiàn)傳送過程中的錯誤。參考文獻1周明德 1 微型計算機硬件軟件及其應用1 北京:清華大學出版社, 198912戴梅萼1 微型計算機技術及應用1 北京:清華大學出版社, 199413肖冬榮1