厦门西门子PLC代理商电源供应商

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由于运行设备、仪器仪表复杂多样，给自控系统的正常运行和稳定控制提出了很多题目，在解决这些问题的过程中，我们有收获、有教训。在此，对九水厂现已稳定运行的自控系统作较完整的介绍，经便**对此有新的了解。

1　供水工艺及运行方式

北京九水厂包括一座净配水厂(位于清河)、一座污泥处理厂(位于清河)、两座取水厂( 怀柔取水厂、密云取水厂)。水源取自密云水库和怀柔水库，经3条DN2 200的管线输送到净配水厂。

(1)密云取水厂工艺：密云水库调流阀调节流量加氯送水至清河净配水厂。其中主要设备为DN1 600调流阀和电动蝶阀各2台，加氯机3套等。

(2)怀柔取水厂工艺：怀柔水库隔网隔栅拦污加氯取水泵送水至清河净配水厂。其中主要设备为两种调速取水机组共3套，取水机组3套，液压球阀6台，两种加氯机共6套。

(3)一期净水主要工艺：配水井加药反应、沉演(机械加速澄清池)砂滤(虹吸)炭滤( 虹吸)加氯清水池出水泵房。其中主要设备为排泥阀60个，气动隔膜阀192个，(一、二期共用一个加药加氯间和一个配水泵房)。

(4)二期净水主要工艺：配水井加药反应、沉演煤滤炭滤加氯清水池出水泵房。其中主要设备为炭电动调节进水堰14台，刮泥机4台，搅拌机8台，煤、炭滤池各24个( 采用电动执行装置)，反冲风机3套，反冲泵3套；一、二期共用一个加药加氯间和一个配尿泵房，采用加氯机13台，两种加药泵共14套，调速配水机组4套，定速配水机组2套，液压转芯阀5台，加氨机6套等。

(5)三期净水主要工艺：配水井加药反应、沉演煤滤炭滤加氯清水池出水泵房。其中主要设备为电动调节堰8台，电动进水堰8台，吸泥机8魇，搅拌机10台，煤、炭滤池各24个(采用气动执行装置)，反冲风机3套，反冲泵3套，加药泵6套，加氯机7套，调速配水机组2套。定速配水机组3套，液压转心阀5台，加氨机5套等。

九水厂运行人员根据供水集团公司调度室下发的调度指令，通过设置在各控制室的自控装置，控制有关设备，进行取水、配水、净水等一系列的自动控制、调节、监视操作。

2　自控系统构成及控制原则

北京九水厂自动控制系统采用日本横河cenrum、μ XL和CS3000系统；二、三期滤池控制部分采用modicon PLC控制。整个自动控制系统的监控量为：DI4 300点、DO1 500点、AI1 2 12点、AO210点、PI30点。本着九水厂是一个整体的原则，一、二、三期只有一个调度室，集中管理、控制全厂的生产运行。

所有运行设备的控制层次分为两级：现场电器控制盘操作(现场级)、远方计算机监控(级)。控制原则为：现场级、电器设备的继电保护由现场电器盘自行完成。

2.1密云取水厂

密云取水厂采用日本横河μ XL系统，由一个操作站和两个控制单元构成，监控数据通过通讯管理机、电台与净配水厂控制室进行双向传输。

运行人员根据净配水厂控制室的水量要求，通过调节2台调流阀控制取水量。夏季进行加氯，以防输水管道内的藻类滋生。同时监测原水水质，并与密云水局进行。

图1　净配水厂监控系统结构示意

2.2怀柔取水厂

怀柔取水厂采用日本横河CS3000系统，由一个工程师操作站、一个现场控制站和4个RI/O 组成，监控数据通过通讯管理机、电台与净配水厂控制室进行双向传输。

运行人员根据净配水厂控制室的水量要求，通过启/停取水泵(3调3定)控制取水量。夏季进行加氯，以防输水管道内的藻类滋生。同时监测原水水质，并与怀柔水利局进行。

2.3净配水厂

整个净配水厂有操作监视站21个、控制站18个、远程I/O(RI/O)10个，通过HF总线、V net 、 E net网连接在一起，各监控站均可互相监视、互相控制(由于运行的要求，采用分组方式进行监控限制)。净配水厂监控系统结构见图1。

节堰、进水堰、搅拌机、刮泥机等进行调控，同时监视原水水质参数和设备运行状态。

2.3.2加氯和加药

加氯控制采用按水量比例投加，人工设定加氯率，计算机控制加氯机自动调节，随时监视各处余氯值，以判定加氯量是否合适。

根据加药池状态自动进行输、配控制，加药量采用比例投加方式，通过调整加药计量泵的转速、冲程实现。监视有关浊度参数，以确定加药量是否合适。

2.3.3滤池

二、三期滤池为均质滤料微膨胀气水反冲滤池，采用modicon PLC控制，通过modbus总线接口与横河空制系统相连，进行。

二、三期滤池各有24个煤滤池、24个炭滤池，个煤滤池有6个闸、阀(进水闸、出水阀、进气阀、排气阀、反冲进水阀、排水闸)，每个炭滤池有4个闸、阀(进水闸、出水阀、反冲进水阀、排水闸)；二期滤池闸阀使用linitoq电动执行装置，三期滤池闸阀使用keystone气动执行装置；煤滤池、炭滤池均为恒水位运行，煤滤池滤程为48小时，炭滤池滤程为6天。

滤池控制系统所控设备有闸阀的电动(气动)执行装置、反冲风机、反冲泵及相关仪表(液位、水头损失、浊度、余氯、水量等)，二期、三期滤池监控点数各1600点左右；滤池控制方式采用现场手动和自动控制。

Modicon PLC模块安装于现场控制柜中，柜面上装有现场显示控制器；每个现场控制柜负责2个滤池的控制；PLC模块采用Modicon120系列。

滤池控制室内设有2套Modicon800系列PLC，以双机热备方式工作，800系列RI/O负责滤池运行公共设施(风机、水泵)的控制及单个滤池么冲排队、、运行参数的调整等。

二期滤池PLC编程软件使用美国taylor,三期滤池PLC编程软件使用modsoft,人机接口软件使用FIX。

2.3.4回流设备

回流设备运行采用CRT手动控制方式，根据均匀回流的原则，监视回流池液位，人工控速、调速回流泵的运行。

2.3.5配水泵

配水泵的控制听从调度室的命令。调度室根据集团公司中调的水量要求，下达定速、调速配水泵的组合指令，以调速泵运行为主。配水泵的启/停一步化过程由自控系统完成，也右用CRT手动操作。

2.4污泥处理厂

污泥处理厂采用日本横河μ XL系统，由一个操作站和三个控制单元构成，通过门电路单元与横河HF总线连接。

板框压滤机采用PLC控制，自成系统，其运行状态通过上位处理机送μ XL系统。排泥池、提升泵房、浓缩池、脱水机房设备、仪表状态均由操作站CRT手动操作、监视。

3　自控系统运行维护的一些体会

十几年来，北京九水厂的自控系统在建设、运行、改造、管理的过程中，有收获、有教训，体会很多。

(1)在招投标过程中，要有自控系统人员参与，着重注意招标的设备要求和投标的设备提交是否能满足工艺对自控功能的要求，及时修正那些不能提供控制功能的设备及电器盘柜，避免造成与自控系统衔接不上的问题。在九厂工程中，我们曾在这方面进行了大量的工作，包括修改远方/现场无扰动切换、控制保持等等。

(2)在自控系统建立的过程中，要有自控维护人员参与，着重注意系统的构成及软、硬件配置，在配合承包商按设计要求进行软件编程的同时，深入了解控制系统，以便进行投运后的维护管理。事实证明，再完备的系统调试也有遗漏的地方，甚至在运行了几年以后不会发现系统程序中的错误之处，别提由于合同规定的现场工作时间的限制，一些外商根本来不及将程序一一测试。为了自控系统的及时、正常运行，很多调试工作就由我们来完成。

(3)不能盲目追求系统的、设备控制上的万一，而应根据工艺运行的特点进行自控系统构建。从供水集团公司对九水厂一、二、三期工程自控系统构建要求的变化，就可看到这个弃繁从简的过程。一期控制系统的控制层次有：现场设备、现场电器控制盘、综合盘、自控系统控制柜，运行人员在设备处、现场电器盘、综合盘、计算机等处均可操作，实际运行中有些地方的操作基本不用，而无形中却增加了许多故障点，造成许多不必要的问题。二期控制系统就减少了控制层次，只有二级：现场设备(或现场电器盘)、计算机，系统明显简化，维护量明显减少。三期控制系统吸收了二期的优点，进一步提出简单、实用、、的指导思想，减少了费用，满足了运行要求，利于系统的维护和善。以前为了一个万一，要从工艺管道、系统软件等各方面做大量的设置改，造成工艺控制系统的繁杂；现在我们对于这样的情况均退到计算机手动状态，由运行人员进处理，待正常后再投入自动运行，一切清晰明了，反而提高了运行效率。

(4)不能盲目追求仪表的精度、产地和种类。要根据本厂所处理原水的特点，定出所需仪表类型和精度。对于关键性的监控设备和仪表，采用稳定的监控设备，例如进、出水流量计等，而对一般监测仪表则不必强求精度或进口。二期工程中，我厂也购置了美国Chem trac公司的流动电流仪，准备用于加药控制，但实际应用效果却不理想。经过分析测试发现，我厂水源属于低温低浊，且一年中温度、浊度变化不大。经过加药处理后，繁花形成不大，游动电荷的形成也很小，因此使得流动电流仪。的监测误差较大，不易据此对加药量进行稳定控制调节，而采用流量比例投加即可由到预期的效果。如果将流动电流仪用于高温高浊，且水质变化较大的水处理厂，可能会理想的效果。另外，在一、二期工程时，我厂均采用德国E+H的流量计，三期工程时，通过调研发现开封仪表厂的E-mag流量计性能已有很大改进，质量也很稳定，就全部采用了开封流量计，经过两年来的运行，效果不错。

(5)建设部颁布的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》主要指导思想就是：促进供水事业，缩短与国内外的差距，确保供水，努力降。但技术进步绝不是以购置了多少技术设备、仪表为标准的，应主要看其是否发挥了的作用，是否促进了供水运行，是否降低了成本，是否提高了经济效益。为此加强对进口设备、仪表的消化吸收工作，重视进口设备关键部件的国产化问题，完善文档资料，规范维修过程，以减少故障时间，保证运行。

(6)加强对运行人员和系统维护人员的培训，这是保证系统运行的关键。九厂的设备来自各个国家，设备、仪表种类繁多，各有特点。对于自控系统维护人员来讲，决不能只关心软件，各种设备的状态直接影响自控系统的运行。在运行中，软件程序一般是稳定的，而造成不可控的原因多数据是受控设备的问题，例如状态信号没反馈回来、设备控制回路故障等。所以我们要求自控系统的维护人员掌握所控设备的原理、性能、与控制系统的连接关系，以便及时、准确地判断故障点。而加强对运行人员的培训，既提高运行水平和巡视观察的准确性，也提高了处理意外事故的能力。

(7)不断注意对软件的后期维护工作。由于初的软件制作只是对自控设计的基本满足，在运行中肯定会有工艺行方式的改动，自控维护人员按新的需求作相应的修改，以保运行。尤其在贯彻建设部《城市供水行业2000年技术进步发展规划》提出的二提高三降低 (即提高供水水质、提高供水性，降低能耗、降低漏耗、降低药耗)，优化运行的过程中，会遇到净水工艺的调整、运行设备的改造、运行程序的修改。

工艺设备选型对稳定生产，提率和降低能耗和电耗十分关键，如北京水泥厂在生料输送上原采用气力输送，后改为提升机输送，从原来约5kwh/t电耗降到约1kwh/t，另水泥磨或原料磨用立磨替代球磨，电耗将从约35kwh/t降到约17kwh/t；另外窑尾预热器中每级旋风筒和分解炉设计和制造的好坏，直接影响压力损失和传热效果，也就直接系统的热耗和电耗。水泥熟料生产线规模越大，工艺设备的单机容量大，同比热耗和电耗就越低，“十一五”期间要求有实力的大集团兼并小厂，水泥企业户数将减少到3500家左右。

我国水泥行业大集团粗略统计已有十几家，如海螺、华新、冀东、三狮、亚泰等，其属下有许多水泥熟料厂和粉磨站，如海螺集团今年水泥产量预计达九千万吨，它的水泥熟料厂主要分布在离资源近的安徽等地，并扩展到两广、浙江、江西；而根据水泥市场的需求，粉磨站分布在离市场近的上海、宁波、温州、南通、张家港等城市附近。“十一五”期间位的集团生产规模都将达到3000万吨，为此这些集团必需综合调度其生产订单、物流、生产运行、设备管理、实验室信息和销售等，采用MES制造执行系统，促使生产的稳定、协调，并优化生产过程，保整个生产的运转，在提高产品的质量和数量的前提下，将过程信息和整个公司的管理集成在一个信息管理系统中，将能耗降到，只有这样，才能获得的经济效益和的劳动生产率，并成为、、产品质量优良的企业.。海螺、华新等集团有的已建成PMIS，有的正在积筹划MES和ERP系统。

三．采用全集成自动化TIA，实现水泥熟料生产线监控一体化

一个大中型水泥厂的工艺线通常以一窑和三磨为主体组成不同的工艺区域，同时还有相应的原料、中间物料储存库及输送设备。对于不同规模的水泥工艺线，电机和用电设备的数量相差不多，但其容量却不相同，规模大，设备容量越大，保护的措施越多；辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统，如供水供热系统和污水处理等，使其构成为一个庞大的综合系统。干法水泥的工艺过程实际上是物料流、燃料流和气流综合的煅烧和控制过程，在气流中又包括冷风、热风、一次风、二次风、三次风，物料流包括原料流和半成品及成品流等，为此在工艺过程要监控温度、压力、气体成分和浓度、还有储存库的物位、流量、重量、阀门开度等，如包括设备本身需监控的参数，一个典型的5000~5500t/d的单条水泥生产需检测的物理参数约为500~600个， 另外需报警的点约为1000个，它包括模拟量和开关量。水泥生产工艺通过计算机控制系统及时地监视，并实时调整工艺参数的扰动；特别是对物料流、气流以及原料和燃料流的实时工况和协调关系，协调关系处理好坏将直接影响节能的效果。同时新型水泥干法生产线的工艺设备的单机容量大，如生料立磨的主机电机功率大可到5MW，与之配套的附属设备较多，它也通过计算机控制系统及时地的运行状况，使其运行在状态，以促使电能消耗。一个大型水泥企业所谓全集成自动化，在横向即包括主流程和所有辅助流程全由自动化系统实现监控，如广州越堡水泥公司，它从石灰石原料破碎，长皮带输送直至水泥包装发运系统的主生产流程线及辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统，构成为一个功能庞大的计算机控制网络系统；纵向集成理念是从智能监控仪表、电动执行器、电动机的控制回路开始一直到管理系统，通过工业以太网将管理和控制系统集成为一个整体，并优化生产过程，使过程的电耗和热耗。目前华新集团已应用TIA理念控制全集团的生产和管理走出了可喜的一步。

四．全集成能源管理，采用智能监控仪表和优化控制软件

笔者认为水泥行业节能，除设备因素外，还应从以下几点着手：一是实现熟料的煅烧，同时要减少热辐射和系统的漏风；二是实现磨系统的负荷控制；三是交流调速系统的普遍应用：由于干法生产线风机的耗电量约占整个厂用电量30%，另增压水泵和循环水泵的装机容量也不小。如将其换成交流调速系统，把消耗在档板和阀门上的能量节省下来，节能效果是很可观的，据统计平均节能在20%左右；四是综合利用废气，实现低温余热发电等;五要逐渐采用替代燃料如废弃轮胎等；六是实现全集成能源管理如电站综合自动化和燃料流的MIS管理等。

熟料的煅烧是在生产过程稳定前提下，确保熟料质量的一致性，并实现生产率和的热耗。我国的大多数的干法水泥生产线基本实现了生产过程稳定，在保证熟料合格前提下，也有较高的生产率，但是否实现了的热耗呢？从自动化角度上，笔者认为多数水泥厂工厂自动化功能已实现了 SA功能，但还没有到MES一级，优化控制及系统等基本没有。设置的智能监控仪表基本能满足工艺要求，但要满足煅烧还不够完善。如反映窑煅烧时辐射的红外筒体扫瞄仪已广泛应用，但大多数水泥厂仅用于窑筒体温度测定，由于软件的局限，红外筒体扫瞄仪还没有和煅烧连在一起，它应能反映烧成带的窑皮情况、结圈大小，耐火砖的烧蚀程度等，由这些信息又间接反映了窑筒体辐射热的大小和节能的潜力，故还没有充分发挥其在节能的功效。

窑尾的气体分析是很重要的参数，它测定窑尾烟室气体中含的O2，CO，NOX ， 这些参数可间接反映窑煅烧情况，系统漏风情况以及所煅烧的熟料质量，也可作为优化或控制的重要参数，目前在国内除少数几个水泥厂外，大多数水泥厂没有设置此装置，主要原因是成套设备较复杂且价格较贵，在操作和分析数据方面也有一定难度，但从节能战略角度来看，应该予以重视，而且已有新推出的便于操作的新型探头和取样分析装置，如西门子公司新研制的CEMAT分析装置等。建议大水泥集团在吸取国内外厂使用经验逐步加以推广。

优化或控制对窑的煅烧工艺是锦上添花，要用好的确不易，但用好了也能节能。国内水泥厂还没有成功的实例，却有失败的经历。现今IT的技术不断发展，智能监控仪表也越来越完善，笔者认为走在水泥行业的大集团，可做试点，借鉴如Optimize IT优化系统，使工厂运行在生产率。在优化或控制实施前，也应把有限的PI控制回路投入，如：窑头罩负压控制回路，分解炉出口温度控制回路，增湿塔出口温度控制回路，冷却机蓖床速度控制回路，高温风机出口压力控制回路等。

水泥厂的电耗集中在三磨，它约占全部电耗的70~80%，降低磨运行的电耗又是节能的，其关键是磨运行在的负荷状态，负荷控制回路若能投入运行，即能降低磨运行的电耗。对球磨而言，被控过程变量是磨机和提升机的功率，磨音的频率等；在立磨被控过程变量则是进出口的压差，调节参量是定量给料机的喂料量。 目前国内用PID回路投入的几乎没有，因为它是多变量、非线性、纯滞后的回路，可通过组态为PI的串级回路或开发系统、模糊系统、神经单元或建模预估的方法来实现磨机的负荷控制，国外已有较成熟的软件，如CEMAT等。

五．综合利用废气，实现低温余热发电

前述干法水泥的工艺过程气流活跃在整个生产过程中，其中热风有一次风、二次风、三次风， 还有冷却机形成的大量热风，在循环过程中带有一定温度的气体被排放在大气中，实现低温余热综合利用，用于发电和热力管网，是国家扶植的项目，“十一五”期间实现低温余热水泥生产线将达40%。目前在能源紧缺的浙江等省已有不少的案例。在北方地区一个典型的CDM项目是北京水泥厂的清洁发展机制，北京水泥厂是环保型企业，现有二条干法水泥生产线，规模分别为2000t/d和3200t/d，它还是中国水泥行业个兼有垃圾焚烧的企业。它正在实施的CDM项目是利用二台窑的预热，实现7.5MW汽机的预热发电。 在窑尾一级筒出口至排风机的管道抽出温度约300度的废气，同时在冷却机上打洞，抽出温度约150度的热空气，二套窑系统四个出口点，有四台锅炉，分别装在工艺点附近，锅炉出口蒸汽汇总进入汽机。根据标定温度设计锅炉，汽机发出的电能并入工厂中压电网。另外在北方地区用低温余热供热力管网，实现取暖和供热，这方面有专门介绍，本文就不再叙述。

六．结论

1．在当前国内外能源供需矛盾的情况下，党提出建设资源节约型社会，是基于我国要长期发展的战略构想， 水泥行业是耗能大户， 它面临着如何降低能耗，发展综合利用，大限度减少污染的艰巨任务。

2．降低能耗有多种措施，但离不开自动化。它起监控、协调、优化、管理的重要作用，通过TIA，MES可以使水泥大集团生产有序，使工厂运行在生产率，优的能耗指标。

3．综合利用废气，实现低温余热发电，有其深远的社会影响，也有大的经济效益。
我们相信在不久的将来，我国不仅是水泥产量世界，单位能耗是世界的，综合利用也是世界的