小型水质监测站的集成系统控制单元设计方案

现场控制单元是水质站的测控核心，管理着全站设备和仪器的自动化运行、数据采集、处理、传输、存储、检索，以及系统故障报警和保护功能。

控制系统是水质监测系统的水站核心测控通讯单元，是水质监测系统的基本组成部分。控制系统由工控计算机、GSM通信模块、PLC控制器、继电器、低压电器（按钮、开关、指示灯、接触器、电机保护器、漏电保护器）直流电源、防雷模块、电源滤波器、接线端子等组成。

1、系统设计思路

▶充分保证现场业主连续、可靠和安全运行，统一协调各设备及仪表的关系，实现对现场端仪表及设备的控制功能。

▶本系统建立一套标准化、先进、完整的反控指令集。

▶系统自动化程度高，可实现全范围的远程监控以及诊断，相应及时、控制准确、预警可靠；日常运维实现信息化管理；

▶系统与各分析仪表之间实现全数字化通讯，可实现数据的精确采集和仪器反控功能；

2、系统控制原理

现场控制单元由工控机监视，PLC 控制；控制柜以及执行元件构成。PLC 控制系统按照预先设定的程序负责完成系统采水配水控制，启动测试、超标自动留样，清洗、除藻、反冲洗等一系列的动作。同时可以监测系统状态，并根据系统状态对系统动作做相应的调整，确保水质自动站自身的稳定运行。控制系统原理图见下图：

3、系统总体构架

控制系统由工控机、可编程逻辑控制器、总空气开关、各仪表设备空气开关、接触器、直流电源、继电器和接线端子等部分组成。系统控制单元采用松下PLC作为系统逻辑控制器，并结合继电器、接触器等器件实现对外部泵阀及辅助设备的控制功能；控制系统采用工控机对系统实现统一监控，包括对系统任务控制、各种信号的采集的控制以及数据的上传等。

各智能仪表通过 RS232/485 数字链路与 PLC 进行通讯，实现数据、仪表状态的采集与仪表反控。

4、控制柜及布线

控制柜采用标准网络机柜外观为白色，整体美观大方。四侧门均可以打开，方便安装和检修。其中前门为玻璃门。内部布线强弱电隔离，避免电磁干扰。机柜前面用盲板遮挡，使机柜整齐美观。

5、现场控制软件功能

现场控制软件包含系统管路图及实时状态显示，仪器状态及实时数据显示， 数据查询/导出/自动备份功能、参数设置功能、报警信息显示、手工及单一控制功能、系统及仪器历史运行状态显示、操作提示功能、用户管理功能等。

▶实时组态画面，动态显示工艺流程。在系统中的每个流程环节都加装高灵敏度传感器（水压传感器、水位传感器、温湿度传感器）。通过这些传感器实时监测每个流程的工作状态并及时反馈到工控系统画面上，在工控系统画面上以动态的显示效果准确的反映出当前各辅助变量的数值。

▶系统控制支持自动模式、手动模式和远程控制。自动模式下系统按照预设的程序自动运行，无需人工干预，自动运行时系统的测试频次、反冲洗频次等都可以在现场或者远程进行设置。现场维护时启动手动模式，此时系统只有在现场维护人员手动启动下才进行相关的操作。远程模式下可在远程控制系统，启动测试、参数设置、反冲洗、远程采样等操作。

▶用户可以根据需要，自行设置采样时间、清洗频次等参数。

▶良好的可扩充性。控制单元采用模块化设计，采用的设备可扩展并且已经预留扩展接口，可方便系统将来升级。

▶系统运行支持连续模式和间歇模式，两种模式可以自由切换。连续模式下采水泵 24 小时不间断抽取源水，系统可随时启动测试。间歇模式下系统只有在测试状态下才启动采水泵，其他待机时间都处于停止状态。间歇模式状态系统的功耗低。用户可以根据需要自行切换运行模式。

▶系统反冲清洗工艺支持单独水洗、高压空气擦洗、水气混合洗、除藻等。

▶对自动站控制系统和分析仪器的工作状态及分析流程进行参数设置，并记录。

▶对仪器的分析结果进行采集，处理和存储。

▶响应远程中心站对现场各种参数的状态显示，并可根据权限进行参数修改和控制功能等。

▶响应远程中心站对现场数据的下载（实时和历史数据）。

▶数据采集与传输须完整、准确、可靠,采集值与仪器测量值误差小于仪器量程的 1%。

6、数据采集控制系统

6.1设计思路

数据采集控制单元安装了基站软件工控机、数据采集模块、采用了基于 PLC 的控制系统，使得系统运行更加稳定可靠；现场数据采集控制系统采用基于国内最先进的组态软件，数据存储采用大型关系数据库。子站控制系统可以与中心站管理系统保持一致，能够实现与中心站的数据管理系统的无缝衔接。

6.2功能介绍

数据采集模块以现场监控软件包为核心，配合模拟量和数字量采集模块、串口模块、485\232 模块实现监控功能。系统具有数据自动保存功能，子站断电后数据能自动保存，能储存一年以上的原始数据，子站数据具有自动备份功能，同时保存相应时期发生的有关校准、断电及其它状态事件记录。系统成熟、稳定， 平均无故障时间大于 1000 小时。系统开放性好，通过增加设备驱动可接入不同类型的自动分析设备。系统采用 RS485/MODBUS 总线与设备通信，保证系统具有良好的可扩展性，总线设备“即插即用”，扩展方便。可远程设置系统的采样周期（2～24 次/天）；

还具备以下功能：各单元设备控制参数的远程控制功能；控制单元时钟与分析单元的时钟能匹配；断电、断水或设备故障时的安全保护性操作；系统的自动启动和自动恢复功能；各单元设备工作状态参数的显示；

数据传输方式兼容我国站现有的 VPN 数据传输网络，数据传输协议必须兼容我国现有中心软件的通信协议。

6.3 软件配置选型及技术指标

▶操作系统：嵌入式组态操作系统

▶组态软件：MCGS

▶数据库：Microsoft SQL Server，可存储 1 年以上数据

▶数据采集软件：水质自动监测系统

6.4 系统数据采集和处理功能

▶系统可以将执行器的动作和传感器反馈在工控系统界面上，界面可以实时的显示系统流程，并能够在界面上显示自动站所有的操作。

▶系统采用开放式结构，使系统易于扩充，并为以后预留了可扩充接口， 网络具有升级能力。

▶自动控制系统运行稳定可靠，可以在现场及远程进行人工控制。

▶系统具备有自动分类报警功能。

▶水站采用系统软件进行数据的采集、控制与传输，系统软件需具备通用性强，可扩展性强，维护方便的特点。软件系统采用网络化设计，实现监控中心和终端对系统的使用和系统数据的共享。

▶子站断电后数据能自动保存，能储存一年以上的原始数据。子站数据具有自动备份功能，同时保存相应时期发生的有关校准、断电及其它状态事件记录。

▶系统具有安全防护功能，具有数据加密功能，并采用金字塔式权限约束， 在进入系统时需确认身份，使其可使用相应的操作。

▶软件可维护性强，开放源码，出现故障时可对源码进行修改。

▶16 通道以上模拟量采集功能；

▶现场控制器数据采集采用总线通讯与模拟量采集相结合的方式，当总线通讯有故障时可自动转换为模拟量采集。

▶采用 RS232/RS485 MODBUS 总线方式采集仪器监测数据、工作状态以及校准数据，给仪器发出控制指令等，也可采用 4～20mA 模拟量进行数据采集。通过通用的通讯接口采集实时数据并存储，数据传输之间采用开放的通讯协议和标准数据传输方式，控制中心对各数据进行权限设置。

▶内置 WebServer，B/S 架构，能远程通过网络访问水质自动监测系统的控制系统，实现远程状态监控和参数设置。

▶系统能根据系统的状态参数和报警信号值，并结合环境参数自动判断监 测数据的真实性、有效性，处理后的数据送入数据库中保存。系统可以 预定义数据报警上下限属性值，采集到的实时数据如果超越报警上下限， 系统自动进行报警，并对报警自动分类。另外，这些报警信息同时发送 到监控中心，由中心监控软件进行接收和处理。数据采集与传输完整、准确、可靠，采集值与测量值误差≤1%，系统连续运行时数据捕捉率大 于 99%以上。

▶断电后能自动保护历史数据和参数设置，继电后可继续工作 12 小时以上。

▶本站采用水质自动监测系统进行数据的采集、控制和传输，系统软件具有通用性强，可扩展性强，维护方便的特点。

6.5 现场监控软件

▶数据的存储容量：能够保存 1 年以上的历史数据。

▶监控现场各设备状态，并以图形化的界面显示其运行状态，同时能够对数据采集和控制单元的参数进行设置。

▶遵守国家环保部及安徽省现有的通信协议，可按协议要求定时主动上传历史数据，报警信息等。

▶内置 WebServer，B/S 架构，能远程通过网络访问水质自动监测系统的控制系统，实现远程状态监控和参数设置。

▶可记录现场系统的运行状态，并以运行日志的形式保存，应能保存 1 个月以上的日志信息。

▶可对现场各参数分别设置报警上下限，具备数据超标自动报警功能，并能够保存 1 个月以上的报警信息，同时应能够将报警信息及时上传至中心站。

▶能够实现数据的“一点多传”，即可同时向多个中心站传输历史数据等。

▶具备对通信链路的自动诊断功能，一旦通信链路不畅，能够及时自动恢复通信链路。

可在中心站对现场监控软件进行远程升级