在水处理厂收集远程数据

运行可靠性对任何水处理设施的有效性都至关重要。如果自动化系统及其控制的过程不可靠，工厂将面临不符合当地、州或联邦水质指南的风险。

在纽约州北部的马塞勒斯水处理厂，奥内达加县水务局(OCWA)进行了一项雄心勃勃的项目，以更新其流程和技术，以满足新的和拟议的州卫生部门和环保署的规定。这项工作包括将设施从4个过滤床扩大到6个，以及各种机械系统和化学工艺的现代化。该工厂还升级了其整体控制和仪表系统，以提高自动化性能，提高可靠性，提供简单和具有成本效益的扩展，并降低操作和维护成本。

奥内达加县水务局(OCWA)从奥蒂斯科湖和安大略湖向超过34.5万名零售和批发客户供水，通过遍布奥内达加县郊区和麦迪逊、奥内达和奥斯威戈县部分地区的91000个水表连接。

OCWA拥有和运营的一个处理厂处理来自奥蒂斯科湖的水，提供了大约一半的公用事业用水。该工厂位于马塞勒斯，经过了基础设施的改进，旨在提高其整体性能。OCWA最近修复了四个现有的过滤装置，并增加了两个新的过滤器，以改善工厂的水质，提高其可靠性，并符合州和联邦关于市政饮用水工厂的规定。

过程描述

OCWA在奥蒂斯科湖有两个进水管。进入这些管道的水立即经过氯化处理，以提供消毒和抑制斑马贻贝的生长。然后，水在重力作用下，经过大约5英里的路程，到达OCWA位于马塞勒斯的水处理厂。(见图1)

水首先进入快速混合槽，在那里添加了混凝剂(聚合氯化铝)和控制味道和气味的化学物质(粉状活性炭)。经过30秒的混合，水进入接触池，在平静的条件下，混凝剂使小颗粒粘附在一起，形成较大的颗粒。其中一些颗粒会沉淀下来，然后被清除掉。在盆地中的接触时间也允许粉状活性炭(在湖中藻类大量生长时使用)吸收有机味道和气味的化学物质。

在大约一个小时的接触时间后，水进入六个过滤器中的一个。当水通过颗粒活性炭和沙子层时，颗粒被去除。过滤器会定期清洗，用于清洗的水会被收集到泻湖中，让其沉淀。然后，它被回收回处理厂的起点，再次进行处理。

过滤后，再次用氯消毒，并加入氟化物。水储存在处理厂的大水箱中，为氯的工作提供足够的接触时间。一旦水离开水箱，就会添加正磷酸盐，为分配系统中的管道提供涂层，以防止铅和铜从管道中浸出。

业务挑战

作为控制系统现代化的一部分，OCWA决定用艾默生的ControlWave可编程自动化控制器(pac)升级其传统的Bristol-Babcock 3335远程终端单元(rtu)。工厂管理层试图通过从手动模拟控制过渡到利用以太网和Modbus网络通信的全自动SCADA系统来提高控制室操作员的性能。(见图3)

此外，OCWA还希望减少其水处理设施的接线和仪器维护成本。这将需要消除传感器、执行器和控制器之间的多次长电缆连接，以及在安装点附近收集多个传感器/控制对的解决方案。这种方法将省去之前安装的数百个双绞线、电缆桥架、复杂的接线图以及相关的维护。

新技术

2008年10月，马塞勒斯工厂开始用最新技术替换过时的模拟控制设备，并将所有过程自动化功能转移到在线SCADA系统。该项目要求取代现有的rtu，以提供适合各种小型应用的可扩展平台，以及跨越整个工厂的控制策略，同时获得利用现代数字信号传输的能力。(见图4)

控制系统升级的关键是分布式和远程I/O的实现，特别是采用隔离I/O模块来消除以太网控制网络上的信号环路干扰的解决方案。这将阻止任何位置的接地回路和信号畸变影响设施中的其他测量。数字通信代替模拟信号，还消除了传感器和控制信号退化(以及相关校准)和通常与模拟通信相关的交叉通信(噪声)。

各种自动化设备供应商现在提供模块化I/O系统，可以作为一种相对低成本的方法，使用以太网将现场设备从工厂带入SCADA或控制系统。这些系统可以使用现有的集线器、交换机和路由器通过标准以太网与其他计算机相互通信，并可以从无线笔记本电脑、web浏览器、电子表格或第三方HMI查看。(见图5)

在考虑了其他供应商的产品后，OCWA的项目团队决定使用Moore Industries的NET集中器系统(NCS)。这种智能I/O系统利用了电缆集中技术，通过在现场和控制室之间通过单一数字通信链路发送过程监控和控制信号，消除了点对点电缆、导管和线架。该系统提供了真正的信号隔离，模拟和数字I/O隔离模块。所有离散信号和模拟信号都通过以太网进行数字化、分组，并使用标准电缆、LAN交换机和常规以太网硬件进行传输。(见图6)

分布式远程I/O系统是一个通用的信号网关，与兼容opc的dcs或plc接口，支持10/100Base-T以太网(Modbus/TCP)和Modbus RTU网络。该系统包括一个通信模块和多个I/O模块。每个I/O模块支持多个模拟或离散通道，这些通道连接到远程传感器、开关、执行器和显示器。每个模拟输入通道都包含自己的20位A/D输入。这保证了当信号通过以太网传输到主机系统时，现有模拟发射器的分辨率不会丢失。

在Marcellus水处理厂，分布式和远程I/O通信模块以数字方式将信号传输到对等主机网络中的网络集中器。使用带纠错的数字通信和高速以太网LAN电缆确保了信号的完整性，并最大限度地减少了传统模拟信号可能存在的信号退化。

控制体系结构

对于OCWA的工程和操作人员来说，点对主机分布式I/O系统提供了一种可靠的方法，可以将监控和控制信号传输到基于plc的控制系统。在这种配置中，5个远程I/O站沿着以太网网络分布在工厂的不同区域。每个工作站包含10 ~ 15个I/O模块。对于监控应用，该系统从模拟发射器或离散设备收集信号。它集中信号，当网络主机轮询时，将信号通过以太网直接发送到主PLC控制面板。对于控制，来自主机的过程命令通过网络传输，并转换为模拟或离散形式到控制阀、泵、电机和其他类型的比例和开/关控制元件。

一旦现场设备数据传输到基于计算机的主机，SCADA软件提供了一个用户界面，支持数据采集、告警管理、数据记录和报告、历史数据收集和趋势以及监控功能。(见图7)

现场集中器可以方便地将现有和新的过程控制信号和传感器连接到控制策略。这种方法通过远程集中I/O扩展了控制方案，并显著降低了布线成本。模拟输入模块的使用，每个输入都带有内置的24v电源，无需从模块连接到另一个终端或辅助24v电源，从而有助于使远程控制面板更小。

通过分布式和远程I/O系统，操作员现在可以直接从本地HMI或无线笔记本电脑查看工厂内的I/O。这使得操作人员可以在工厂的任何地方监控和调整设备操作。即使在主控系统发生故障的情况下，I/O信号仍然完全可访问。此外，技术人员到现场排除流量计、压力变送器、阀门和其他设备故障的频率也较低。

项目结果

马塞勒斯工厂的新型PLC、SCADA以及分布式和远程I/O系统扩展了过程自动化，使操作人员能够安全快速地管理潜在的问题。它们还有助于降低硬布线成本和维护需求。最重要的是，新设备已被证明非常可靠，这是OCWA的技术投资标准之一。

由于数据采集和控制能力的改进，OCWA的人员能够更好地处理工厂出现的问题。管理人员、操作人员和技术人员可以从任何一个现场HMIs或计算机查看水处理过程。更重要的是，他们可以在不离开马塞勒斯现场的情况下监测和控制公司的水分配操作。

通过实时现场数据密切监控过滤层和其他过程的能力缩短了操作人员的反应时间，最终提高了工厂效率。它还提高了安全性，并允许更准确地报告水质。

从工程和维护的角度来看，最近的技术升级提供了额外的故障排除工具，这是一个方便的包，它独立于控制系统。所有I/O通过工厂的以太网可见，即使在PLC完全关闭的情况下也是如此。

OCWA现在可以保持一致，高质量的水处理操作，而无需意外停机和昂贵的维修。同时，工厂操作人员已经获得了实时监控工厂过程的必要手段，以确保水的质量符合所有适用的要求。

吉姆·麦康纳海，体育硕士，摩尔工业公司的高级现场应用工程师。杰弗里·g·米勒，体育工程师，奥内达加县水务局执行工程师。

欲了解更多信息，请访问:

www.emersonprocess.com

www.miinet.com

https://ocwa.org

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。