開平振華水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

　　摘 要：本文以開平振華水廠自動(dòng)化改造為例，簡(jiǎn)單介紹了德國(guó)西門子公司的PLC自動(dòng)化系統(tǒng)。我國(guó)中小型水廠眾多，對(duì)這些水廠有很好的借鑒意義。
　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)化 改造 PLC
　　中圖分類號(hào)：TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2011)11(c)-0089-02
　　
　　1 系統(tǒng)概述
　　廣東開平供水集團(tuán)公司振華水廠竣工于1994年底，現(xiàn)有日供水能力為6立方米，屬中小型水廠。該廠原有設(shè)計(jì)控制部分停留在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制方式，從加藥、加氯到水質(zhì)分析，從過濾、反沖洗到二級(jí)泵站供水，都存在手動(dòng)操作給水可靠性、穩(wěn)定性帶來的缺陷，不能滿足生產(chǎn)運(yùn)行的要求。水廠生產(chǎn)自動(dòng)化是提高凈水技術(shù)的重要措施，為適應(yīng)《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》要求，對(duì)中小型水廠進(jìn)行自動(dòng)化改造是必要的和可行的。其作為國(guó)家“九五”攻關(guān)項(xiàng)目的依托工程之一，振華水廠在自動(dòng)化改造方面引進(jìn)了德國(guó)西門子公司的PLC自動(dòng)化系統(tǒng)，更換上由德國(guó)生產(chǎn)的加藥系統(tǒng)、加氯系統(tǒng)，在保留濾池閥門的情況下，更換了閥門的電動(dòng)頭，在工藝關(guān)鍵部位增添了一批進(jìn)口在線式監(jiān)測(cè)儀表。
　　
　　2 自控系統(tǒng)的組成與功能
　　整個(gè)系統(tǒng)主要由中央控制室兩臺(tái)計(jì)算機(jī)、模擬屏及現(xiàn)場(chǎng)兩套PLC裝置組成，自控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)-PLC集散型控制系統(tǒng)，分成中央控制室集中監(jiān)控管理，現(xiàn)場(chǎng)PLC分散控制和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)手動(dòng)控制共三級(jí)控制。
　　
　　3 水廠工藝流程
　　改造后實(shí)現(xiàn)加藥、加氯、過濾、反沖洗及泵站供水的自動(dòng)化控制，工藝流程為圖1。
　　
　　4 自動(dòng)化改造
　　4.1 加藥系統(tǒng)
　　改造前采用重力與泵壓聯(lián)合投加：藥液從高位藥池流入藥泵，經(jīng)提升至高度與藥池頂約相平的緩沖罐，然后應(yīng)用重力投加。藥泵的使用克服了投加量受藥池液位高度變化影響，但不能避免受原水管道壓力變化影響。在水質(zhì)水量發(fā)生變化時(shí)，憑經(jīng)驗(yàn)人為調(diào)節(jié)造成滯后和不準(zhǔn)確。
　　改造后，加藥系統(tǒng)采用隔膜計(jì)量泵、變頻調(diào)速電機(jī)和SCD5200流動(dòng)電流儀。其中以原水流量為前饋量控制電機(jī)頻率，流量愈大，頻率愈大，轉(zhuǎn)速愈高；以SCD儀檢測(cè)混合水SC值為反饋量控制計(jì)量泵沖程。PID調(diào)節(jié)器由中控室PLC內(nèi)部PID功能塊經(jīng)程序優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行。
　　4．2 加氯系統(tǒng)
　　改造前只有后加氯，投加量的偏差多少依據(jù)一小時(shí)后檢測(cè)耗氧量、余氯值來估計(jì)，再手動(dòng)改變加氯機(jī)開度，調(diào)節(jié)氯氣流量，調(diào)節(jié)粗糙，反饋過慢。
　　改造后，后加氯采用復(fù)合環(huán)控制，并增加前加氯系統(tǒng)。
　　前加氯按原水流量比例投加，屬開環(huán)控制。后加氯以原水流量為前饋量，以濾后水余氯為反饋量進(jìn)行投加，屬閉環(huán)控制。整個(gè)加氯控制由中控室PLC完成。
　　增加前加氯作預(yù)處理，有效殺死藻類、魚類，避免其在沉淀池和濾池里大量繁殖。應(yīng)當(dāng)說明，后加氯流量信號(hào)仍取之于原水流量，是因?yàn)闉V后水流量?jī)H在反沖洗過程中（時(shí)間約10分鐘內(nèi)）與原水流量相差較大，其余時(shí)間與原水流量相差無(wú)幾，且有余氯儀檢測(cè)反饋。這種前后反饋復(fù)合環(huán)控制加氯技術(shù)保證后氯系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，也適應(yīng)水量和水質(zhì)變化。
　　4.3 濾池系統(tǒng)
　　過濾是水處理工藝的最重要把關(guān)環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)的開發(fā)研制也是水處理工作者多年來一直研究的課題之一。由于濾池類型的不同使得過濾單元的控制系統(tǒng)形式有所差別，但為適應(yīng)不同規(guī)模、不同類型濾池，我們開發(fā)研制的過濾單元控制系統(tǒng)具有應(yīng)用范圍廣、適合于各種類型濾池的過濾單元的特點(diǎn)。在系統(tǒng)開發(fā)研制時(shí)，我們主要從濾池的操作運(yùn)行和過濾性能的角度，對(duì)提高已建水廠濾池的過濾效果，實(shí)現(xiàn)濾池的自動(dòng)反沖洗進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。
　　由于濾池類型的不同，其要求的過濾濾速也不盡相同。我們開發(fā)的控制系統(tǒng)對(duì)已建水廠的過濾濾速通過出水閥門的調(diào)節(jié)和濾池內(nèi)水位儀的監(jiān)測(cè)來實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位過濾。在此強(qiáng)調(diào)指出恒水位過濾不僅保證過濾的效果，而且保證濾后水流量盡量穩(wěn)定，便于后氯投加。
　　反沖洗是濾池單元操作的最重要工作之一。我們開發(fā)的控制系統(tǒng)采用中心控制PLC，控制濾池的水質(zhì)周期，到時(shí)開啟反沖洗閥門，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗。系統(tǒng)的PLC程序中，主要變化參數(shù)的修改簡(jiǎn)單易行，具有良好的通用性和兼容性。
　　原濾池過濾通過手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥和濾水閥門，造成水位忽升忽降且各濾池水位高度不一，濾速不均。
　　開平水廠改造過程中保留了原水的閥門，增加了進(jìn)口電動(dòng)頭號(hào)和調(diào)節(jié)器，改造后，保持進(jìn)水閥全開，以超聲波水位儀和角度轉(zhuǎn)換器分別監(jiān)測(cè)濾池水位和濾水閥開度，執(zhí)行PID指令后，送出開度控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)恒水位過濾。
　　過濾到一定周期進(jìn)行自動(dòng)反沖洗。為簡(jiǎn)單起見，反沖洗省去按阻塞值條件控制，當(dāng)過濾能力下降并形成一定水頭差，值班人發(fā)現(xiàn)水位突破恒定水位并不斷上升，經(jīng)確定濾池過濾效力差后，由值班人員進(jìn)行強(qiáng)制反沖洗。
　　振華水廠實(shí)現(xiàn)了濾池恒水位過濾和自動(dòng)反沖洗。
　　4.4 二級(jí)泵站系統(tǒng)
　　泵站單元部分我們主要集中開發(fā)了二泵站單元的控制系統(tǒng)。由于二泵站前承水處理廠后接供水管網(wǎng)，其為后續(xù)供水管網(wǎng)的輸水提供能量，因此，供水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定不僅減小爆管的機(jī)率，而且通過調(diào)速達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。
　　我們開發(fā)研制的恒壓供水控制系統(tǒng)，采用泵站PLC，利用壓力傳感器，通過對(duì)具有調(diào)節(jié)能力的水泵進(jìn)行變頻調(diào)速來實(shí)現(xiàn)二泵站的恒壓供水。
　　改造前，四臺(tái)型號(hào)一致大泵和一臺(tái)小泵都是定速泵。手動(dòng)控制出水閥門開度來調(diào)節(jié)供水壓力，浪費(fèi)能量且不適應(yīng)管網(wǎng)壓力變化。改造后，利用壓力變送器的壓力反饋，一號(hào)大泵進(jìn)行變頻調(diào)速，達(dá)到恒壓力供水目標(biāo)，出廠水壓力控制在設(shè)定壓力；同時(shí)，水泵出水閥門處于全開啟狀態(tài)，不承受出水壓力，增加了閥門使用壽命，通過水泵電機(jī)頻率調(diào)整，一般是頻率調(diào)低，電機(jī)電流降低，也增加了電機(jī)使用壽命。
　　4.5 監(jiān)控系統(tǒng)
　　根據(jù)我國(guó)已建成的水廠特點(diǎn)，其集散型計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)分為三級(jí)控制，即中央控制室集中監(jiān)控管理，現(xiàn)場(chǎng)PLC分散控制和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)手動(dòng)控制。我們開發(fā)研制的中心監(jiān)控系統(tǒng)主要突出兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是監(jiān)視，一個(gè)是控制。
　　4．5．1 故障診斷功能
　　對(duì)于PLC外部控制電路和I/O接線系統(tǒng)的故障檢測(cè)診斷，由用戶程序找出最佳矛盾邏輯狀態(tài)組，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，同時(shí)開啟報(bào)警并記錄。通過啟動(dòng)“報(bào)警置位”功能進(jìn)行復(fù)位，以消除故障。
　　4．5．2 生產(chǎn)報(bào)表生成功能
　　為了保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確，生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)均由下位機(jī)PLC采集并處理，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)均由PLC運(yùn)算處理，直接產(chǎn)生小時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、日生產(chǎn)數(shù)據(jù)、月生產(chǎn)數(shù)據(jù)、季生產(chǎn)數(shù)據(jù)、年生產(chǎn)數(shù)據(jù)，一般情況下PLC是不會(huì)中斷運(yùn)行的，建立生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)Wincc監(jiān)控軟件還具有數(shù)據(jù)補(bǔ)調(diào)功能，即使有某些數(shù)據(jù)丟失，還可以補(bǔ)調(diào)回來，避免了電腦數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)因關(guān)機(jī)、停電、或電腦故障等原因，造成數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法產(chǎn)生完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
　　振華水廠自動(dòng)化投入運(yùn)行一年多來，生產(chǎn)報(bào)表準(zhǔn)確，給水廠生產(chǎn)管理提供了極大的方便，大大地減少了過去繁重的數(shù)據(jù)處理工作。
　　
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　振華水廠自動(dòng)化生產(chǎn)自1999年8月系統(tǒng)改造投入運(yùn)行，至今已多年運(yùn)行正常。通過摸索和提高，逐步掌握了其運(yùn)行規(guī)律，生產(chǎn)管理日趨走向成熟，運(yùn)行效果是得以發(fā)現(xiàn)和不斷加強(qiáng)。水廠自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)節(jié)電、節(jié)礬收到了明顯效果，創(chuàng)造出較好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)中小型水廠遍布全國(guó)各地，普遍需要建立自動(dòng)化系統(tǒng)，但長(zhǎng)期受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素困擾而難以實(shí)現(xiàn)，開平振華水廠自動(dòng)化系統(tǒng)的成功應(yīng)用對(duì)這些水廠有很好的借鑒意義。同時(shí)也具體說明了實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化的根本目的是切實(shí)提高水廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在今后的研究中，要加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)的集成化、成套化、系列化工作，為大規(guī)模的推廣應(yīng)用作好準(zhǔn)備。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]解智.水廠水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)