論杏林水廠自動(dòng)化改造的技術(shù)

王金木游奕平陳介聰

論杏林水廠自動(dòng)化改造的技術(shù)

王金木游奕平陳介聰

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，智能化及自動(dòng)化的不斷發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)過程中人類已經(jīng)逐漸從嚴(yán)格且繁瑣生產(chǎn)流程里脫離出來，更多的是不再參與到生產(chǎn)過程中，而是直接對(duì)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化設(shè)備及自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行管控。這幾年來，我們水廠也不斷地對(duì)整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)，不斷地增加控制環(huán)節(jié)的監(jiān)控，通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備不斷及時(shí)的更改來調(diào)整控制參數(shù)，以確保整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)處于穩(wěn)定、安全地運(yùn)行狀態(tài)。本文以2013年杏林水廠的老舊自動(dòng)化控制系統(tǒng)更新改造為例。

工程案例

1.水廠概況

廈門水務(wù)杏林水廠三期水處理系統(tǒng)于20世紀(jì)90年代建成投產(chǎn)，總規(guī)模為8萬噸，原水水源為江河水，常年平均濁度在100NTU以內(nèi)，洪峰期濁度較高。水廠基本水處理構(gòu)筑物分別為機(jī)械加速澄清池、V型濾池。水廠工藝流程如圖1：

圖1 水廠工藝流程圖

2.存在問題

（1）水廠建成較久，原有建廠時(shí)的技術(shù)人員及相關(guān)項(xiàng)目參建人員因人事變動(dòng)大部分已調(diào)離，且員工已更替多次，現(xiàn)有技術(shù)人員由于缺乏對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的參建經(jīng)驗(yàn)，且在技術(shù)交底時(shí)無法短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行全面移交及掌控，導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)人員對(duì)原設(shè)計(jì)的很多技術(shù)知識(shí)無法全面深刻的了解，尤其在控制程序部分更是生疏，對(duì)原設(shè)計(jì)的控制程序無法掌控，造成自動(dòng)化維護(hù)力度無法跟進(jìn)。

（2）原有自動(dòng)化設(shè)計(jì)過于簡單，且人機(jī)界面中互動(dòng)信息較少，無法通過界面信息了解程序控制步驟，無法對(duì)各環(huán)節(jié)的使用狀況進(jìn)行全面了解；隨著老員工的不斷退休及新員工的不斷加入，該系統(tǒng)已基本無法滿足生產(chǎn)需求。因?yàn)樵蠵LC系統(tǒng)CPU內(nèi)存故障問題，導(dǎo)致每次因?yàn)闄z修或者跳閘而停電時(shí)都無法及時(shí)自動(dòng)對(duì)PLC程序進(jìn)行有效存儲(chǔ)，需要反復(fù)對(duì)程序進(jìn)行下載備份及上載。這就導(dǎo)致因突發(fā)停電且系統(tǒng)管理員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，該老舊PLC系統(tǒng)無法及時(shí)恢復(fù)正常工作，嚴(yán)重影響到水廠的正常生產(chǎn)。

（3）原設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)采用早期的PLC控制器，現(xiàn)大部分已停止生成，備品備件難購買、貨期長、價(jià)格貴等，且熟悉老產(chǎn)品的外協(xié)技術(shù)人員相對(duì)較少，系統(tǒng)修復(fù)難度大、時(shí)間長等諸多不利因數(shù)都對(duì)水廠的正常生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的影響。

（4）原有的通訊網(wǎng)絡(luò)采用各PLC廠家自身的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線DH+，雖不影響使用及穩(wěn)定性，但可拓展性差。隨著設(shè)備的不斷更新改進(jìn)，一些新增設(shè)備控制系統(tǒng)無法及時(shí)并入PLC控制系統(tǒng)，導(dǎo)致自動(dòng)化生產(chǎn)長期處于半自動(dòng)狀態(tài)。如加絮凝反應(yīng)劑，原來值班人員只能通過在線儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)變化或者目測(cè)澄清池的絮凝沉淀效果來進(jìn)行絮凝劑藥量多少的加減。但新系統(tǒng)我們可以通過一系列在線儀表的數(shù)據(jù)錄入至PLC中，通過不斷的反復(fù)實(shí)驗(yàn)并對(duì)一系列數(shù)據(jù)變量做好界定就可達(dá)到PLC系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整加藥量，在此過程中值班人只需以旁觀者的身份進(jìn)行觀察并及時(shí)作出判斷是否需要進(jìn)行人為的操作介入。通過以上改進(jìn)，極大的將值班人員從繁瑣的處理工序中解放出來。

（5）目前各個(gè)水廠都已通過以太網(wǎng)與集團(tuán)生產(chǎn)部進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，以便對(duì)下屬各生產(chǎn)單位及時(shí)做出合理的調(diào)整及指示。而廈門水務(wù)杏林水廠老舊的DH+通訊系統(tǒng)已基本無法滿足現(xiàn)有對(duì)廠區(qū)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)分析。

3.改造方法

針對(duì)水廠的實(shí)際情況及存在問題，擬對(duì)水廠進(jìn)行自動(dòng)化改造，具體方案如下：

（1）對(duì)原有的控制系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行全部更換，拆除老舊的控制系統(tǒng)；將原有的AB1746系列PLC處理器升級(jí)為AB1769系列，并對(duì)變量及開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)容，已滿足日益增長的設(shè)備更新需求。

（2）采用當(dāng)前主流配置的PLC控制器，采用開放型的以太網(wǎng)通訊及工控行業(yè)通用的OPC通訊方式；保證了廠部各車間站點(diǎn)的通訊實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，滿足了集團(tuán)調(diào)度室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求。

（3）恢復(fù)并改進(jìn)原有的控制方式，對(duì)水廠加藥、配藥、消毒、濾池恒液位控制及反沖洗、排泥、送水泵均采用全自動(dòng)控制方式；此改進(jìn)最大限度地釋放了勞動(dòng)力，使得值班人員有更多的精力來關(guān)注生產(chǎn)工藝過程中水質(zhì)情況，確保用戶能夠使用更優(yōu)質(zhì)的自來水。

（4）對(duì)原有不能滿足自動(dòng)控制需求的設(shè)備及控制柜進(jìn)行改造；如老舊的PLC系統(tǒng)無法對(duì)澄清池的排泥工序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過此次改造實(shí)現(xiàn)了通過值班室工控機(jī)對(duì)此工序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并進(jìn)行觀測(cè)，這是生產(chǎn)過程中自動(dòng)化的極大體現(xiàn)。

（5）對(duì)原有的控制界面進(jìn)行更改，并對(duì)新增控制系統(tǒng)通過趨勢(shì)圖等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。使得更新后的PLC控制系統(tǒng)更加美觀、實(shí)用。

（6）改造過程中，組織廠里相關(guān)技術(shù)人員全程跟進(jìn)配合施工方工程師并及時(shí)對(duì)不懂的地方進(jìn)行請(qǐng)教學(xué)習(xí)，以便在后期的運(yùn)行維護(hù)過程中做到熟練掌握，能夠做到對(duì)水廠自動(dòng)化及相關(guān)自動(dòng)控制進(jìn)行全面掌控。

4.改造后的部分功能

此絮凝劑加藥界面更加直觀，通過界面參數(shù)可對(duì)整個(gè)自動(dòng)加藥系統(tǒng)控制過程及參數(shù)進(jìn)行全面了解，采用立體及動(dòng)態(tài)效果，方便直觀的了解設(shè)備使用狀況；加藥量的控制采用流量比例及流動(dòng)電流進(jìn)行前饋加閉環(huán)控制，通過混合水在線濁度儀和出廠水在線濁度儀的濁度顯示進(jìn)行二次反饋，以確保更加合理有效的控制投藥量，保證了出廠水水質(zhì)穩(wěn)定，如圖2。

圖2 自動(dòng)加藥配藥絮凝系統(tǒng)

絮凝劑配藥系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)濃度換算與液位控制，并且能夠在自動(dòng)投加藥的過程中對(duì)兩個(gè)溶液池進(jìn)行自動(dòng)切換，然后及時(shí)在低液位溶液池重新進(jìn)行絮凝劑的稀釋。通過流量計(jì)及液位計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)稀釋過程中閥門及鼓風(fēng)設(shè)備的啟停等操作，減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并有效地避免了誤操作，如圖3。

圖3 自動(dòng)加氯消毒控制

前加氯采用進(jìn)廠水原水流量比例控制，后加氯采用流量比例及濾后余氯反饋控制，并增加補(bǔ)加氯控制系統(tǒng)，避免了手動(dòng)控制時(shí)無法及時(shí)有效的根據(jù)水質(zhì)水量的變化進(jìn)行氯氣投加量的調(diào)節(jié)，確保了監(jiān)測(cè)及投加控制的實(shí)時(shí)性。保證了出廠水余氯處于穩(wěn)定的合格區(qū)間。濾池控制如圖4.5：

圖4 凈化濾池控制界面

圖5 0#濾池控制界面

采用對(duì)原有濾池控制柜及反沖洗柜的改造，使濾池實(shí)現(xiàn)恒液位過濾控制及自動(dòng)反沖洗控制。恒液位控制能夠使濾池自動(dòng)通過濾池渾水水量的變化來及時(shí)調(diào)整濾池清水閥開啟度，保證濾池處于穩(wěn)定的恒液位狀態(tài)。濾池自動(dòng)反沖洗在反沖洗過程中，各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)直觀顯示，可及時(shí)查看各個(gè)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)并及時(shí)排除可能影響反沖洗的故障因數(shù)。同時(shí)，值班人員及工藝管理人員還可根據(jù)歷史趨勢(shì)曲線對(duì)恒液位過濾和反沖洗狀態(tài)進(jìn)行查詢分析，通過監(jiān)控界面既可對(duì)生成工藝及各設(shè)備使用狀況進(jìn)行全面了解。

5.改造效果

水廠自改造完成后，目前運(yùn)行情況良好，出廠水質(zhì)合格率達(dá)到99%以上，且相對(duì)于改造前具有以下實(shí)用性的效果：

（1）整個(gè)處理過程采用全自動(dòng)控制，通過諸多的反饋量來設(shè)置較為合理的PID控制方式，可合理有效的進(jìn)行藥劑量監(jiān)控，采用閉環(huán)控制，保證水質(zhì)穩(wěn)定、安全、合格。

（2）建立了較為完善的報(bào)警系統(tǒng)；對(duì)各設(shè)備的故障、水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)報(bào)警、清水池水位高低報(bào)警及漏氯報(bào)警等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并保證能對(duì)報(bào)警信息做出反饋，對(duì)未產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的閥門或設(shè)備進(jìn)行模擬報(bào)警分析，超過一定時(shí)間未響應(yīng)時(shí)提供設(shè)備故障報(bào)警信息，事故響應(yīng)更及時(shí)有效。

（3）將原有對(duì)配藥、濾池液位控制、濾池反沖洗及澄清池排泥等高強(qiáng)度且需要多人配合完成的工作采用全自動(dòng)化控制完成，極大的減小了操作勞動(dòng)強(qiáng)度，為操作人員帶來了便利。具體如下：

●通過對(duì)濾池配備超聲波液位計(jì)并采用PLC恒液位控制，避免了濾池清水閥的頻繁操作。極大緩解了上班人員的工作壓力，實(shí)現(xiàn)濾池液位快速調(diào)節(jié)控制。

●建立健全的報(bào)表系統(tǒng)，每小時(shí)自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入，供調(diào)度及集團(tuán)進(jìn)行電子查詢。

●采用開放型的OPC通訊服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘓F(tuán)總調(diào)度室，可供集團(tuán)實(shí)時(shí)掌控水廠的日常運(yùn)營情況。

總結(jié)分析

目前國內(nèi)自來水廠的自動(dòng)化程度雖已日益提高，新建水廠基本采用自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)，但針對(duì)老舊水廠，大部分仍處于半自動(dòng)或手動(dòng)控制方式。杏林水廠是典型的老舊水廠半自動(dòng)化控制方式，本次自動(dòng)化改造后基本實(shí)現(xiàn)了全廠自動(dòng)化控制功能，且對(duì)控制核心部分進(jìn)行了更新?lián)Q代，目前自動(dòng)化控制功能及設(shè)備均已達(dá)到全新的配置，基本滿足現(xiàn)階段對(duì)自來水廠的自動(dòng)控制需求。但此次改進(jìn)還略有不足之處，主要是老舊常規(guī)的生產(chǎn)設(shè)備無法與新型PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行較好的配套，如濾池系統(tǒng)清水閥目前使用的是較為老舊的意大利BIFFI清水閥，先不說完全啟閉時(shí)間較長，且波動(dòng)較大的開啟度反饋輸出都在一定程度上限制了自動(dòng)化恒液位的控制。然而高昂的設(shè)備更新成本無法讓所有老舊設(shè)備更新改造一蹴而就，因此在水廠的設(shè)備運(yùn)行管理及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的操作使用及學(xué)習(xí)上我們需要付出更多的努力?？傊敬涡恿炙畯S自動(dòng)化改造具有較高的先進(jìn)性及使用性，并具有很多值得借鑒與參考的意義。

（作者單位：福建省廈門水務(wù)集團(tuán)杏林水廠）

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理 科學(xué)出版社，2007.06

[2]孫凡才.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社