凈水廠水處理控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

【摘 要】水是人們賴以生存的基礎(chǔ)，是全球重要的自然資源。人口和經(jīng)濟的增長與日益缺乏的水資源己經(jīng)成為一個非常嚴(yán)重的矛盾問題。水資源污染程度嚴(yán)重、人們對飲用水的需求量和水質(zhì)要求的提高以及基礎(chǔ)建設(shè)資金的缺乏，是當(dāng)前水處理技術(shù)所面臨的問題。本文主要就對凈水廠水處理控制系統(tǒng)相關(guān)方面進行分析，重點闡述其硬件設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】凈水廠；水處理；控制系統(tǒng)；研究

一、水處理控制系統(tǒng)的技術(shù)要求

水處理過程中自動控制的目標(biāo)是：通過提高水處理過程的自動化程度，來保證優(yōu)質(zhì)、高效的供水質(zhì)量，提高水廠的管理水平、生產(chǎn)效率，進而降低工作人員的勞動強度，具體體現(xiàn)在以下方面：（1）優(yōu)化給水的水質(zhì)。為了充分提高給水的水質(zhì)安全性與可靠性，運用自動化系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)控制。比如，可以根據(jù)澄清池中的原水濁度以及水質(zhì)的情況，控制系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)混合池中的加藥量，從而在保證出水口水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，降低了水處理控制系統(tǒng)運行的費用。（2）檢測各種工藝參數(shù)。整個控制系統(tǒng)可以持續(xù)檢測水廠的工藝參數(shù)，并能夠依據(jù)這些參數(shù)來實現(xiàn)自動控制操作，協(xié)調(diào)供需關(guān)系以及各個部分間的聯(lián)系，保證各種設(shè)備和設(shè)施能夠得到充分的利用。與此同時，系統(tǒng)可以根據(jù)據(jù)檢測到的參數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)定值進行比較，及時自我調(diào)整來保證水處理質(zhì)量。（3）具有在線與離線自診斷功能。其硬件診斷可以定位到模塊；軟件診斷能夠自動給出故障性質(zhì)以及部位，在線運行時，當(dāng)診斷出故障問題時，可以按照系統(tǒng)原先設(shè)定的程序進行故障處理。（4）自動控制系統(tǒng)能在極端的環(huán)境（高溫、惡臭、腐蝕等）中可穩(wěn)定運行，同時在日常正常運行時，自動控制系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測到的壓力信號對水泵進行合理的調(diào)節(jié)，通過恒壓方式運行最大限度的節(jié)約能耗，即實現(xiàn)能耗的優(yōu)化。（5）豐富的人機界面。自動控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，對工藝的過程參數(shù)進行連續(xù)記錄，并按照設(shè)定的要求打印各種報表；事故前后各項參數(shù)的值能被自動記錄，供工作人員分析與診斷。

二、凈水廠控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益更新，凈水行業(yè)的自動化水平也越來越高。目前，國內(nèi)凈水廠大部分采用以下幾種控制系統(tǒng)：DCS系統(tǒng)，F(xiàn)CS系統(tǒng)，IPC+PLC系統(tǒng)。

（一）集散式控制系統(tǒng)（DCS）。DCS系統(tǒng)是以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，且由過程控制級和過程監(jiān)控級相結(jié)合而組成的多級計算機系統(tǒng)，它主要是針對一些大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過程多參數(shù)和多控制回路的特點而建立的一種控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)主要有生產(chǎn)管理級（MIC）、計算機監(jiān)督控制級（SCC）和分散過程控制級（DDC）三部分構(gòu)成，凈水廠DCS系統(tǒng)使用的結(jié)構(gòu)通常為：工業(yè)級計算機（IPC）+可編程控制器（PLC）+小型的PLC（SLC）。在其網(wǎng)絡(luò)的配置上通常釆用的是：最上層為連接的工作站的局域網(wǎng)，主要有管理PC工作站以及中控室中的監(jiān)控DCS工作站；中間層則是Control Net網(wǎng)，主要負責(zé)連接每一個現(xiàn)場PLC子站；最底層是DH網(wǎng)，使用的對象主要針對的是小型的PLC。在集散式控制系統(tǒng)中，各生產(chǎn)工藝、各種設(shè)備可以同時并行工作，且基本上它們都是相互獨立的。對于該系統(tǒng)來說，僅僅把一些有用的信息傳到中央控制室即可，而每臺計算機在剩余的很多時間里都是在并行的就地運行。

（二）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。FCS系統(tǒng)的核心是現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線是面向生產(chǎn)自動化和信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是連接自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備的多分支結(jié)構(gòu)、雙向傳輸、數(shù)字式、全分散的通信網(wǎng)絡(luò)。同時現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)代計算機技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化控制技術(shù)、微處理器技術(shù)和儀器儀表工業(yè)技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表的數(shù)字化以及儀表之間的數(shù)字連接，這樣既提高了系統(tǒng)中信號傳遞的精度，又能減輕維護系統(tǒng)時所需的工作量。

（三）工業(yè)PC和PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)。IPC+PLC系統(tǒng)是工業(yè)計算機和可編程控制器組成的分布控制系統(tǒng)按照“集中管理、分散控制”的原則來進行設(shè)計，組網(wǎng)方式簡單，可靠性高，組合靈活，配置簡潔，不同的現(xiàn)場信號都有相應(yīng)的功能模塊與工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表直接互連，容易實現(xiàn)機電一體化。尤其是PLC作為主要的控制單元，用戶使用方便，可靠性高，抗干擾能力強，應(yīng)用程序一般會采用順序功能或者梯形圖編程，邏輯性強，在生產(chǎn)過程按邏輯順序或時間順序控制的場合比較適用。因此，水廠控制系統(tǒng)采用IPC+PLC是比較理想的控制方式。

三、控制系統(tǒng)的配置

（一）主要設(shè)備的選型。（1）可編程控制器PLC。PLC是可編制程序的存儲器，可以在其內(nèi)部存儲并執(zhí)行一些操作指令（比如：邏輯運算、定時以及順序控制等），能夠采用數(shù)字式輸入輸出或者模擬式的輸入輸出的方法，來實現(xiàn)對各種各樣的機械或者現(xiàn)場的生產(chǎn)過程進行有效控制。在一個控制系統(tǒng)中，PLC如果要實現(xiàn)一個具體的控制任務(wù)，首先要分析出被控對象對整個控制系統(tǒng)的要求，然后編出相對應(yīng)的控制程序，利用相關(guān)的編程軟件把控制程序準(zhǔn)確的寫入到對應(yīng)的程序存儲器中。在系統(tǒng)進行運行時，PLC將會依次讀取對應(yīng)存儲器中的程序語句，解釋其內(nèi)容并加以執(zhí)行。PLC將會根據(jù)輸入設(shè)備的狀態(tài)或者其他的控制條件，把程序執(zhí)行的結(jié)果輸出到相對應(yīng)的輸出設(shè)備，進而來控制被控對象的工作。為了滿足不同控制任務(wù)的需求，PLC采用編程軟件實現(xiàn)控制邏輯，具有靈活、通用、可靠性高等特點。此外，PLC除了能實現(xiàn)多種控制功能以外，與其他的計算機還可以進行通信聯(lián)網(wǎng)。（2）工控機。工控機可作為一個工業(yè)控制器在惡劣的工業(yè)環(huán)境（包括劇烈的震動、干擾較強的電磁場力、灰塵比較多等）中可靠運行，通常它都是持續(xù)工作且不停機。而研華工控機具有連續(xù)工作時間長，且抗干擾能力強，工作性能相對穩(wěn)定。因此，該凈水廠系統(tǒng)中選用研華IPC-610工控機作為監(jiān)控中心上位機，保證系統(tǒng)可靠安全的工作。（3）變頻器。變頻器是一種結(jié)合了微電子技術(shù)和變頻技術(shù)等先進科學(xué)技術(shù)，并以改變電動機工作電源的頻率來實現(xiàn)對交流電動機變頻控制的電力設(shè)備。在本系統(tǒng)中需要變頻控制的泵不僅包括大功率的加壓泵，而且還包括小功率的加藥計量泵。且該凈水廠控制系統(tǒng)利用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)調(diào)節(jié)供水水量，保證能夠恒壓供水；同時也利用變頻器調(diào)節(jié)加藥計量泵，實現(xiàn)科學(xué)準(zhǔn)確的投加藥劑。

（二）主要儀表的選取。（1）流量計。以水庫的出口尾水為水源，取水口的出水情況直接關(guān)系到凈水系統(tǒng)的水質(zhì)。超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。它的工作原理與液體的流速有很大的關(guān)系，當(dāng)液體流動的時候，超聲波束傳播的時間會發(fā)生變化，通常順流反向的聲波傳輸?shù)臅r間往往小于逆流反向的聲波傳輸時間。（2）液位計。靜壓液位計是測量液位的壓力傳感器，它的工作原理是：根據(jù)被測液體的靜壓和液體的高度成比例的原理來確定被測液體的具體液位。（3）漏氯報警儀。在氯氣出現(xiàn)泄漏的狀況下，系統(tǒng)能夠自動檢測同時實現(xiàn)自動報警的儀器稱為漏氯報警儀。漏氯報警儀大致可以分為兩種：膜片式與電解液式。一種漏氯報警儀為膜片式，這種類型的膜片一般不用對其進行維護，且它的使用期限通常為兩年。另一種電解液式漏氯報警儀若要保持正常使用就必須對儀器進行定期添加堿液等電解液。兩者相比，膜片式漏氣報警儀比電解液式漏氯報警儀靈敏，在氯氣發(fā)生劑的作用下能自行啟動，而電解式漏氯報警儀在氯氣發(fā)生劑的作用下很少能正常啟動。

四、主要控制單元的硬件設(shè)計

（一）澄清車間控制站的硬件設(shè)計。在澄清車間中內(nèi)設(shè)控制柜1個，它包含對原水調(diào)節(jié)池、污泥調(diào)節(jié)池、污泥池以及高密度沉淀池中設(shè)備的控制?？刂频闹饕獌?nèi)容有：中心式旋轉(zhuǎn)刮泥機的啟停，框式攪拌機、推流型潛水?dāng)嚢杵骱突旌闲蛿嚢铏C的啟停與轉(zhuǎn)速，污泥回流泵、排泥泵和潛污泵的啟停，電動蝶閥的開關(guān)等。（二）脫水間控制站的硬件設(shè)計。脫水間工作站內(nèi)設(shè)控制柜1個，主要完成對加藥間加藥量的控制，排泥以及回收水的控制。主要的控制內(nèi)容有：加藥間投藥泵，脫水間污泥濃縮脫水一體機和空壓機及相關(guān)管道上的電動球閥。本站實現(xiàn)的主要功能：實現(xiàn)對脫水車間各工藝參數(shù)及運行時間的監(jiān)測；根據(jù)生產(chǎn)的需要實現(xiàn)對空壓機組的控制，并檢測空壓機組的工作狀態(tài)；根據(jù)工藝要求對各個電動設(shè)備進行自動控制：實現(xiàn)PLC站與全廠的網(wǎng)絡(luò)通信。（三）加氯間控制站的硬件設(shè)計。加氯車間的控制室，包括1個PLC控制柜，負責(zé)完成加氯相關(guān)的設(shè)備的信號數(shù)據(jù)采集及各電控設(shè)備的聯(lián)動控制。本站實現(xiàn)的主要功能：實現(xiàn)PLC站與全廠的網(wǎng)絡(luò)通信；根據(jù)工藝要求對各個電動設(shè)備進行自動控制；實現(xiàn)對加氯車間余氯量進行監(jiān)測。（四）過濾車間控制站的硬件設(shè)計。在過濾車間中內(nèi)設(shè)控制柜一個，主要的任務(wù)是完成對過濾以及臭氧活性炭車間設(shè)備的控制?？刂苾?nèi)容及信號有：濾池過濾以及沖洗過程中閥門的開關(guān)，濾池水位信息，排泥設(shè)備的啟停等。整個濾池車間中包含了若干個蝶閥、泵以及鼓風(fēng)機等設(shè)備。（五）加壓站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。加壓站控制站內(nèi)設(shè)計1個控制柜，主要的任務(wù)是：控制加壓泵的運行以及閥門的開關(guān)，控制消化栓泵以及閥等設(shè)備，同時采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要包含有：管道上真空表，吸水井中的余氯儀、溫度儀、濁度儀、COD儀以及出水口流量計顯示的數(shù)據(jù)。

結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，凈水工藝以及控制系統(tǒng)也在不斷的進步，國內(nèi)很多水廠已經(jīng)實現(xiàn)了自動化控制，從而保證用戶飲用水的安全。但是不論在工藝上還是在自動控制上仍然存在著一些問題，需要我們對進一步的研究。

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