自動控制技術(shù)在河南水廠30萬t氣水反沖濾池的應(yīng)用

蔣維慎

（廣西綠城水務(wù)股份有限公司）

自動控制技術(shù)在河南水廠30萬t氣水反沖濾池的應(yīng)用

蔣維慎

（廣西綠城水務(wù)股份有限公司）

本文總結(jié)了自動控制技術(shù)在河南水廠改造擴建的氣水反沖濾池使用經(jīng)驗，并提出控制參數(shù)設(shè)定經(jīng)驗值及在使用中遇到問題和解決途徑。

氣水反沖濾池；PLC；現(xiàn)場控制站；儀表

引言

河南水廠改擴建工程于2013年開始動工，2015年8月過濾能力為30萬t的氣水反沖濾池投入使用。該濾池共有14格子濾池，均采用自動控制模式運行，因此自動控制技術(shù)在濾池自動運行上的順利應(yīng)用尤為重要。

1 氣水反沖濾池及反沖洗站自動控制說明

1.1 氣水反沖濾池及反沖洗站工藝總述

濾池自動控制系統(tǒng)在此工藝流程中需要實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)濾速和完成自動反沖洗及參數(shù)采集顯示的功能。濾池子站與反沖泵房主站通過以太網(wǎng)進行通信，主站主要用來控制鼓風(fēng)機、反沖泵空壓機及其他設(shè)備，子站主要用來監(jiān)控各濾池的運行狀態(tài)，控制濾池水位，判斷是否需要反沖洗。

1.2 工藝過程

原水經(jīng)過沉淀后成為待濾水進入配水總渠-單格進水閘門-V形槽-石英砂濾層-礫石承托層-長柄濾頭-單格集水渠-清水出水閥（可調(diào)）出水穩(wěn)流井-清水總渠-出水總渠進入清水池，濾池采用恒水位等速過濾運行方式，每格濾池設(shè)有液位計采集液位，用以對各濾格清水閥開啟度進行控制，使濾池水位保持相對恒定。當(dāng)濾池運行一段時間后，隨著濾出懸浮物在濾層間堆積，濾料水阻力逐漸增大，此時雖然濾后水濁度不會發(fā)生大的變化，但如果不及時反沖洗，水阻力也會增大，造成過濾水氣阻，出水水質(zhì)變差，濾料污染，濾速下降，因此必需要對濾池進行反沖洗。在進行反沖洗時，首先打開濾池的氣洗閥，啟動兩臺鼓風(fēng)機（其中一臺為工頻運行，一臺為變頻運行），對濾池進行氣沖洗；氣沖洗完成后，啟動兩臺水泵（其中一臺為工頻運行，一臺為變頻運行），對濾池進行氣水聯(lián)合沖洗；最后關(guān)閉兩臺鼓風(fēng)機，僅開啟兩臺水泵對濾池進行水沖洗。反沖洗水配水由濾后水匯集到吸水井，自DN600反沖洗管進入濾池水渠，通過出水管道將水流從下往上均勻分布通過濾池。氣水反沖濾池濾料上部設(shè)有排水槽，反沖洗水經(jīng)過排水槽排水。濾池反沖完成后關(guān)閉氣沖閥、反沖閥、排水閥，打開初濾閥排放初濾水，打開余氣閥排氣，結(jié)束排放初濾水后，恢復(fù)運行。

2 每格濾池配備子站和控制儀表、控制設(shè)備及變量

2.1 子站變量

濾池共有14個濾格，每個濾格均采用一個I/O子站對各個閥門、參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)，共14個子站，每個子站配有一臺觸摸屏，觸摸屏功能：模擬顯示各濾格的工作狀況及反沖洗的狀態(tài)，顯示設(shè)備報警狀況，顯示工藝參數(shù)，各儀表參數(shù)等，每個子站均可獨立實現(xiàn)本格濾池檢測、調(diào)節(jié)、反沖洗控制功能。子站檢測和控制參數(shù)有：

模擬量：濾池液位，水頭損失，清水閥開度，清水閥設(shè)定值。

離散量：進水閥，排水閥，氣沖閥，水沖閥，排氣閥，初濾閥。

子站可顯示狀態(tài)：通信狀態(tài)，故障復(fù)位，強制沖洗，過濾時間。

2.2 控制回路部分

氣水反沖濾池正常過濾控制和反沖洗控制兩大控制模塊，濾池14個濾格子站共用一個PLC來控制反沖洗水泵和鼓風(fēng)機等設(shè)備，稱為公共PLC放置反沖泵房。遠程I/O子站通過光纖入接入反沖泵房公共PLC，通過以太網(wǎng)協(xié)議進行通訊。在公共PLC站可實現(xiàn)1-7，8-14號或者1-14號濾池一次性反沖洗工作，同時可以顯示濾池子站所有參數(shù)，鼓風(fēng)機、反沖泵運行參數(shù)并可以完成每個參數(shù)修改設(shè)定。

2.3 子站接入的儀表

子站接入儀表有絮凝沉淀池濁度儀，濾后水濁度儀，濾后水余氯儀，清水池水位等儀表，以上儀表的4～20mA信號直接線到1號濾池子站，通過隔離器與其他子站通訊。

3 濾池控制工作模式

濾池控制模式分為兩部分：①濾池正常工作時檢測、控制模式；②濾池反沖洗時控制模式。

3.1 濾池正常工作時的控制過程

濾池正常過濾工作時，由各濾格的PLC控制進水閥打開，在自動過濾狀態(tài)下進水閥全開，由于濾池正常過濾時要求水位恒定，而在進水閥全開時，必須調(diào)節(jié)清水閥的開度調(diào)節(jié)濾速以維持水位恒定。當(dāng)濾格的PLC在接收到來自濾池液位計的4～20mA模擬信號，經(jīng)過PID（閉環(huán)控制）運算后，可以確定出清水閥的開啟度，從而由各濾格PLC輸出4～20mA模擬量信號對各濾格清水閥開啟度進行控制，使濾池水位保持相對恒定。而在手動控制狀態(tài)下清水閥開度可調(diào)，不受濾池液位的干擾。

3.2 濾池正常工作時的系統(tǒng)警報設(shè)置

子站在濾池工作時隨時監(jiān)控濾池參數(shù)，同時也可以對接入儀表參數(shù)進行顯示報警，如清水池液位過高、濾后水濁度接近警示值。清水池液位過高根據(jù)溢流口標(biāo)高計算設(shè)定為3.85m，濾后水濁度報警設(shè)定為：0.8NTU，鼓風(fēng)機、反沖泵在運行啟動時出現(xiàn)故障也會報警。當(dāng)報警啟動后，子站畫面顯示報警并觸發(fā)鈴聲提示值班人員處理。

4 濾池反沖洗的控制

濾池的反沖洗控制可分為兩部分：反沖洗啟動控制和反沖洗過程控制。

4.1 反沖洗啟動設(shè)定有四個條件

（1）過濾周期：根據(jù)工藝要求，在計算機或觸摸屏上設(shè)定最大過濾時間48h，濾池開始過濾時，各濾格PLC開時計時，并將實際過濾時間與設(shè)定的時間進行比較，若實際過濾時間大于設(shè)定的時間，則濾格PLC向公共PLC發(fā)出沖洗請求信號。

（2）水頭損失值：在觸摸屏或中控室計算機上設(shè)定最大水頭損失值。當(dāng)濾池過濾時，壓差計連續(xù)測得該格濾池的水頭損失值，PLC將該值與設(shè)定值進行比較，若該值大于或等于設(shè)定值，則濾格PLC向公共ULC發(fā)出反沖洗請求，目前強制反沖洗的水頭損失設(shè)為3.2m。

（3）濾后水濁度超標(biāo)，根據(jù)國家衛(wèi)生飲用水規(guī)范要求及廠內(nèi)質(zhì)量管理體系要求，出廠水和濾后水濁度不能超過1NTU，因此我們將濾后水濁度設(shè)定為0.8NTU即可進行1-14號池強制反沖洗。

（4）人工請求沖洗：由人工通過上位機或主站公共PLC，子站觸摸屏上的強制反沖洗功能鍵來下達反沖洗指令。

當(dāng)四個條件滿足一個時，反沖洗工作啟動。

4.2 氣水反沖濾池反沖洗過程控制方式

采用“氣沖洗4min——氣-水混合沖洗6min——水沖洗4min”的沖洗方式，這個沖洗時間能有效控制反沖洗水量，又能保證反沖洗質(zhì)量，確保濾后水水質(zhì)。

（1）反沖洗控制過程

反沖洗的控制過程如圖1。

圖1

（2）當(dāng)反沖洗啟動時，濾格子站PLC發(fā)出指令，進水閥門關(guān)閉，停止待濾水進水，清水閥打開至80%，待50s后濾池水位落下，反沖洗排水閥打開，同時關(guān)閉濾池的清水閥，開啟氣沖閥。

（3）PLC總站先后開啟兩臺鼓風(fēng)機，其中一臺是變頻控制，運行頻率設(shè)定為40Hz，壓縮空氣進入濾池底部空間，開始氣沖洗，沖洗時間可設(shè)定為4min。

（4）氣沖4min后，公共PLC控制兩臺反沖水泵啟動運行，其中一臺是變頻控制，運行頻率設(shè)定為40Hz，濾格子站PLC控制水沖閥打開，對濾池進行氣水混合沖洗。時間約6min。6min后關(guān)閉鼓風(fēng)機及氣沖閥，開啟排氣閥，排除配氣系統(tǒng)積氣后，關(guān)閉排氣閥。打開下一個待反沖濾池的氣閥進入下一個濾池沖洗程序。

（5）單獨進行水沖洗，兩臺沖反沖洗水泵保持開啟狀態(tài)，將濾床內(nèi)的空氣和泥水排走，以免造成氣阻。水沖洗時間約4min，關(guān)閉反沖洗閥和排水閥。

（6）打開待濾水進水閥門，為確保濾后水質(zhì)打開初濾水閥門20s進行排水后關(guān)閉，當(dāng)濾池水位回升至適當(dāng)高度時在計算機或觸摸屏上設(shè)定一高度值，（目前設(shè)定是0.5m）由液位計檢測實際高度，當(dāng)兩者相等時再打開濾后水出水閥，結(jié)束反沖洗過程。

4.3 反沖洗泵和鼓風(fēng)機的控制

采用軟啟動控制和變頻控制，軟啟動可與公共沖洗PLC通過MODBUS通訊可以讀取鼓風(fēng)機電流等相關(guān)參數(shù)，自動控制時，由PLC根據(jù)工藝過程輸出信號控制啟動和停止。反沖洗泵、鼓風(fēng)機采取兩用一備的方式，其中其中優(yōu)先啟動變頻機組，當(dāng)一臺設(shè)備有故障自動跳轉(zhuǎn)另一臺設(shè)備運行。

5 調(diào)試中存在問題及解決方法

5.1 增加上位機對濾池進行控制

氣水反沖濾池投入運行后，值班人需要值守舊制水系統(tǒng)，對新濾池運行檢查只能定時巡檢，不能時時監(jiān)控到濾池運行狀態(tài)，在濾池反沖洗時還必需有值班人員前往監(jiān)控以防反沖洗程序出現(xiàn)錯誤得不到及時處理。為了能實現(xiàn)對濾池參數(shù)的觀察和運行控制，我廠要求廠家另外做子程序?qū)⒎礇_泵房的公共PLC控制主站通過以太網(wǎng)跟調(diào)度上位機通訊。上位機可以完成工藝的動態(tài)顯示，時時檢測到濾池運行情況。值班人員在調(diào)度值班室能觀察到濾池的運行情況，并進行反沖洗的遠程控制，有效地降低操作人員勞動強度并提高濾池的生產(chǎn)效率。

5.2 反沖過程修改

原反沖過程設(shè)計如下：運行一臺鼓風(fēng)機單獨氣洗2min，氣水同時反沖洗運行兩臺鼓風(fēng)機和一臺水泵4min，清水漂洗運行兩臺反沖泵6min。原設(shè)計的時間不合理，不能確保濾池持續(xù)進行反沖洗且現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)氣沖的時間和強度不夠，而水清洗4min后清洗效果已經(jīng)很好，清水反沖時間長造成浪費。經(jīng)過多次試驗將沖洗程序改為運行兩臺鼓風(fēng)機單獨氣洗4min，運行兩臺鼓風(fēng)機兩臺水泵氣水同時反沖洗6min，運行兩臺反沖泵清水漂洗4min。為了避免跑沙將變頻機組頻率設(shè)定為40Hz，經(jīng)過測試反沖強度為 4.6L/m2·s，達到設(shè)計要求的 4.6～5.0L/m2·s。

5.3 反沖模式控制優(yōu)化

（1）原來主站PLC設(shè)計僅能一次性控制1～14號濾池清洗，對水廠一次性廠用水損耗過大，清水池水位下降很快，不利于水位調(diào)節(jié)和生產(chǎn)。經(jīng)過修改，主站PLC可以控制1～7號，8～14號，1～14號樓濾池清洗。

（2）按照設(shè)計，反沖開始時，濾格內(nèi)的清水將被排走，造成浪費。我們將反沖程序改為反沖開始后關(guān)閉進水閥后，將清水閥開度增大到80%，時間設(shè)計為50s，濾格的水過濾后進入清水池，不造成浪費。根據(jù)這樣計算，每天可以節(jié)約約670m3的沉淀水，每月可以節(jié)約大約2萬m3的沉淀水，有一定的經(jīng)濟效益。

（3）初濾水的排放。原設(shè)計初濾水排放只有10s，初段的濾后水濁度接近0.8NTU，不利于水質(zhì)控制，將初濾水排放設(shè)計為20s，初段的濾后水濁度接近0.4NTU，有利于水質(zhì)控制。

6 待解決及需注意的問題

（1）目前測試，濾格的濾速大都為7.25m/h左右，達不到設(shè)計濾速7.75m/h，但是在PLC總站、上位機無法通過設(shè)定液位高度來調(diào)節(jié)濾速，希望在下一步工作中得到優(yōu)化。

（2）變頻的鼓風(fēng)機、反沖泵設(shè)備還不能在上位機完成調(diào)速設(shè)定，濾池反沖進程時間沒有在上位機上顯示，不能明確反沖洗進行了多長時間。

（3）反沖洗時間的設(shè)定要等距，否則反沖洗不能連續(xù)進行。如：氣沖洗和水沖洗時間要相同，氣水混合沖洗時間可調(diào)。

TP273

A

1004-7344（2016）07-0237-02

2016-2-18