自動化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用

梁超

摘要： 隨著城市化建設(shè)步伐的加快，我國城市供水面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。而科學(xué)技術(shù)的進步，許多控制設(shè)備成功應(yīng)用在自來水廠建設(shè)領(lǐng)域?；诘吞辑h(huán)境下，為能實現(xiàn)自來水節(jié)能降耗目標，自來水廠應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)可有效滿足需求。本文重點對自動化控制系統(tǒng)在自來水廠節(jié)能降耗中的應(yīng)用進行探究。

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban water supply in China is faced with severe challenges. While with the progress of science and technology， many control equipment has been successfully applied in the field of water plant construction. Based on low-carbon environment， in order to achieve energy-saving tap water target， water plant automatic control system can effectively meet the demand. This paper focuses on the application of automatic control system in the water plant energy saving and consumption reduction.

關(guān)鍵詞： 自動化控制系統(tǒng)；自來水廠；節(jié)能降耗

Key words： automatic control system；water plant；energy saving and consumption reduction

中圖分類號：TU991.62 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0140-03

0 引言

近些年，我國城市供水需求的日益增加，及自動化水平提高與運用范圍的有效拓展，城市自來水廠十分重視自動化控制系統(tǒng)構(gòu)建。目前，自動化控制系統(tǒng)有效運用在自來水廠中，所展現(xiàn)的節(jié)能降耗優(yōu)勢更加明顯。文章著重研究了自來水廠中，自動化控制系統(tǒng)的節(jié)能與降耗方法，同時根據(jù)我國城市供水實際問題，深入分析了自動化系統(tǒng)的構(gòu)建途徑，從而希望為我國城市自來水廠成功構(gòu)建自動化控制系統(tǒng)提供參考，實現(xiàn)自來水廠的節(jié)能與降耗。

1 自動化控制系統(tǒng)概述

目前，自動化控制系統(tǒng)包含開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)也稱之為順序控制系統(tǒng)，其是由檢測元件與執(zhí)行機構(gòu)以及被控對象等組成，通常應(yīng)用在化工與機械領(lǐng)域。而閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱之為反饋控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要通過輸出量與期望值之間的偏差實現(xiàn)控制。基于給定信號角度分析，自動化控制系統(tǒng)包含程序控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)以及恒值控制系統(tǒng)[1]。隨著自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，其應(yīng)用價值越來越高，且應(yīng)用范圍也不斷拓展，例如在化工、機械制造及辦公室自動化等方面的應(yīng)用，甚至醫(yī)學(xué)與生態(tài)方面也可應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)。

步入21世紀后，科學(xué)技術(shù)成為社會發(fā)展的核心動力，并在社會發(fā)展中扮演關(guān)鍵角色，不管是國家發(fā)展或是社會進步，甚至個人發(fā)展，都需要借助科學(xué)技術(shù)與知識力量，從而才能夠立足社會，立足于世界。

2 制水工藝流程與自動化控制系統(tǒng)構(gòu)成分析

2.1 制水工藝流程 自來水廠的制水工藝流程比較復(fù)雜，具體如下：取水→制備和添加藥劑→混凝→平流沉淀與過濾沉淀→送水，詳細見圖1。如今我國城市自來水廠的制水工藝流程應(yīng)用的為最先進的深度處理工藝，其能夠滿足國家標準需求。同時，自來水廠的自動化控制儀表設(shè)備主要采用分布式的集散控制系統(tǒng)，并且融合互聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可完成自來水廠制水工藝自動化管控，有效提高自來水廠的制水工作效率與送水速率。

2.2 自來水自動化控制系統(tǒng) 綜合分析自來水廠的自動化控制系統(tǒng)中多個控制站，文章選取一級控制站進行研究，重點研究PLC自動化控制系統(tǒng)在控制站的軟件與軟件方面的設(shè)置。其中自來水PLC硬件配置主要由CPU、電源、模擬量一級通訊等組成，由于CPU與電源模塊一般設(shè)置左端插槽，因而其他相關(guān)模塊能夠隨意安裝[2]。根據(jù)現(xiàn)實情況設(shè)置自來水基架撥號，一般選擇16進制，但是“0”號主基架的撥碼例外，一定要統(tǒng)一設(shè)置為“0ff”狀態(tài)，如圖2。

3 自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能降耗的方法

3.1 取水泵站自動化控制系統(tǒng)設(shè)計方法 通常取水泵站應(yīng)設(shè)計4臺取水泵，實現(xiàn)自來水廠原水的有效供應(yīng)，其是自來水廠控制消耗的關(guān)鍵。由于取水泵消耗電量比較大，因而應(yīng)將取水泵分成兩組，其中運行的變頻泵應(yīng)設(shè)置成變頻泵組，而變頻泵和定速泵要設(shè)定成定速組。這樣每次運行過程中至少需要開啟一臺變頻器，如果運行的變頻泵達到預(yù)定時間，同時另一變頻泵未運行，就會自動切換到另一變頻泵[3]。而自動化控制系統(tǒng)就會依照清水池的水位變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)水泵運行數(shù)量。實現(xiàn)自來水廠取水泵節(jié)能降耗的方法如下：①科學(xué)調(diào)節(jié)取水變頻泵頻率。自來水廠原水變頻泵頻率要依照清水池水位具體設(shè)定值進行調(diào)賬。通過PLC來調(diào)節(jié)變頻泵頻率，而變頻泵頻率和頻率閾值一般用百分比進行表示。其中原水變頻泵工作頻率應(yīng)該控制在最小與最大頻率區(qū)間，并運用SCADA系統(tǒng)完成設(shè)定。通過PLC記錄變頻泵工作停止之前的相應(yīng)頻率，利于變頻泵啟動之后可以維持之前的工作頻率。②定速泵啟動數(shù)量調(diào)節(jié)。自來水廠定速泵啟動數(shù)量應(yīng)根據(jù)變頻泵具體工作頻率進行設(shè)定，同時為有效管控定速泵數(shù)量，就應(yīng)定義兩個限定值：其一是一臺定速泵在啟動后的變頻泵頻率；其二是一臺定速泵在停止之后變頻泵的頻率。

3.2 添加藥劑系統(tǒng)的自動化設(shè)計方法 文章主要研究加藥系統(tǒng)自動化設(shè)計與加氯消毒站自動化程序設(shè)計。

①加藥系統(tǒng)自動化設(shè)計，其目的是控制藥物消耗量。自來水廠的加藥系統(tǒng)自動化設(shè)計目的是管控聚合氯化鋁的添加，實現(xiàn)加藥系統(tǒng)的節(jié)能與降耗。因而自來水廠應(yīng)設(shè)定3臺加藥計量泵，且計量泵速度應(yīng)利用PLC進行計算，然后通過通信實現(xiàn)速度的給定有效控制。而聚合氯化鋁的加藥泵速度PLC設(shè)計需要綜合分析下述幾方面因素：首先，計算聚合氯化鋁的投加泵額定相應(yīng)投加流量，其單位是L/h；其次計算聚合氯化鋁的具體濃度，單位是g/L，其主要在配藥完成之后利用系統(tǒng)進行自動計算；最后是沉淀池的進水流量，單位是m3/h，是應(yīng)用PLC進行計算，若是投加濃度和原藥濃度以及泵沖程不變，而投加泵頻率與沉淀池進水量就會呈現(xiàn)現(xiàn)行關(guān)系。另外為確保節(jié)能與降耗效果，設(shè)計過程中要依照各種原水濁度實現(xiàn)投加比例的科學(xué)調(diào)節(jié)。

②加氯消毒站自動化程序設(shè)計。自來水廠中加氯系統(tǒng)主要由氣源系統(tǒng)、真空加氯系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)以及電氣檢測儀表系統(tǒng)等構(gòu)成。為能夠了解加氯是否處于手動或者是自動加氯狀態(tài)，應(yīng)在加氯機中設(shè)置加氯機手動/自動選取信號。自來水廠的加氯控制設(shè)計分成前加氯控制設(shè)計與后加氯控制設(shè)計，其中前加氯控制設(shè)計功能是去除藻類與破壞膠體，因此前加氯通常要依照遠水流量的比例進行投加，如果加氯機發(fā)生故障，就會在SCADA中發(fā)出警報，同時自動切換到備用前加氯機狀態(tài)。而后加氯控制設(shè)計，其功能是確保出廠水中的氯含量控制在合理區(qū)域內(nèi)，能夠?qū)η逅嘏c出水管道完成消毒。而控制原理與前加氯控制基本相同，若是加氯機發(fā)生故障，也會在SCADA中發(fā)揮警報，同時自動切換到備用前加氯機工作狀態(tài)。

3.3 沉淀池排泥系統(tǒng)的自動化控制設(shè)計方法 自來水廠中沉淀池排泥系統(tǒng)包含排泥閥與排泥車。實現(xiàn)沉淀池排泥的節(jié)能與降耗核心是保證排泥時排水的科學(xué)應(yīng)用，并且污泥排放過程中盡可能降低不必要排水。①沉淀池排泥閥的管控。自來水廠中沉淀池排泥閥通常是進行周期性排泥，而排泥周期與排泥閥的具體開閥時間要根據(jù)實際情況進行設(shè)置。其中排泥周期進行設(shè)置時，用戶要依照原水水質(zhì)科學(xué)設(shè)定排泥周期，盡可能降低排泥時間。同時各個排泥閥的具體開閥時間設(shè)定時，用戶應(yīng)分析平流沉淀池特點，合理設(shè)定相應(yīng)的開閥時間。②排泥車控制。自來水廠排泥車控制方法如下：因為沉淀池的程度一般為100m，根據(jù)沉淀池相關(guān)沉淀特點，自來水廠沉淀池進水至出水過程中，池底沉積的厚度規(guī)律是由多至小，呈現(xiàn)逐級遞減的特點。因而，為在保證排泥車排泥效果的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)能與降耗，自來水廠排泥車中行走電機應(yīng)該選擇變速電機，并且沉淀池進水端應(yīng)該慢速行走，但是沉淀池出水端應(yīng)該快速行走，或者是排泥車中行走電機選擇定速電機，這樣排泥車就能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能與降耗。

3.4 送水泵站的自動化控制設(shè)計 自來水廠中送水泵房一般設(shè)置4臺清水泵，主要是2臺變頻泵與2臺定速泵。正常工作過程中是3用1備。但是自來水廠送水泵工作狀態(tài)下至少一臺變頻器要運行，若是運行變頻泵的設(shè)定工作時間到時，同時另一變頻泵未運行，這樣就會自動切換到另一變頻泵。送水泵站系統(tǒng)主要分成兩個小組，一組為運行變頻泵設(shè)計成變頻泵組（P401A/C），另一組定速泵（P401B/D）設(shè)定成定速。另外變頻泵具體工作頻率需要依照出水廠壓力的設(shè)定數(shù)值進行相應(yīng)調(diào)整，而定速泵啟動數(shù)量要依照變頻泵的工作頻率設(shè)定啟動臺數(shù)。送水泵站實現(xiàn)節(jié)能與降耗的方法如下：①合理調(diào)節(jié)加壓變頻泵工作頻率。進行加壓變頻泵工作頻率設(shè)計時，應(yīng)依照SCADA進行設(shè)定壓力值，并且完成PID恒溫控制，通過PLC實現(xiàn)變頻泵工作頻率的調(diào)節(jié)。②提高變頻泵的工作頻率。送水泵站變頻泵的工作頻率主要根據(jù)用戶設(shè)計的壓力值和實際管道壓力計進行設(shè)定，而PLC可應(yīng)用PID運算實現(xiàn)變頻泵工作頻率的調(diào)整，如果管道的壓力未達到用戶所設(shè)定的壓力，就要相應(yīng)提高變頻泵的工作效率。③降低變頻泵的工作效率。PLC應(yīng)用PID運算實現(xiàn)變頻泵工作頻率的調(diào)節(jié)，如果管道壓力超過用戶設(shè)計的壓力，就應(yīng)該合理降低變頻泵的工作效率。④定速泵啟動臺數(shù)。送水泵站中定速泵啟動臺數(shù)，主要根據(jù)變變頻泵的工作頻率設(shè)定。為加強定速泵工作臺數(shù)的管控，應(yīng)定義兩個限定值：限定值（Ⅰ）增加一臺定速泵時變頻泵頻率限定值（Ⅱ）：停止一臺定速泵時變頻泵頻率。⑤啟動單臺送水的定速泵。如果變頻泵的工作頻率超過了限定值（Ⅰ），同時至少一臺定速泵運行，就要啟動一臺定速泵。

4 總結(jié)

目前，我國城市化建設(shè)步伐的加快，城市用水需求日益提高，為滿足居民日常生活與工作用水需求，提高自來水水質(zhì)，自來水廠十分重視自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用。自來水廠應(yīng)用自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)取水、制備和添加藥劑、沉淀以及送水，可提高取水工作效率，減小藥耗與能耗，并降低工作強度，有效加強自來水廠的管理水平，顯著提高自來水水質(zhì)，使企業(yè)獲取最大的經(jīng)濟效益與社會效益。因而，自來水廠要積極推廣自動化控制系統(tǒng)的運用。

參考文獻：

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