水廠V型濾池控制系統(tǒng)設(shè)計

何亮

摘要：V型濾池是整個水廠處理工藝中最重要的環(huán)節(jié)，而濾池的控制系統(tǒng)又是保證濾池正常、高效運行的關(guān)鍵。本文結(jié)合山西運城安邑水廠的實際情況，完成控制系統(tǒng)設(shè)計，使得濾池液位保持在恒定值，并將反洗效果達(dá)到了最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：V型濾池;恒水位;反沖洗;

V型濾池屬于快濾池中的一種，其進(jìn)水槽形狀呈V字形，也稱為均粒濾料濾池（其濾料采用均質(zhì)濾料），它是于20世紀(jì)80年代末我國從法國Degremont公司引進(jìn)的技術(shù)。它是整個水廠處理工藝中最重要的環(huán)節(jié)，而濾池的控制系統(tǒng)又是保證濾池正常、高效運行的關(guān)鍵。所以濾池控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞，直接關(guān)系到整個水廠的出水水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，產(chǎn)水成本的高低。本文結(jié)合山西運城安邑水廠的實際情況，完成控制系統(tǒng)設(shè)計，通過使用PID算法控制器，使V型濾池液位能迅速穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。通過PLC及上位機(jī)的結(jié)合，反洗效果也達(dá)到了最佳狀態(tài)。

1.V型濾池工藝介紹

V型濾池包括濾池本體、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)房、反沖洗水泵房、反沖洗水池、配電間。根據(jù)山西運城安邑水廠規(guī)模，可以設(shè)置4個數(shù)量的濾格。濾池的工作過程分為恒水位過濾及反沖洗。恒水位過濾時，打開進(jìn)水閥，根據(jù)超聲波液位計采集的液位值，通過PLC經(jīng)過PID運算后控制出水調(diào)節(jié)閥的開度，保持液位的恒定。反沖洗分為氣洗、氣水洗、水洗三個階段，主要用來保證濾料的清潔。

2. V型濾池控制系統(tǒng)組成

V型濾池的控制系統(tǒng)分三層，分別為現(xiàn)場層、控制層及管理層。

現(xiàn)場層包括現(xiàn)場PLC、風(fēng)機(jī)控制箱、水泵控制箱、閥門、儀表、空壓機(jī)。每個濾池包含進(jìn)水閥門、出水閥門、反沖洗進(jìn)氣閥門、反沖洗進(jìn)水閥門、反沖洗排水閥、放空閥六個閥門。濾格超聲波液位計、水頭損失儀兩塊儀表?？諌簷C(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)及反沖洗進(jìn)水總閥為公共設(shè)備。清水池超聲波液位計、進(jìn)出水濁度儀及反沖洗流量計為公共儀表。山西運城安邑水廠的PLC采用西門子S7-300，現(xiàn)場每兩組濾格使用一套PLC，公共設(shè)備使用一套PLC。所有數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳到中控室上位機(jī)中，在上位機(jī)上以圖形化界面實時顯示出來。通過PLC 數(shù)字量輸入模塊采集風(fēng)機(jī)、閥門、水泵的開到位、關(guān)到位、運行、停止、故障、遠(yuǎn)程/就地狀態(tài)。通過PLC 數(shù)字量輸出模塊控制風(fēng)機(jī)、閥門、水泵的啟停、開閉。通過PLC 模擬量輸入模塊采集各個濾池的液位、水頭損失、濁度等參數(shù)。模擬量輸出模塊控制出水閥的開度。通過控制柜內(nèi)的工業(yè)級交換機(jī)完成數(shù)據(jù)的交換。

控制層主要由兩套工控機(jī)及打印機(jī)組成，兩套工控機(jī)互為熱備。通過組態(tài)軟件將工控機(jī)配置為客戶機(jī)，讀取數(shù)據(jù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。通過組態(tài)可以在工控機(jī)上實現(xiàn)如下功能：

1）工藝流程及設(shè)備的圖形化顯示。所有設(shè)備狀態(tài)通過顏色來區(qū)別，畫面采用3D畫面，根據(jù)建筑物比例建模，讓操作人員一目了然。

2）現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)實時顯示。通過畫面上的設(shè)備顏色來判斷設(shè)備狀態(tài)，綠色為運行，黃色為故障，紅色為停止。

3）現(xiàn)場設(shè)備的實時控制。對設(shè)備進(jìn)行啟停、開閉操作。當(dāng)設(shè)備因為故障不能動作時，畫面提示拒動。

4）儀表參數(shù)顯示。在畫面上實時顯示儀表的當(dāng)前值，當(dāng)超過正常值時，以紅色字體顯示，恢復(fù)正常后，字體變成綠色。

5）聲光報警。當(dāng)設(shè)備故障或儀表參數(shù)超過限值時，上位機(jī)發(fā)出報警聲，同時出現(xiàn)故障的設(shè)備或數(shù)值超限的儀表開始變成黃色并且閃爍。

6）生成日、周、月、年報表及自動打印。通過報表功能可以查詢?nèi)我鈺r間濾池的運行情況、各儀表參數(shù)。

7）歷史趨勢曲線。參數(shù)設(shè)置。報警記錄。權(quán)限設(shè)置。通過在上位機(jī)上設(shè)置的權(quán)限，管理人員能夠?qū)V池反沖洗的各個階段的時間進(jìn)行設(shè)置。

管理層主要由服務(wù)器組成，通過組態(tài)軟件將服務(wù)器配制成數(shù)據(jù)服務(wù)器。PLC將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)輸送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲歸檔，并接收客戶機(jī)的訪問，同時客戶機(jī)也可通過數(shù)據(jù)服務(wù)器給PLC下達(dá)控制指令。

3.濾池控制系統(tǒng)設(shè)計

山西運城安邑水廠的濾池分為4格，并聯(lián)運行，濾池的控制系統(tǒng)主要是由恒水位控制和反沖洗控制兩部分組成。

3.1恒水位控制

為了保證出水水質(zhì)，需要將濾池液位維持在一定高度，一般為濾砂上1.2米±0.05米。在濾池上安裝超聲波液位計，實時檢測濾池的液位，通過4～20mA電流信號傳到PLC模擬量采集模塊。經(jīng)過CPU的計算，PLC模擬量輸出模塊輸出4～20mA電流信號控制現(xiàn)場排水調(diào)節(jié)閥的開度，來維持液位的穩(wěn)定。

當(dāng)液位升高超出設(shè)定值，則開大閥門，超出的設(shè)定值越多，閥門的開度越大。當(dāng)液面降低至設(shè)定值以下，則將閥門開度關(guān)小，液面與設(shè)定值的差值絕對值越大，閥門開度越小。但越接近設(shè)定值，閥門的開度越難控制，經(jīng)常會出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，使液位在設(shè)定值上下大幅度來回波動。通過使用S7-300的PID算法功能塊，有效的避免了超調(diào)現(xiàn)象，通常一次就將液位很好的控制在了設(shè)定值范圍內(nèi)。

為了避免排水調(diào)節(jié)閥的頻繁動作，減少閥門壽命，同時保證出水水質(zhì)，將液位維持到1.15-1.25米之間。當(dāng)液位在此區(qū)間時，暫停PID算法控制器的輸出，使閥門開度保持在控制器的最近一次設(shè)定。通過現(xiàn)場調(diào)試，最終閥門每隔十分鐘動作一次。

3.2反沖洗控制

濾池由于長時間過濾，水中的雜質(zhì)都沉積到濾料中，影響了出水流量及過濾效果。通過反沖洗將濾料中的雜質(zhì)去除，恢復(fù)過濾效果。

反沖洗流程為：氣洗3-5分鐘，然后氣水混合洗3-5分鐘，最后水洗3-5分鐘。反沖洗觸發(fā)條件為：通過PLC累計濾池的反洗時間，當(dāng)反洗時間達(dá)到后，自動反洗。當(dāng)有需要時，可以通過工控機(jī)上按鈕觸發(fā)反洗。安裝在濾板下的壓差傳感器檢測到壓力增大到一定值時，觸發(fā)反沖洗。當(dāng)一個濾格正在反洗時，如果另一個濾格也達(dá)到了反洗條件，則等待之前的濾格反洗完后再進(jìn)行反洗。

4.小結(jié)

通過PLC中的PID算法控制器，使得濾池液位保持在恒定值，濾池的反洗效果達(dá)到了最佳狀態(tài)。通過PLC的邏輯控制，使復(fù)雜的反沖洗過程準(zhǔn)確執(zhí)行，當(dāng)碰到幾個濾格同時需要反洗時，能很好的判斷先后順序。而上位機(jī)的報表功能及歷史趨勢曲線讓數(shù)據(jù)有跡可查，可以更加合理的調(diào)整反沖洗周期，有效使用設(shè)備。本套控制系統(tǒng)在山西運城安邑水廠使用，目前運行良好，大大減少了出水調(diào)節(jié)閥門的動作次數(shù)，保證了設(shè)備的壽命。根據(jù)上位機(jī)上的報表及數(shù)據(jù)歷史曲線，優(yōu)化反沖洗各個階段的時間，節(jié)約了水量、電量、保證了設(shè)備的壽命。

參考文獻(xiàn)

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