凈水廠水處理控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

婁振剛

【摘 要】 水是人們賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，是全球重要的自然資源。人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與日益缺乏的水資源己經(jīng)成為一個(gè)非常嚴(yán)重的矛盾問(wèn)題。水資源污染程度嚴(yán)重、人們對(duì)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(wèn)題。本文主要就對(duì)凈水廠水處理控制系統(tǒng)相關(guān)方面進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述其硬件設(shè)計(jì)。

【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(guò)程中自動(dòng)控制的目標(biāo)是：通過(guò)提高水處理過(guò)程的自動(dòng)化程度，來(lái)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(jìn)而降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(yùn)用自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)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(yùn)行的費(fèi)用。

（2）檢測(cè)各種工藝參數(shù)。整個(gè)控制系統(tǒng)可以持續(xù)檢測(cè)水廠的工藝參數(shù)，并能夠依據(jù)這些參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制操作，協(xié)調(diào)供需關(guān)系以及各個(gè)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(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)據(jù)檢測(cè)到的參數(shù)與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，及時(shí)自我調(diào)整來(lái)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(dòng)給出故障性質(zhì)以及部位，在線運(yùn)行時(shí)，當(dāng)診斷出故障問(wèn)題時(shí)，可以按照系統(tǒng)原先設(shè)定的程序進(jìn)行故障處理。

（4）自動(dòng)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(yùn)行，同時(shí)在日常正常運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測(cè)到的壓力信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，通過(guò)恒壓方式運(yùn)行最大限度的節(jié)約能耗，即實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化。

（5）豐富的人機(jī)界面。自動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，對(duì)工藝的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行連續(xù)記錄，并按照設(shè)定的要求打印各種報(bào)表；事故前后各項(xiàng)參數(shù)的值能被自動(dòng)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(dòng)化水平也越來(lái)越高。目前，國(guó)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(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)相結(jié)合而組成的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它主要是針對(duì)一些大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程多參數(shù)和多控制回路的特點(diǎn)而建立的一種控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)主要有生產(chǎn)管理級(jí)（MIC）、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制級(jí)（SCC）和分散過(guò)程控制級(jí)（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(jí)計(jì)算機(jī)（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(fù)責(zé)連接每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC子站；最底層是DH網(wǎng)，使用的對(duì)象主要針對(duì)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(shí)并行工作，且基本上它們都是相互獨(dú)立的。對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，僅僅把一些有用的信息傳到中央控制室即可，而每臺(tái)計(jì)算機(jī)在剩余的很多時(shí)間里都是在并行的就地運(yùn)行。

（二）現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）

FCS系統(tǒng)的核心是現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線是面向生產(chǎn)自動(dòng)化和信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是連接自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)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(hào)傳遞的精度，又能減輕維護(hù)系統(tǒng)時(shí)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(jì)算機(jī)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，可靠性高，組合靈活，配置簡(jiǎn)潔，不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)都有相應(yīng)的功能模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表直接互連，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。尤其是PLC作為主要的控制單元，用戶(hù)使用方便，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用程序一般會(huì)采用順序功能或者梯形圖編程，邏輯性強(qiáng)，在生產(chǎn)過(guò)程按邏輯順序或時(shí)間順序控制的場(chǎng)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(chǔ)器，可以在其內(nèi)部存儲(chǔ)并執(zhí)行一些操作指令（比如：邏輯運(yùn)算、定時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種各樣的機(jī)械或者現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效控制。在一個(gè)控制系統(tǒng)中，PLC如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)具體的控制任務(wù)，首先要分析出被控對(duì)象對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，然后編出相對(duì)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(xiě)入到對(duì)應(yīng)的程序存儲(chǔ)器中。在系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，PLC將會(huì)依次讀取對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器中的程序語(yǔ)句，解釋其內(nèi)容并加以執(zhí)行。PLC將會(huì)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(duì)應(yīng)的輸出設(shè)備，進(jìn)而來(lái)控制被控對(duì)象的工作。為了滿(mǎn)足不同控制任務(wù)的需求，PLC采用編程軟件實(shí)現(xiàn)控制邏輯，具有靈活、通用、可靠性高等特點(diǎn)。此外，PLC除了能實(shí)現(xiàn)多種控制功能以外，與其他的計(jì)算機(jī)還可以進(jìn)行通信聯(lián)網(wǎng)。

（2）工控機(jī)

工控機(jī)可作為一個(gè)工業(yè)控制器在惡劣的工業(yè)環(huán)境（包括劇烈的震動(dòng)、干擾較強(qiáng)的電磁場(chǎng)力、灰塵比較多等）中可靠運(yùn)行，通常它都是持續(xù)工作且不停機(jī)。而研華工控機(jī)具有連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，且抗干擾能力強(qiáng)，工作性能相對(duì)穩(wěn)定。因此，該凈水廠系統(tǒng)中選用研華IPC-610工控機(jī)作為監(jiān)控中心上位機(jī)，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(jìn)科學(xué)技術(shù)，并以改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供水水量，保證能夠恒壓供水；同時(shí)也利用變頻器調(diào)節(jié)加藥計(jì)量泵，實(shí)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(jì)

以水庫(kù)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(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測(cè)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(dòng)的時(shí)候，超聲波束傳播的時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，通常順流反向的聲波傳輸?shù)臅r(shí)間往往小于逆流反向的聲波傳輸時(shí)間。

（2）液位計(jì)

靜壓液位計(jì)是測(cè)量液位的壓力傳感器，它的工作原理是：根據(jù)被測(cè)液體的靜壓和液體的高度成比例的原理來(lái)確定被測(cè)液體的具體液位。

（3）漏氯報(bào)警儀

在氯氣出現(xiàn)泄漏的狀況下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警的儀器稱(chēng)為漏氯報(bào)警儀。漏氯報(bào)警儀大致可以分為兩種：膜片式與電解液式。一種漏氯報(bào)警儀為膜片式，這種類(lèi)型的膜片一般不用對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，且它的使用期限通常為兩年。另一種電解液式漏氯報(bào)警儀若要保持正常使用就必須對(duì)儀器進(jìn)行定期添加堿液等電解液。兩者相比，膜片式漏氣報(bào)警儀比電解液式漏氯報(bào)警儀靈敏，在氯氣發(fā)生劑的作用下能自行啟動(dòng)，而電解式漏氯報(bào)警儀在氯氣發(fā)生劑的作用下很少能正常啟動(dòng)。

四、主要控制單元的硬件設(shè)計(jì)

（一）澄清車(chē)間控制站的硬件設(shè)計(jì)

在澄清車(chē)間中內(nèi)設(shè)控制柜1個(gè)，它包含對(duì)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(jī)的啟停，框式攪拌機(jī)、推流型潛水?dāng)嚢杵骱突旌闲蛿嚢铏C(jī)的啟停與轉(zhuǎn)速，污泥回流泵、排泥泵和潛污泵的啟停，電動(dòng)蝶閥的開(kāi)關(guān)等。

（二）脫水間控制站的硬件設(shè)計(jì)

脫水間工作站內(nèi)設(shè)控制柜1個(gè)，主要完成對(duì)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(jī)和空壓機(jī)及相關(guān)管道上的電動(dòng)球閥。

本站實(shí)現(xiàn)的主要功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)脫水車(chē)間各工藝參數(shù)及運(yùn)行時(shí)間的監(jiān)測(cè)；根據(jù)生產(chǎn)的需要實(shí)現(xiàn)對(duì)空壓機(jī)組的控制，并檢測(cè)空壓機(jī)組的工作狀態(tài)；根據(jù)工藝要求對(duì)各個(gè)電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制：實(shí)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(jì)

加氯車(chē)間的控制室，包括1個(gè)PLC控制柜，負(fù)責(zé)完成加氯相關(guān)的設(shè)備的信號(hào)數(shù)據(jù)采集及各電控設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。本站實(shí)現(xiàn)的主要功能：實(shí)現(xiàn)PLC站與全廠的網(wǎng)絡(luò)通信；根據(jù)工藝要求對(duì)各個(gè)電動(dòng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)加氯車(chē)間余氯量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（四）過(guò)濾車(chē)間控制站的硬件設(shè)計(jì)

在過(guò)濾車(chē)間中內(nèi)設(shè)控制柜一個(gè)，主要的任務(wù)是完成對(duì)過(guò)濾以及臭氧活性炭車(chē)間設(shè)備的控制。控制內(nèi)容及信號(hào)有：濾池過(guò)濾以及沖洗過(guò)程中閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，濾池水位信息，排泥設(shè)備的啟停等。整個(gè)濾池車(chē)間中包含了若干個(gè)蝶閥、泵以及鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

（五）加壓站控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

加壓站控制站內(nèi)設(shè)計(jì)1個(gè)控制柜，主要的任務(wù)是：控制加壓泵的運(yùn)行以及閥門(mén)的開(kāi)關(guān)，控制消化栓泵以及閥等設(shè)備，同時(shí)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(jì)顯示的數(shù)據(jù)。

五、結(jié)語(yǔ)

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(jìn)步，國(guó)內(nèi)很多水廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，從而保證用戶(hù)飲用水的安全。但是不論在工藝上還是在自動(dòng)控制上仍然存在著一些問(wèn)題，需要我們對(duì)進(jìn)一步的研究。

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