基于PLC 的自來(lái)水廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

何孟基

（惠州市惠城區(qū)水利資源開(kāi)發(fā)建設(shè)中心，廣東 惠州 516000）

1 引言

自來(lái)水廠是城市供水系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，自來(lái)水廠的工作效率和供水質(zhì)量直接影響城鎮(zhèn)居民的正常用水。 伴隨著頻繁的人類活動(dòng)，水體污染和源水水質(zhì)的惡化使城市供水面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)， 自來(lái)水廠的水處理效果成為全社會(huì)對(duì)自來(lái)水水質(zhì)的普遍關(guān)注。 以往的傳統(tǒng)水處理工藝存在人工操作誤差、粗放低效、流程單一等弊端，無(wú)法確保集約精準(zhǔn)高效， 因此對(duì)自來(lái)水廠進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)是非常必要的。

PLC（可編程邏輯控制器），是一種專門為了工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境設(shè)計(jì)的電子控制器，其擁有體積小，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，編程靈活，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。 復(fù)雜的水利工程控制系統(tǒng)，其綜合性能可以非常方便地處理各種模擬信號(hào)與數(shù)字邏輯，通過(guò)組網(wǎng)將工作現(xiàn)場(chǎng)的各種信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制室，進(jìn)而完成反饋信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。 采用以PLC 為控制器的自來(lái)水廠控制系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用， 例如集中配置水力機(jī)械攪拌絮凝設(shè)備，反沖洗多層過(guò)濾設(shè)施等。本文以自來(lái)水廠的西門子1200、1500 系列PLC 為例，分析其在水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 自來(lái)水廠控制系統(tǒng)及功能

2.1 自來(lái)水的生產(chǎn)工藝

自來(lái)水廠的主要作用是將自然水源中的水通過(guò)凈化達(dá)到生活使用的標(biāo)準(zhǔn)。 其中混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒這四大步驟作為常規(guī)水處理的傳統(tǒng)工藝，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)影響范圍廣。 首先需要加入處理劑進(jìn)行混合，形成大顆粒絮凝體，這些絮凝體能夠有效地吸附自然水中的各種雜質(zhì)。 然后經(jīng)過(guò)沉淀，吸附了雜質(zhì)的絮凝體會(huì)沉降在沉淀池的池底， 經(jīng)過(guò)沉淀池的水還需要經(jīng)過(guò)過(guò)濾池， 通過(guò)石英砂等有空隙的顆粒狀過(guò)濾層進(jìn)行過(guò)濾， 進(jìn)一步去除水中懸浮的雜質(zhì)，有機(jī)物等。 經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的水還需要進(jìn)行消毒，采用的方法是在水中通入氯氣。 氯氣（Cl2）會(huì)與水反應(yīng)形成次氯酸，依靠次氯酸的強(qiáng)氧化性，殺滅自來(lái)水中殘存的細(xì)菌與病毒， 而氯氣具有較強(qiáng)的毒性，因此必須控制自來(lái)水氯氣加入量。

2.2 控制系統(tǒng)功能

從自來(lái)水的處理工藝中我們可以看出， 自來(lái)水廠對(duì)控制系統(tǒng)的要求有以下幾個(gè)：（1）能夠隨時(shí)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行采樣分析；（2）能夠完成水自動(dòng)加藥的控制；（3） 能夠控制自來(lái)水廠的水流情況進(jìn)行控制，包括管道壓力、流量的控制以及各種功能池的水位控制；（4）能夠?qū)ψ詠?lái)水廠的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，以方便生產(chǎn)人員進(jìn)行生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。

3 自來(lái)水廠的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行水處理的過(guò)程中， 需要經(jīng)過(guò)加藥、沉淀、過(guò)濾、消毒幾個(gè)步驟。 在以上幾個(gè)步驟當(dāng)中必須隨時(shí)監(jiān)控自來(lái)水的水質(zhì)情況， 因此必須實(shí)時(shí)對(duì)水的PH 值、雜質(zhì)含量等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 在自來(lái)水的生產(chǎn)過(guò)程中，也需要對(duì)各個(gè)管道的水壓、流量、水池的水位等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。 此外每個(gè)月還需要對(duì)水廠的耗電情況、 生產(chǎn)情況、 消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 要滿足以上功能，必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將底層的數(shù)據(jù)傳輸上來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因此，自來(lái)水廠的控制系統(tǒng)分為3 個(gè)層次，從下而上分別為設(shè)備層、控制層以及中控層[1]，如下圖1 所示。

圖1 自來(lái)水廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備層由就地控制設(shè)備及各種智能儀表、變頻器、 傳感器等設(shè)備組成。 控制器采用小型PLC組，如西門子的1200PLC 系列，PLC 同設(shè)備層中的各個(gè)設(shè)備之間采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 例如1200 系列PLC 可以擴(kuò)展4 個(gè)485 通信模塊， 每個(gè)通信模塊可通過(guò)USS 通信協(xié)議同時(shí)控制31 個(gè)變頻器[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的啟停及調(diào)速控制。

控制層由中大型PLC 組組成， 如西門子1500系列PLC，主要負(fù)責(zé)與設(shè)備層的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，通信介質(zhì)可采用光纖或雙絞線。

中控層由操作員工作站、 數(shù)據(jù)服務(wù)器、 打印機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。 水廠中所有信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)將匯總在操作員工作站， 并存入數(shù)據(jù)服務(wù)器。 操作員工作站不但能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控到水廠的運(yùn)行情況， 并且能夠通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)水廠的歷史運(yùn)行情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，從而提高水廠運(yùn)行效率。

4 典型自動(dòng)控制系統(tǒng)的探究

4.1 水質(zhì)的檢測(cè)與分析

在自來(lái)水的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中， 對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)都是非常有必要的。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在水廠中已經(jīng)開(kāi)始大量使用pH 檢測(cè)儀、濁度儀、游動(dòng)電流儀等儀器儀表， 這些儀器儀表可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，實(shí)時(shí)地將檢測(cè)結(jié)果傳送至PLC，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送至操作員工作站與數(shù)據(jù)服務(wù)器中[3]。 通過(guò)這些儀器儀表的檢測(cè)結(jié)果，可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4.2 變頻控制節(jié)能與恒壓供水

自來(lái)水廠的供水量是隨著城市的需求而不斷變化的，一年四季的供水需求不同，一天內(nèi)各時(shí)段的供水需求也不同。所以自來(lái)水廠的供水量是經(jīng)常發(fā)生變化的，這就形成了自來(lái)水廠在生產(chǎn)過(guò)程中水泵的轉(zhuǎn)速不均，且往往低于額定轉(zhuǎn)速以下[4]。自來(lái)水廠內(nèi)大量采用變頻器來(lái)對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，水泵電機(jī)的功耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比， 因此能夠有效地減少水泵電機(jī)的能耗。

在自來(lái)水廠的出水段， 需要保證用戶的水壓的恒定，是一個(gè)典型的恒壓供水系統(tǒng)。 主要由壓力表、 變頻器、 水泵以及PLC 組成的閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由操作員設(shè)定供水壓力，PLC 接收到供水壓力設(shè)定后通過(guò)通信協(xié)議控制變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)對(duì)供水的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。 管道上安裝的壓力表將水壓信息反饋給PLC，控制方式采用比例積分微分（PID）控制方法，能夠取得良好的效果。 在實(shí)際系統(tǒng)中， 壓力表的輸出信號(hào)通常為4—20ma 電流信號(hào)，西門子1200 系列PLC 能夠通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊直接處理4—20ma 電流信號(hào)。 為防止干擾，壓力表與PLC 之間采用屏蔽線進(jìn)行連接。 PLC 負(fù)責(zé)進(jìn)行PID 運(yùn)算， 同時(shí)將運(yùn)算的結(jié)果作為變頻器的控制信號(hào)，一個(gè)西門子1200 系列PLC 最多能夠同時(shí)進(jìn)行16 路PID 計(jì)算[5]。

4.3 自動(dòng)加藥控制

自來(lái)水在生產(chǎn)過(guò)程中需要加入各種藥劑來(lái)實(shí)現(xiàn)清潔、殺菌的目的，在生產(chǎn)過(guò)程中，加藥的工作也是由PLC 控制自動(dòng)完成的。 由于進(jìn)水端的水質(zhì)經(jīng)常發(fā)生變化， 所以在生產(chǎn)過(guò)程中的加藥量也隨之發(fā)生變化。PLC 通過(guò)對(duì)流量表獲取當(dāng)前自來(lái)水的流量信息， 同時(shí)通過(guò)游動(dòng)電流儀和沉濁度檢測(cè)儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷水質(zhì)的情況。 在對(duì)自來(lái)水加藥時(shí)， 綜合以上因素， 控制藥物管道的流量泵的速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自來(lái)水加藥量以及加藥速度的控制。同時(shí)在加藥后的一段時(shí)間還需要二次采集水質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并于水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以核查加藥后水質(zhì)的情況。 特別是在進(jìn)行最后的消毒環(huán)節(jié)，由于氯氣具有刺激性毒性， 因此必須嚴(yán)格控制氯氣加入的計(jì)量一般在0—2.5g/m3以內(nèi)。 總之，加藥的原則是在能夠保證水質(zhì)的前提下，減少添加。

4.4 濾池的恒水位控制及自動(dòng)清洗

過(guò)濾池是自來(lái)水生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的步驟，其一般需要保證其水位大致上恒定。 這也是依靠PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 濾池中通過(guò)浮子式水位傳感器對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量， 將濾池的水位標(biāo)記為高中低三檔， 若PLC 檢測(cè)到低于中水位則加大進(jìn)水泵的工作頻率，若高于中水位則降低進(jìn)水泵的工作頻率，盡量保證濾水池的水位在中水位附近。

濾水池的清洗是自來(lái)水廠在維護(hù)時(shí)必須要做的工作。 在清洗濾池時(shí)，對(duì)池壁的清洗也可有PLC控制完成， 通過(guò)加入清洗劑及控制水位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)池壁的自清洗。 自清洗可以除去大部分人工難以處理的污垢，極大地減少了人工工作量。

5 操作員工作站的集中控制與水廠的智能化

操作員工作站中配有基于西門子WINCC 組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件， 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)向控制層和設(shè)備層的PLC 發(fā)出相應(yīng)控制指令以及進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6]。 組態(tài)軟件中有各種控件，能夠?qū)⒆詠?lái)水廠生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)細(xì)節(jié)以非常直觀的形式展現(xiàn)給操作員，而操作員只需要坐在電腦前，就能夠全面的掌握和控制自來(lái)水廠的生產(chǎn)情況。 組態(tài)軟件還擁有系統(tǒng)報(bào)警與記錄功能， 在相關(guān)參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行記錄，記錄內(nèi)容包括報(bào)警時(shí)間，報(bào)警參數(shù)等，方便操作員對(duì)歷史操作記錄進(jìn)行核對(duì)。 此外，組態(tài)軟件帶有表格生成等功能，能夠?qū)⒏鞣N生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總， 方便操作員對(duì)水廠的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

中控層配備有數(shù)據(jù)服務(wù)器， 自來(lái)水廠經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，積累了一定量的數(shù)據(jù)以后，能夠通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 建立更加高效的水處理模型，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的更優(yōu)化。比如可以通過(guò)對(duì)水廠的管理進(jìn)行綜合分析， 優(yōu)化供水策略，也可以通過(guò)建立水路壓力模型，優(yōu)化管道的壓力分配等。 最重要的是這種優(yōu)化能夠避免因操作員水平不同，而導(dǎo)致的水質(zhì)差異，并且，隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷積累，這種優(yōu)化將會(huì)持續(xù)下去，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

圖2 自來(lái)水廠的上位機(jī)軟件界面

6 結(jié)語(yǔ)

PLC 具有的各種優(yōu)點(diǎn)使得其非常適合用于自來(lái)水的生產(chǎn)場(chǎng)合， 使得自來(lái)水廠的自動(dòng)化程度大大提高。 同時(shí)，由于PLC 系統(tǒng)的集成度高，使得維護(hù)人員能夠很快判斷出系統(tǒng)故障的位置， 大大降低了系統(tǒng)維護(hù)的時(shí)間與人力成本。 總體而言，采用PLC 控制的自來(lái)水廠的生產(chǎn)效率得到了極大地提升。 隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PLC 控制的水利工程控制系統(tǒng)將變得越來(lái)越智能化，更多更好的控制方式將不斷被推出，進(jìn)一步助力我國(guó)智慧水利快速發(fā)展。 □