凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施

張斌

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施

張斌

（天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

以某凈水廠V型濾池為例，詳細(xì)闡述了濾池自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程，說(shuō)明自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制水平直接決定著凈水廠的生產(chǎn)效率和出水水質(zhì)。

凈水廠；V型濾池；自控系統(tǒng)；恒水位等速控制；自動(dòng)反沖洗控制

1 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，對(duì)城市安全供水能力和相應(yīng)要求都有所提高，為了緩解不斷增加的城市安全供水壓力，全面提高供水水質(zhì)及供水水量，各地紛紛開(kāi)始建設(shè)凈水廠。濾池是地表凈水廠水處理的核心工藝處理工序，其生產(chǎn)運(yùn)行的效果直接影響水廠的生產(chǎn)效率和出水水質(zhì)的指標(biāo)。濾池技術(shù)發(fā)展至今，種類(lèi)繁多，有無(wú)閥濾池、雙閥濾池、普通快濾池、V型均質(zhì)濾池等，其中V型均質(zhì)濾池由于其進(jìn)水槽形狀呈V字形而得名，是快濾池的一種，采用均勻的石英砂濾層，分布較粗厚，具有出水水質(zhì)好、運(yùn)行周期長(zhǎng)、濾速高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，近年來(lái)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此，設(shè)計(jì)和實(shí)施好凈水廠V型濾池的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，對(duì)提高水廠運(yùn)行效率和產(chǎn)品水質(zhì)有著極其重要的作用，本文就以某凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述其自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程。

2 V型濾池生產(chǎn)控制任務(wù)

2.1工藝要求

一般新建凈水廠根據(jù)生產(chǎn)水量要求，每一期按照6個(gè)或者8個(gè)V型濾格池規(guī)模建設(shè)，每格安裝有1個(gè)超聲波液位計(jì)、1個(gè)阻塞儀，1個(gè)濁度儀，每個(gè)濾池單元格均有各自的進(jìn)水閥、出水閥、反沖進(jìn)氣閥、排氣閥、反沖進(jìn)水閥、反沖排水閥。公用部分用于氣沖的鼓風(fēng)機(jī)有3臺(tái)（兩用一備），用于水沖的3臺(tái)反沖洗泵（兩用一備），2臺(tái)空氣壓縮機(jī)（一用一備），1臺(tái)干燥器，濾池控制模型圖如圖1所示。

圖1濾池控制模型圖

待濾水從上級(jí)平流沉淀池進(jìn)入濾池的各單元濾格，經(jīng)石英沙恒速過(guò)濾后，再進(jìn)入清水池。過(guò)濾的工藝要求每個(gè)濾格內(nèi)的水位保持在濾料上方1.2m處，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證明，在這個(gè)水位上，過(guò)濾的效果最好。為實(shí)現(xiàn)等速恒水位過(guò)濾，就需要根據(jù)濾池水位的變化來(lái)調(diào)節(jié)出水閥的開(kāi)啟度以控制濾池出水量的大小。而當(dāng)濾池的運(yùn)行達(dá)到滿足反沖洗的約束條件時(shí)，就需要進(jìn)行反沖洗來(lái)清潔濾沙。反沖洗是通過(guò)控制濾池進(jìn)水閥、出水閥、反沖進(jìn)氣閥、排氣閥、反沖進(jìn)水閥、排污閥并運(yùn)行反沖水泵、空壓機(jī)等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

因此，濾池控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是過(guò)濾時(shí)的等速恒液位控制和清潔過(guò)濾砂時(shí)的反沖洗控制，過(guò)濾和反沖洗不斷循環(huán)交替進(jìn)行。

2.2對(duì)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒水位過(guò)濾，誤差:±10mm；

（2）根據(jù)下列約束條件之一，能正確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗:①過(guò)濾時(shí)間達(dá)到反沖洗設(shè)定周期（如48hour）仍未反沖洗的；②過(guò)濾水頭損失值到達(dá)設(shè)定值（150）且延時(shí)時(shí)間（15min）已到，仍未反沖洗的；③出水濁度達(dá)到設(shè)定值且延時(shí)時(shí)間（5min鐘）已到，仍未反沖洗的；④強(qiáng)制反沖洗按鈕被觸發(fā)；

（3）反沖洗周期、反沖洗過(guò)程中各步驟的時(shí)間均可通過(guò)程序設(shè)定，滿足工藝及實(shí)際操縱要求。

（4）能直觀顯示濾池過(guò)濾水位、水頭損失及出水閥開(kāi)啟度，同時(shí)顯示反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門(mén)等的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

（5）對(duì)反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門(mén)及反沖洗過(guò)程既可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，也可以進(jìn)行手動(dòng)控制。

3自控系統(tǒng)的構(gòu)成

水廠設(shè)有中心控制室，設(shè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和工程師計(jì)算機(jī)各一臺(tái)，上位機(jī)軟件采用WinCC7.0，下位機(jī)編程軟件為Step7 V5.5 Pro，PLC控制主機(jī)選用S7-300系列的315-2PN／DP CPU，系統(tǒng)按照分散控制、集中管理的原則進(jìn)行布置和配置，共設(shè)計(jì)了3個(gè)PLC就地控制站即PLC1、PLC2和PLC3，按照控制功能劃分，PLC1主要監(jiān)控粗、細(xì)格柵機(jī)及平流沉淀池部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及在線儀表，PLC2主要監(jiān)控各個(gè)濾池的閥門(mén)及液位、濁度、阻塞儀等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及在線儀表，PLC3主要監(jiān)控空氣壓縮機(jī)、自用水泵、反洗水泵、送水泵及在線儀表。中心控制室和下面PLC1到PLC3就地控制站之間的通訊主干網(wǎng)通過(guò)4芯多模光纖組成工業(yè)快速以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)，其余被控設(shè)備按照就近原則直接接入最近的控制站即可進(jìn)入系統(tǒng)。

為了節(jié)省電纜和控制方便，每個(gè)濾池布置1面閥島箱，通過(guò)閥島自帶的Profibus-DP接口接入PLC2的控制網(wǎng)絡(luò)中。由于反沖洗水泵及空壓機(jī)按照就近原則均已接入PLC3系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)濾池的反沖洗控制過(guò)程，在PLC2中就需要實(shí)現(xiàn)對(duì)反沖洗水泵、空壓機(jī)及相關(guān)閥門(mén)的控制，在以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過(guò)在PLC2和PLC3之間建立以太網(wǎng)通訊方式直接從PLC3系統(tǒng)中將需要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向傳輸，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)相應(yīng)數(shù)據(jù)塊完成反沖洗過(guò)程。每個(gè)閥島箱配置1塊觸摸屏以便于就地進(jìn)行操作，閥島箱選用最新推出的EX600系列模塊，其具體配置及PLC2濾池自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每個(gè)濾池的6個(gè)閥門(mén)和液位計(jì)、濁度儀、阻塞儀及出口調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制均通過(guò)以上模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)濾池的等速恒水位過(guò)濾及反沖洗控制過(guò)程。

4系統(tǒng)控制過(guò)程方法

要滿足水處理工藝要求必須完成V型濾池運(yùn)行的自動(dòng)控制，自動(dòng)控制包括兩個(gè)方面:一是自動(dòng)控制等速恒水位過(guò)濾，簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)濾控制；二是每個(gè)濾池單元格按照工藝處理要求而設(shè)計(jì)的反沖洗條件，對(duì)于滿足反沖洗條件的濾池單元格自動(dòng)運(yùn)行反沖洗控制過(guò)程，并在反沖洗結(jié)束后能自動(dòng)恢復(fù)到正常過(guò)濾狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)反沖洗控制。

4.1濾池等速恒水位控制

在自動(dòng)過(guò)濾狀態(tài)下，濾池在過(guò)濾過(guò)程中，PLC依據(jù)超聲波液位計(jì)測(cè)得的濾池水位的變化，通過(guò)將水位作為反饋量，用PID動(dòng)態(tài)調(diào)整濾池出水閥的開(kāi)度，以保證濾池水位在過(guò)濾過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過(guò)程不受濾料堵塞程度和濾池進(jìn)水量變化的影響。只要調(diào)試好PID運(yùn)行參數(shù)，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，濾池液位完全可控制在±10mm波動(dòng)范圍以內(nèi)，在加藥系統(tǒng)的輔助下，保證出廠水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求，上位機(jī)設(shè)定和調(diào)節(jié)界面如圖3所示。

圖3上位機(jī)設(shè)定和調(diào)節(jié)界面圖

4.2濾池反沖洗控制

依據(jù)凈水廠控制工藝的要求，確定每個(gè)濾池單元格的最大過(guò)濾時(shí)間，在濾池單元格開(kāi)始過(guò)濾時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，①當(dāng)過(guò)濾時(shí)間大于設(shè)定的最大過(guò)濾時(shí)間時(shí)，立即觸發(fā)該濾池的反沖洗請(qǐng)求；②依據(jù)過(guò)濾水頭損失值到達(dá)設(shè)定值并到達(dá)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間之后，立即觸發(fā)該濾格的反沖洗請(qǐng)求；③依據(jù)出水濁度達(dá)到設(shè)定值且到達(dá)定設(shè)定的延時(shí)時(shí)間之后，立即觸發(fā)該濾格的反沖洗請(qǐng)求；④由操作人員通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)發(fā)出強(qiáng)制反沖洗命令。PLC2 CPU根據(jù)每個(gè)濾池單元格發(fā)出的反沖洗請(qǐng)求的先后順序來(lái)自動(dòng)安排排隊(duì)（先進(jìn)先出的原則），依次完成各個(gè)濾池單元格的反沖洗任務(wù)，直至隊(duì)列為空為止。每個(gè)濾格的反沖洗均完成以下階段內(nèi)容，每階段可按照季節(jié)不同，可隨時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)處理階段的時(shí)間長(zhǎng)短，以滿足實(shí)際控制需要。

（1）準(zhǔn)備階段

關(guān)閉進(jìn)水閥，繼續(xù)過(guò)濾將濾池內(nèi)水位降至排水堰頂，以節(jié)約用水，減少排水量。

（2）氣洗階段

程序設(shè)定時(shí)間，其作用是打碎濾池表面的泥層，將雜質(zhì)從濾料顆粒上剝離脫落，同時(shí)進(jìn)行表面掃洗除去上浮的部分泥漿，并置換污水，在氣洗階段啟動(dòng)空壓機(jī)，并部分打開(kāi)排污閥，進(jìn)行液池表洗。

（3）氣水混沖洗階段

進(jìn)一步剝離濾料上的固體懸浮物，并及時(shí)將部分污物沖出濾層，同時(shí)表面掃洗，加強(qiáng)水的橫向流動(dòng)及時(shí)排除懸浮固體。氣沖混沖階段，繼續(xù)運(yùn)行空壓機(jī)，并線開(kāi)啟1臺(tái)反沖洗水泵，同時(shí)打開(kāi)反沖洗閥。

（4）水沖洗階段

關(guān)閉空壓機(jī)，單獨(dú)進(jìn)行水沖、漂洗，同時(shí)進(jìn)行表面的掃洗，加強(qiáng)置換污水，此階段關(guān)閉氣沖閥。

（5）結(jié)束階段

停止水漂洗，打開(kāi)進(jìn)水閥，關(guān)閉排污閥，當(dāng)濾池水位上升達(dá)到一定值時(shí)，打開(kāi)PID調(diào)節(jié)器，由PID依據(jù)濾池液位自動(dòng)調(diào)節(jié)濾池出水閥的開(kāi)度，直接進(jìn)入恒水位等速過(guò)濾階段。

5結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)等速恒水位過(guò)濾和全自動(dòng)反沖洗控制對(duì)濾池的運(yùn)行效率有著直接影響，本控制系統(tǒng)以S7-300 PLC控制器為核心，采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，構(gòu)建了凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)，編制了濾池正常自動(dòng)生產(chǎn)和反沖洗控制程序，該系統(tǒng)自投入運(yùn)行后，自控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，等速恒水位過(guò)濾誤差控制水平良好，自動(dòng)排隊(duì)反沖洗正常，完全實(shí)現(xiàn)了濾池全自動(dòng)化控制和無(wú)人值守，最大程度降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，不僅提高了生產(chǎn)效率，保證了濾池的出水水質(zhì)，也降低了水廠能耗，給水廠帶來(lái)了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］陳宏景.V型濾池新工藝的應(yīng)用［J］.福建建設(shè)科技，2006.

［2］濾池氣水沖洗設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，2010.

［3］崔 堅(jiān).西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Design and implementation of automatic control system for type V water filter pool in water purification plant

ZHANG Bin
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

Taking a type V water filter pool in water purification plant as an example，the design and implementation process of the automatic control system for the type V water filter pool is detailed.It is illustrated and proved that the control level of the automatic control system directly determines the production efficiency of the water purification plant and the quality of the output water.

water purification plant；type V water filter pool；automatic control system；constant water level and constant speed control；automatic backwashing control

TP273

B

張 斌（1971-），男，漢族，甘肅天水人，就職于天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，從事自動(dòng)化控制方面的研究設(shè)計(jì)工作。

2016-05-15

1005—7277（2016）03—0048—03