自動控制技術(shù)在凈水廠水處理加藥系統(tǒng)中的應用解析

丁國棟，孫海洲，于光遠

（煙臺金正環(huán)?？萍加邢薰?，山東煙臺 264000）

絮凝是凈水工藝的重要環(huán)節(jié)，絮凝效果好壞直接關(guān)系到水處理的效率，絮凝效果一般會隨著混凝劑投加數(shù)量的提升而提升，但是在混凝劑達到一定用量之后，混凝劑的效果將達到頂峰的狀態(tài)，這個時候如果在其中繼續(xù)添加混凝劑，就會降低混凝效果。因此，在實施凈水處理操作的時候需要相關(guān)人員嚴格控制混凝劑的投放量。文章所研究水廠在沒有進行改造之前，運行人員會根據(jù)每天所需要處理的水的流量來決定沉淀池的啟用數(shù)量，在此期間，每一個投放點的投加量是總凈水量和啟用投加點數(shù)的平均值，在計算好數(shù)值之后通過使用人工控制計量泵沖程以及運行頻率來實現(xiàn)對程序的微調(diào)。這種絮凝操作方式是一種人工控制投加的方式，在水質(zhì)、水量參數(shù)出現(xiàn)變化的時候，操作人員需要通過人為的方式計算投加量，規(guī)劃合理的加藥泵行程。

1 自動加藥系統(tǒng)的基本原理

自動加藥系統(tǒng)包含現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、藥液投加系統(tǒng)。在自動加藥系統(tǒng)運行時，為了能夠確保絮凝劑的精準投放，需要在每座沉淀池的進水管上安裝一臺ABB 插入式電磁流量計，在電磁流量計的作用下自動計算每座沉淀池的進水量。自動加藥系統(tǒng)會借助電磁流量計來計算絮凝劑加量比例信號，這個時候根據(jù)化學實驗室的數(shù)據(jù)、原水的渾濁度、藥液溶度等數(shù)據(jù)來編寫程序化的藥劑添加投放模板?？紤]到計量泵在長期運行期間所輸出數(shù)據(jù)信息和特征曲線的變化，需要相關(guān)人員對計量泵的運行頻率、系統(tǒng)運行規(guī)程等進行把控，由此來確保自動加藥的可行性、有效性。

2 自動控制技術(shù)在凈水廠水處理加藥系統(tǒng)中使用的必要性

中央空調(diào)和小型工業(yè)循環(huán)水冷處理水處理采用自動加藥控制設備的優(yōu)點具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）水質(zhì)控制穩(wěn)定、水處理良好、設備運行成本降低。在在線水質(zhì)監(jiān)督控制系統(tǒng)、排污系統(tǒng)、加藥自動的綜合作用下來減少系統(tǒng)運行隱患。

（2）發(fā)揮出化學藥劑的重要作用。在具體實施操作的時候只需要定期補充藥劑和合理把控系統(tǒng)運作周期就能夠延長系統(tǒng)設備的運行效率。

（3）實現(xiàn)對加藥操作的高濃縮處理，由此來解決水循環(huán)系統(tǒng)中的水污染問題。

（4）提升了業(yè)主、水處理公司對循環(huán)水處理的管理水平。在自動化加藥控制系統(tǒng)的作用下能夠簡化空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的運行速率，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的無人操作，只需要簡單地調(diào)控設備運行就能夠為化學處理提供良好的條件支持。在這個期間，微處理技術(shù)的使用能夠幫助相關(guān)人員隨時查看循環(huán)水質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)，為驗收水處理效果提供切實可行的數(shù)據(jù)支持。

3 某水廠處理工藝情況概述

某凈水廠每天水處理能力為16.8萬m3，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況打造出了3座沉淀池和3個加藥系統(tǒng)。在具體實施運行時每個加藥系統(tǒng)包含絮凝投加系統(tǒng)和助凝投加系統(tǒng)。水廠處理工藝流程如圖1所示。

圖1 水廠凈水處理工藝流程圖

（1）絮凝投加系統(tǒng)。絮凝投加系統(tǒng)包含4個箱體（溶藥箱、溶液箱），4個超聲波液位計，3臺流量計，5個電動閥，8個電磁閥，6個計量泵，2臺空壓機設備。設備的總投加量為1 400 L/h，設置3個投加點，并在系統(tǒng)原水管路中添加絮凝劑。

（2）助凝投加系統(tǒng)。大中型工業(yè)循環(huán)水自動加藥控制設備一般包含可編程控制器、人機界面、水質(zhì)在線監(jiān)測儀器等。通過對各個系統(tǒng)的集成化處理會為系統(tǒng)的安全運行提供支持，減少外界因素對系統(tǒng)運行的干擾。但是從實際運行情況來看，系統(tǒng)集成的消耗較多、設備體積龐大，由此會限制中央空調(diào)和小型工業(yè)循環(huán)水冷設備的推廣。為了能夠彌補這個問題，需要在集成系統(tǒng)中添加自動化遙控設備，在自動化遙控設備的支持下提升集成系統(tǒng)的功能：①循環(huán)水水質(zhì)酸堿值、濃縮倍數(shù)的在線監(jiān)督控制功能。②防范系統(tǒng)被腐蝕的功能。③通過使用殺菌滅藻劑來防范系統(tǒng)病毒。④具有保留歷史數(shù)據(jù)信息的功能，能夠根據(jù)需要隨時查看水質(zhì)的歷史數(shù)據(jù)。

4 水處理加藥系統(tǒng)基本方案

4.1 水處理系統(tǒng)的基本任務

（1）對加藥系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)實施全過程的監(jiān)測。

（2）對加藥系統(tǒng)儀表的工作參數(shù)實施監(jiān)測。

（3）根據(jù)原水渾濁度、原水的流量、原水沉淀之后的污濁程度進行檢查。借助參數(shù)通過自動化系統(tǒng)來調(diào)節(jié)計量泵的投加量。

4.2 系統(tǒng)控制方案

水處理加藥系統(tǒng)由電力控制系統(tǒng)、儀器控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)共同組成，經(jīng)過系統(tǒng)整合，所有信號和控制功能由PLC 完成控制。在系統(tǒng)運行時取消了二次儀表，目的是能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

自動加藥控制管理系統(tǒng)的打造依托物理化學、水處理科學、電子控制等專業(yè)技術(shù)，在這些技術(shù)的綜合作用下能夠?qū)羲畯S自動加藥設備、系統(tǒng)運行參數(shù)等實施全面的控制。在加藥配藥期間會使用PLC，經(jīng)PLC 運算打造出閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過前饋和反饋的控制方式來調(diào)節(jié)加藥計量泵變頻調(diào)速器，使加藥計量泵加藥量能夠根據(jù)原水濁度和流量大小等綜合因素，通過調(diào)整變頻器頻率來控制加藥計量泵，確保加藥計量泵能夠按照一定的比例投放運行，最終實現(xiàn)加藥自動化管理。

4.3 系統(tǒng)的組成

（1）PLC 的系統(tǒng)配置。PLC 系統(tǒng)采取了閉環(huán)控制系統(tǒng)，由PLC 和HMI 共同組成，在以太網(wǎng)的作用下將PLC 系統(tǒng)和HMI 連接在一起。PLC 采用S7-300系列的CPU-315，整個裝置在運行時會按照設計好的控制流程進行處理，之后由輸出模塊帶動相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)。PLC 設備自動化控制如表1所示。

表1 PLC的系統(tǒng)配置清單表

（2）HMI 系統(tǒng)配置?？刂葡到y(tǒng)的所有操作會被集中在HMI 上，人機界面是整個系統(tǒng)的窗口，也是系統(tǒng)傳遞外界數(shù)據(jù)信息的重要通道。HMI 系統(tǒng)的配置如表2所示。

表2 HMI系統(tǒng)配置

5 控制系統(tǒng)基本功能

5.1 檢測環(huán)節(jié)

按照系統(tǒng)工藝和運行要求來對各個參數(shù)進行監(jiān)測采集，通過在線儀表發(fā)出4～20 mA 信號，期間所有的信號都會被傳遞到PLC 上。PLC 上的A/D 轉(zhuǎn)換功能會將現(xiàn)場模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，所有的信號會通過上位機網(wǎng)絡來實現(xiàn)連接，經(jīng)過一系列的處理數(shù)據(jù)信息會被傳遞到上位機的數(shù)據(jù)庫中?？刂葡到y(tǒng)運行中所涉及到的監(jiān)測環(huán)節(jié)包含源頭水的流量、源頭水的渾濁度、出廠水的流量、出廠水的渾濁度、各個沉淀池的出水渾濁度、絮凝劑流量、助凝劑流量。

5.2 系統(tǒng)運行的過程控制

控制系統(tǒng)采用SIEMENS 公司的PLC 對現(xiàn)場設備的運行進行控制。在具體運行時設置兩個PLC控制柜，1號PLC 控制柜是1～6號計量泵，在具體實施的時候會在其中添加一定比例的絮凝劑。1號和2號計量泵在1號位置上投放絮凝劑；3號和4號計量泵在第2號位置上投加絮凝劑；5號6號計量泵在3號位置上投放絮凝劑加藥量。在助凝系統(tǒng)計量泵出現(xiàn)系統(tǒng)故障的時候需要及時停止啟動這個泵站。主要設備的開關(guān)包含手動操作、PLC 自動控制操作.基本運行模式包含手動工頻運行模式、上位機手動調(diào)頻模式、上位機自動調(diào)頻運行。值班人員會根據(jù)需要在各個控制設備的終端來掌握自動加藥、運行水泵等生產(chǎn)設備的運行情況。

5.3 系統(tǒng)運行工藝監(jiān)控

整個系統(tǒng)會按照生產(chǎn)工藝要求來監(jiān)督控制可視圖形畫面，在系統(tǒng)運行時能夠直觀地反映加藥的實際情況。在實施工藝監(jiān)督控制時所涉及到的畫面包含加藥工藝流程圖、加藥量的趨勢圖、報警系統(tǒng)等，通過對這些圖形的操作能夠更為完善、精準的監(jiān)督水質(zhì)變化，在水質(zhì)出現(xiàn)異常情況的時候及時報警。系統(tǒng)在運行時會自動生成報表、自動存儲信息、可以人工打印信息，所有監(jiān)督控制的信息會被記錄。運行實踐證明，采用該預處理混凝加藥自動控制裝置可以實現(xiàn)混凝處理的最佳工況，運行效果良好，值得廣泛推廣。

5.4 故障系統(tǒng)和安全保障

在加藥系統(tǒng)運行時，如果各個工藝參數(shù)出現(xiàn)了異常，特別是超過了系統(tǒng)上下限定數(shù)值的時候，故障表會自動記錄故障的發(fā)生時間、產(chǎn)生來源，并將故障的發(fā)生情況在對應的畫面中顯示出來，目的是幫助相關(guān)人員找到故障位置，為排除故障提供重要支持，并不斷提升操作人員的現(xiàn)場故障處理能力，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

6 運行效果分析

（1）系統(tǒng)自動化水平較高、運行穩(wěn)定可靠、維護量小，勞動強度大大降低。

（2）系統(tǒng)運行的節(jié)能降耗效果明顯，加藥泵功率大為降低，而且變頻調(diào)速運行，更加節(jié)電。在系統(tǒng)運行的時候會靈活地調(diào)整加藥量，在保障水質(zhì)的情況下減少藥劑的消耗。

（3）系統(tǒng)在運行的時候明顯改善了沉淀池出水水質(zhì)，出水濁度較手動投加前穩(wěn)定，對進水流量的適應能力很強，無論水質(zhì)和水量的變化，可自動調(diào)節(jié)加藥量，維持正常的運行工況。

（4）混凝劑消耗量大大減少，以最小加藥量達到了最佳混凝效果，節(jié)約了混凝劑。

7 結(jié)束語

綜上所述，在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中采用水質(zhì)自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)能夠有效提升循環(huán)水處理系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)運行時還能夠節(jié)省藥劑的使用，循環(huán)冷卻水自動化監(jiān)督加藥控制系統(tǒng)具有人工操作無法超過的優(yōu)點。在社會的不斷發(fā)展進步下，人們對循環(huán)水處理工作的開展予以了高度的重視，整個系統(tǒng)的運行也由此得到了人們的青睞和關(guān)注，擁有廣闊發(fā)展空間和市場前景。