開平振華水廠自動控制系統分析

　　摘 要：本文以開平振華水廠自動化改造為例，簡單介紹了德國西門子公司的PLC自動化系統。我國中小型水廠眾多，對這些水廠有很好的借鑒意義。
　　關鍵詞：自動化 改造 PLC
　　中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)11(c)-0089-02
　　
　　1 系統概述
　　廣東開平供水集團公司振華水廠竣工于1994年底，現有日供水能力為6立方米，屬中小型水廠。該廠原有設計控制部分停留在現場手動控制方式，從加藥、加氯到水質分析，從過濾、反沖洗到二級泵站供水，都存在手動操作給水可靠性、穩定性帶來的缺陷，不能滿足生產運行的要求。水廠生產自動化是提高凈水技術的重要措施，為適應《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》要求，對中小型水廠進行自動化改造是必要的和可行的。其作為國家“九五”攻關項目的依托工程之一，振華水廠在自動化改造方面引進了德國西門子公司的PLC自動化系統，更換上由德國生產的加藥系統、加氯系統，在保留濾池閥門的情況下，更換了閥門的電動頭，在工藝關鍵部位增添了一批進口在線式監測儀表。
　　
　　2 自控系統的組成與功能
　　整個系統主要由中央控制室兩臺計算機、模擬屏及現場兩套PLC裝置組成，自控系統采用計算機-PLC集散型控制系統，分成中央控制室集中監控管理，現場PLC分散控制和現場操作臺手動控制共三級控制。
　　
　　3 水廠工藝流程
　　改造后實現加藥、加氯、過濾、反沖洗及泵站供水的自動化控制，工藝流程為圖1。
　　
　　4 自動化改造
　　4.1 加藥系統
　　改造前采用重力與泵壓聯合投加：藥液從高位藥池流入藥泵，經提升至高度與藥池頂約相平的緩沖罐，然后應用重力投加。藥泵的使用克服了投加量受藥池液位高度變化影響，但不能避免受原水管道壓力變化影響。在水質水量發生變化時，憑經驗人為調節造成滯后和不準確。
　　改造后，加藥系統采用隔膜計量泵、變頻調速電機和SCD5200流動電流儀。其中以原水流量為前饋量控制電機頻率，流量愈大，頻率愈大，轉速愈高；以SCD儀檢測混合水SC值為反饋量控制計量泵沖程。PID調節器由中控室PLC內部PID功能塊經程序優化設計運行。
　　4．2 加氯系統
　　改造前只有后加氯，投加量的偏差多少依據一小時后檢測耗氧量、余氯值來估計，再手動改變加氯機開度，調節氯氣流量，調節粗糙，反饋過慢。
　　改造后，后加氯采用復合環控制，并增加前加氯系統。
　　前加氯按原水流量比例投加，屬開環控制。后加氯以原水流量為前饋量，以濾后水余氯為反饋量進行投加，屬閉環控制。整個加氯控制由中控室PLC完成。
　　增加前加氯作預處理，有效殺死藻類、魚類，避免其在沉淀池和濾池里大量繁殖。應當說明，后加氯流量信號仍取之于原水流量，是因為濾后水流量僅在反沖洗過程中（時間約10分鐘內）與原水流量相差較大，其余時間與原水流量相差無幾，且有余氯儀檢測反饋。這種前后反饋復合環控制加氯技術保證后氯系統穩定性和可靠性，也適應水量和水質變化。
　　4.3 濾池系統
　　過濾是水處理工藝的最重要把關環節，其控制系統的開發研制也是水處理工作者多年來一直研究的課題之一。由于濾池類型的不同使得過濾單元的控制系統形式有所差別，但為適應不同規模、不同類型濾池，我們開發研制的過濾單元控制系統具有應用范圍廣、適合于各種類型濾池的過濾單元的特點。在系統開發研制時，我們主要從濾池的操作運行和過濾性能的角度，對提高已建水廠濾池的過濾效果，實現濾池的自動反沖洗進行了重點的研究。
　　由于濾池類型的不同，其要求的過濾濾速也不盡相同。我們開發的控制系統對已建水廠的過濾濾速通過出水閥門的調節和濾池內水位儀的監測來實現濾池的恒水位過濾。在此強調指出恒水位過濾不僅保證過濾的效果，而且保證濾后水流量盡量穩定，便于后氯投加。
　　反沖洗是濾池單元操作的最重要工作之一。我們開發的控制系統采用中心控制PLC，控制濾池的水質周期，到時開啟反沖洗閥門，實現自動反沖洗。系統的PLC程序中，主要變化參數的修改簡單易行，具有良好的通用性和兼容性。
　　原濾池過濾通過手動調節進水閥和濾水閥門，造成水位忽升忽降且各濾池水位高度不一，濾速不均。
　　開平水廠改造過程中保留了原水的閥門，增加了進口電動頭號和調節器，改造后，保持進水閥全開，以超聲波水位儀和角度轉換器分別監測濾池水位和濾水閥開度，執行PID指令后，送出開度控制信號，實現恒水位過濾。
　　過濾到一定周期進行自動反沖洗。為簡單起見，反沖洗省去按阻塞值條件控制，當過濾能力下降并形成一定水頭差，值班人發現水位突破恒定水位并不斷上升，經確定濾池過濾效力差后，由值班人員進行強制反沖洗。
　　振華水廠實現了濾池恒水位過濾和自動反沖洗。
　　4.4 二級泵站系統
　　泵站單元部分我們主要集中開發了二泵站單元的控制系統。由于二泵站前承水處理廠后接供水管網，其為后續供水管網的輸水提供能量，因此，供水管網壓力穩定不僅減小爆管的機率，而且通過調速達到節能的目標。
　　我們開發研制的恒壓供水控制系統，采用泵站PLC，利用壓力傳感器，通過對具有調節能力的水泵進行變頻調速來實現二泵站的恒壓供水。
　　改造前，四臺型號一致大泵和一臺小泵都是定速泵。手動控制出水閥門開度來調節供水壓力，浪費能量且不適應管網壓力變化。改造后，利用壓力變送器的壓力反饋，一號大泵進行變頻調速，達到恒壓力供水目標，出廠水壓力控制在設定壓力；同時，水泵出水閥門處于全開啟狀態，不承受出水壓力，增加了閥門使用壽命，通過水泵電機頻率調整，一般是頻率調低，電機電流降低，也增加了電機使用壽命。
　　4.5 監控系統
　　根據我國已建成的水廠特點，其集散型計算機監控系統應分為三級控制，即中央控制室集中監控管理，現場PLC分散控制和現場操作臺手動控制。我們開發研制的中心監控系統主要突出兩個特點：一個是監視，一個是控制。
　　4．5．1 故障診斷功能
　　對于PLC外部控制電路和I/O接線系統的故障檢測診斷，由用戶程序找出最佳矛盾邏輯狀態組，及時發現故障點，同時開啟報警并記錄。通過啟動“報警置位”功能進行復位，以消除故障。
　　4．5．2 生產報表生成功能
　　為了保證生產數據可靠、準確，生產工藝數據均由下位機PLC采集并處理，生產管理數據均由PLC運算處理，直接產生小時生產數據、日生產數據、月生產數據、季生產數據、年生產數據，一般情況下PLC是不會中斷運行的，建立生產運行數據庫Wincc監控軟件還具有數據補調功能，即使有某些數據丟失，還可以補調回來，避免了電腦數據數據因關機、停電、或電腦故障等原因，造成數據丟失，無法產生完整的生產數據。
　　振華水廠自動化投入運行一年多來，生產報表準確，給水廠生產管理提供了極大的方便，大大地減少了過去繁重的數據處理工作。
　　
　　5 結語
　　振華水廠自動化生產自1999年8月系統改造投入運行，至今已多年運行正常。通過摸索和提高，逐步掌握了其運行規律，生產管理日趨走向成熟，運行效果是得以發現和不斷加強。水廠自動化生產對節電、節礬收到了明顯效果，創造出較好的經濟效益。我國中小型水廠遍布全國各地，普遍需要建立自動化系統，但長期受經濟、技術等因素困擾而難以實現，開平振華水廠自動化系統的成功應用對這些水廠有很好的借鑒意義。同時也具體說明了實現水廠自動化的根本目的是切實提高水廠運行的經濟效益和社會效益。在今后的研究中，要加強自動化系統的集成化、成套化、系列化工作，為大規模的推廣應用作好準備。
　　
　　參考文獻
　　[1]解智.水廠水處理自動化控制系統[J].現