基于PLC的超濾膜優(yōu)質(zhì)水廠自控系統(tǒng)*

鄒振裕 張鵬飛 林顯增 何小青 黃明珠 葉挺進(jìn)

（佛山市水業(yè)集團(tuán)有限公司）

0 引言

隨著自來水生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，先后出現(xiàn)了第一代凈水工藝（混凝—沉淀—過濾—氯消毒）、第二代凈水工藝（第一代工藝+臭氧—顆?；钚蕴浚?、第三代凈水工藝（以超濾為核心的組合工藝）。每一代凈水工藝的自動化控制程度及自控系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性、安全性及兼容性都各不相同。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水廠自動化控制系統(tǒng)的硬件和軟件的性能也得到相應(yīng)的提高，其中，第三代凈水工藝的自動化控制程度更高，技術(shù)更加先進(jìn)。

1 整體自控系統(tǒng)構(gòu)成及管理模式

1.1 整體自控系統(tǒng)構(gòu)成

佛山新城區(qū)優(yōu)質(zhì)水廠采用的是第三代凈水工藝，原水為市政自來水，核心工藝設(shè)備為美國通用公司的“澤能”超濾膜系統(tǒng)，膜材料為PVDF，過濾孔徑為20納米，出廠水質(zhì)達(dá)到目前歐美發(fā)達(dá)國家的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。整個水廠的自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其自動化控制系統(tǒng)主要有：活性炭過濾 PLC控制系統(tǒng)、超濾膜過濾PLC控制系統(tǒng)、投藥消毒PLC控制系統(tǒng)、送水PLC控制系統(tǒng)等。

圖1 水廠PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

下位機(jī)PLC采用AB的SLC 500 PLC、Compact Logix PLC和Micro Logix PLC等3個系列的PLC。組成模塊主要有：數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊和電源模塊；PLC的編程軟件采用RSLogix500和RSLogix5000；觸摸屏采用 AB的 Panel View Plus1000。上位機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)采用“組態(tài)王”開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程設(shè)計；整個應(yīng)用系統(tǒng)具有以下功能：1)流程圖監(jiān)控功能；2)故障報警功能；3)歷史數(shù)據(jù)管理功能；4)實(shí)時趨勢監(jiān)視功能；5)腳本編輯功能。

1.2 自控系統(tǒng)管理模式

整個水廠采用“集中管理、分散控制”的模式進(jìn)行控制管理。集散型控制系統(tǒng)是由監(jiān)控管理計算機(jī)和局部控制器組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。集散型控制系統(tǒng)能最大限度地保證水廠生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可靠性，也便于維護(hù)和管理?？紤]到集散型控制原則和確保控制系統(tǒng)的安全性，水廠采用PLC+HMI+PC控制系統(tǒng)，即：現(xiàn)場手動控制或觸摸屏控制、各站 PLC獨(dú)立自動控制、中央控制室集中監(jiān)控，由此構(gòu)成了集中監(jiān)視、分散控制系統(tǒng)[1]。

2 生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自控系統(tǒng)

佛山新城區(qū)優(yōu)質(zhì)水廠生產(chǎn)流程如下：市政自來水（進(jìn)廠水壓約為0.3 Mpa，該水壓已經(jīng)滿足生產(chǎn)要求，所以沒設(shè)進(jìn)廠水抽水泵）通過活性炭過濾系統(tǒng)，進(jìn)入超濾膜過濾系統(tǒng)，再次過濾后經(jīng)過消毒，濾后水進(jìn)入清水池，最后通過變頻水泵將優(yōu)質(zhì)水送到用戶。

2.1 活性炭PLC自控系統(tǒng)

水廠設(shè)置兩套活性炭過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要組成有：PLC、電動進(jìn)水閥門、電動出水閥、排氣閥、反沖洗排水閥等。PLC根據(jù)生產(chǎn)指令和設(shè)定程序進(jìn)行閥門的開關(guān)以及活性炭的定時反沖洗或人工反沖洗。

2.2 超濾膜PLC自控系統(tǒng)

超濾膜過濾系統(tǒng)的設(shè)備主要有：PLC、水位計、定位器、可調(diào)節(jié)進(jìn)水閥、流量計、變頻器、透過液泵、膜池、管道等。過濾過程自動化控制工作原理為：1)進(jìn)水方面：水位計檢測膜池水位高低，發(fā)送信號給PLC，PLC根據(jù)膜池的平衡水位設(shè)置值進(jìn)行計算，然后發(fā)送信號給定位器，定位器再調(diào)節(jié)進(jìn)水閥的開度，從而保持膜池的水位在平衡水位設(shè)置值附近波動；2)出水方面：膜池出水流量計傳送信號給PLC，PLC根據(jù)出水流量的恒流量設(shè)置值進(jìn)行計算，然后發(fā)送信號給變頻器，變頻器再調(diào)節(jié)濾液泵轉(zhuǎn)速，控制流量。過濾系統(tǒng)控制組成框圖，如圖2 所示。

圖2 過濾系統(tǒng)控制組成框圖

超濾膜在長期運(yùn)行中會產(chǎn)生膜污染，這種污染造成產(chǎn)水能力下降、能耗升高等問題，且較難通過物理反沖洗恢復(fù)，此時需要進(jìn)行化學(xué)清洗以恢復(fù)超濾膜原有的產(chǎn)水性能[2]?；瘜W(xué)清洗藥劑通過人工計算配制并裝入對應(yīng)的藥罐，在 PLC模式下通過上位機(jī)或現(xiàn)場觸摸屏實(shí)施化學(xué)清洗。以檸檬酸清洗為例，膜化學(xué)清洗過程如圖3 所示。

圖3 膜化學(xué)清洗過程

2.3 投藥消毒PLC自控系統(tǒng)

水廠的消毒系統(tǒng)由臭氧消毒系統(tǒng)和二氧化氯消毒系統(tǒng)組成。

臭氧消毒系統(tǒng)由空氣處理系統(tǒng)（包括空壓機(jī)、冷干機(jī)、PSA制氧機(jī)、空氣過濾器）、臭氧發(fā)生器、投加裝置、在線檢測儀表、臭氧泄漏報警裝置、尾氣破壞裝置以及PLC控制系統(tǒng)組成[3]。PLC自控系統(tǒng)以進(jìn)水流量為前饋信號自動調(diào)節(jié)臭氧投加量，同時以水中余臭氧濃度為反饋信號補(bǔ)充調(diào)整臭氧投加量，形成閉環(huán)控制。

二氧化氯消毒系統(tǒng)由貯料槽、計量泵、反應(yīng)室、投加裝置、在線檢測儀表及PLC控制系統(tǒng)組成[3]。PLC自控系統(tǒng)以出廠水流量和加藥比例為前饋信號自動調(diào)節(jié)投藥量，同時以出廠水中余二氧化氯的濃度為反饋信號補(bǔ)充調(diào)整投加量，形成閉環(huán)控制。

2.4 送水PLC自控系統(tǒng)

水廠送水系統(tǒng)采用恒壓供水的方式。PLC自控系統(tǒng)實(shí)時采集出廠水壓力信號，然后與設(shè)定的出廠水壓力參數(shù)值進(jìn)行計算對比，根據(jù)對比結(jié)果自動調(diào)節(jié)變頻水泵的頻率，從而實(shí)現(xiàn)水泵的恒壓控制。

3 故障診斷及解決方法

3.1 異常通訊或控制指令診斷

生產(chǎn)中有時會出現(xiàn)上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)無法更新或者控制指令無法執(zhí)行的情況。解決方法有：檢查控制電腦、服務(wù)器或PLC是否死機(jī)，重新啟動相關(guān)設(shè)備；檢查網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、PLC模塊，特別是電源模塊，CPU模塊、通訊模塊等的狀態(tài)指示燈是否正常；檢查通訊網(wǎng)線是否完好。

3.2 異常水泵機(jī)組跳閘

生產(chǎn)中有時會出現(xiàn)水泵機(jī)組突然跳閘的現(xiàn)象，可能原因有：閥門的開關(guān)信號錯誤，變頻器發(fā)出電機(jī)電流過載信號；變頻器頻率范圍設(shè)置不當(dāng)、PLC相應(yīng)功能模塊外部24 V電源丟失等造成PLC發(fā)出保護(hù)信號，關(guān)停水泵機(jī)組。解決方法有：檢查更換開關(guān)信號傳感器；設(shè)置正確的變頻器過載保護(hù)電流值以及頻率范圍；檢查更換外部電源。

3.3 異常水位診斷

由于膜絲不能長時間暴露在空氣中，必須完全浸沒在膜池水中，所以，對膜池的水位有一定的控制要求，必須設(shè)置水位的平衡點(diǎn)。通過 PLC對膜池進(jìn)水閥定位器進(jìn)行控制，保持膜池水位在最低點(diǎn)、平衡點(diǎn)、最高點(diǎn)之間。水位高低的實(shí)時數(shù)值則通過 PLC采集安裝在膜池的壓力變送器信號來實(shí)現(xiàn)。一旦出現(xiàn)異常水位，PLC自動發(fā)出報警信號，請求維護(hù)。解決方法有：檢查閥門定位器控制系統(tǒng)是否正常；檢查氣缸密封圈是否磨損；檢查閥門橡膠密封是否磨損；檢查氣源壓力是否足夠；檢查PLC的AD模塊或DA模塊轉(zhuǎn)換是否準(zhǔn)確。

3.4 異常濁度（顆粒數(shù)）診斷

濾后水濁度或出廠水濁度可以通過激光濁度儀或顆粒計數(shù)儀測量。濁度的實(shí)時數(shù)值通過 PLC采集激光濁度儀或顆粒計數(shù)儀信號，傳送到中央控制室，供生產(chǎn)運(yùn)行人員參考。另外，PLC進(jìn)行濁度（顆粒數(shù)）對比運(yùn)算，如果出現(xiàn)數(shù)值超標(biāo)則自動發(fā)出報警信號，請求維護(hù)。解決方法：檢查過濾系統(tǒng)、濁度儀或顆粒計數(shù)儀是否正常。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，自來水生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新發(fā)展，基于 PLC的自控系統(tǒng)作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的核心部分之一，具有安全、穩(wěn)定、兼容及操作簡便等性能，在整個生產(chǎn)過程中，發(fā)揮了重要作用。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗和生產(chǎn)需要，不斷對 PLC自控系統(tǒng)進(jìn)行完善、總結(jié)和創(chuàng)新，有利于安全生產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)供水、節(jié)能降耗，也有利于同行之間的經(jīng)驗交流，相互借鑒，取長補(bǔ)短，促進(jìn)供水事業(yè)的發(fā)展。

[1]鄒振裕,李展峰. 基于 PLC 的水廠投藥控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].廣東自動化與信息工程,2005,26(4):46-48.

[2]黃明珠,曹國棟,葉挺進(jìn),等.“活性炭＋浸沒式超濾”工藝在佛山新城區(qū)水廠的應(yīng)用研究[J].城鎮(zhèn)供水,2011(2):88-91.

[3]黃明珠,曹國棟,李冬梅,等. 佛山新城區(qū)優(yōu)質(zhì)水廠設(shè)計與運(yùn)行分析[J]. 給水排水,2008,34(3):12-16.