水廠DCS系統在濾池自動控制中的應用及優化

李慶澤　李傳華　西凱　禹佳宏

【摘要】自動化控制系統在全國各水廠應用較為廣泛，本篇主要描述了分布式控制系統（DCS）在水廠濾池的應用，結合實際工作通過對自控系統的優化改造，解決了水廠運行中出現的問題，使水廠濾池運行更加可靠、穩定，滿足了水廠濾池全自動控制的目標要求。

【關鍵詞】DCS系統；V型濾池；應用與優化

【中圖分類號】TF085 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0048-01

1、工藝概況

河口水廠是供水公司在2006年改建的一座現代化地表水廠，由深圳某水務集團設計院設計，日供水能力10萬噸，于2006年底投產運行，目前擔負著河口、孤島的供水任務。水廠的原水取自水庫，水廠采用混凝、沉淀、過濾、消毒等常規工藝處理。水廠的配電、自控、儀表、機組、閥門等均采用進口設備，工作性能穩定，可靠性較高。

原水通過渾水絮凝池后進入2座平流沉淀池，經30分鐘的絮凝、沉淀后，進入6組（每組包括2格）V型濾池進行過濾，濾后水經加氯消毒后，進入清水池，之后經輸水泵房進入市區管網。水廠濾池采用V型均質濾料濾池，濾料厚度1.1米，采用恒水位等速過濾，運行水位1.3米，設計控制調節幅度0.05米。過濾周期為24小時（周期參數可根據需要改變）。反沖洗系統設計3臺30千瓦反沖水泵和3臺32千瓦鼓風機，反沖時先進行氣沖3-4分鐘，氣沖強度為15升/秒·平方米，再經過氣水混沖，約4-5分鐘，最后單水沖3-4分鐘，強度為4.2升/秒·平方米，同時加入渾水表面掃洗，強度為2.2升/秒·平方米。濾池閥門、反沖洗系統均采用氣動閥門，動作可靠，調節方便，使用效果較好。

2、濾池控制系統情況介紹

為了更好地實現對水廠濾池的自動控制，設計中采用了西門子的DCS控制系統，并由西門子公司專業人員設計施工。濾池控制系統上位圖形軟件采用組態王系統。該系統是專業軟件，能夠提供更加方便的人機界面。在濾池控制系統中，采用7個就地控制柜分別控制6組濾池和兩個沉淀池的排泥。水廠各控制子站通過以太網互相通訊，在中心控制室配置兩臺服務器，工作人員可通過服務器對濾池設備進行監控和操作”。操作人員對各工序設備可根據生產需要選擇控制方式和修改控制參數。

每組濾池均配置一臺單獨的就地控制柜和通訊模塊，每一個現場參數配相應的控制模塊，并支持熱插拔。如果某一模塊損壞，可直接進行更換，并不影響其它濾格的運行，使得其維護更為簡便。此類型控制模塊能夠以50毫秒的周期及時掃描數據，控制器單獨運算，保證了控制系統的及時性要求。水位控制采用PID自動調節。因為濾池水位控制中，水位的變化較為滯后，普通控制方式會使慮后出水閥門動作變化較大，使單格濾池濾后水量變化頻繁，從而影響濾后水水質，因此采用PID控制方式較好地解決了這類問題。工程人員可靈活調節PID的參數，以適應慮后出水閥門長期使用后閥門控制器參數的變化，從而保證了濾池恒水位等速過濾的要求。濾池運行中可人工選擇手動控制或由PLC進行自動控制，并可對過濾時間進行累計，水頭損失和運行周期由微機顯示，反沖過程參數和排泥時間、刮泥時間可由操作人員進行修改。

濾池自動反沖過程是控制系統的關鍵環節，河口水廠的濾池反沖系統控制配置有6臺就地控制柜和一臺公共控制柜分別控制反沖系統的30臺閥門、3臺水泵和3臺鼓風機。各濾池的就地控制柜通過MODBUS總線與反沖洗公共控制柜通信鏈接。各濾池根據其設定的過濾周期和水頭損失等參數向反沖系統發出反沖申請，由反沖系統對各濾池的申請進行排隊，以判斷其反沖順序，并判斷反沖系統是否完好等條件，然后發出相應的反沖指令。濾池接到反沖指令后進人自動反沖狀態。首先關閉進水閥門，之后加強過濾使水位降低到設定反沖水位置，關閉慮后出水閥并打開排水閥門，排水閥到位后開啟氣沖閥門，然后開啟一臺鼓風機5秒鐘后啟動第二臺，按照設定時間進行氣沖，同時微機顯示本格濾池的狀態和反沖時間；3-4分鐘后，啟動一臺反沖水泵，進入氣水混沖狀態。4-5分鐘后，停鼓風機，關閉濾池氣沖閥門，之后開啟另一臺反沖泵，并開啟掃洗進水閥門，濾池進入單水沖和渾水清掃階段；3-4分鐘后，停反沖水泵關閉水沖閥門和掃洗進水閥門，并開啟排氣閥門進行排氣，1分鐘后濾池關閉排水閥門和排氣閥門，反沖洗結束。開啟進水閥，開始下一過濾周期。

3、運行中遇到的問題

3.1 在整個反沖過程中，反沖系統都將連續反復掃描整個反沖系統設備和濾池各閥門狀態。由于水廠配備的鼓風機不允許閉閥運行，如果反沖洗過程中氣沖閥門出現任何故障都將導致設備問題，甚至損壞，因此該軟件設計中包括部分保護功能。反沖洗過程當中每一步首先判斷各閥門狀態，出現任何設備或信號故障，反沖系統將首先停止運行，以防止出現更大的系統故障。同時，反沖中的濾池將根據故障現象分別進入停止或運行狀態，微機將顯示故障設備，通知操作人員進行人工處理。但是，當反沖洗開始以后，如果閥門出現故障或現場操作臺突發故障，則本程序無法及時處理，這將導致嚴重的設備問題，水廠曾多次發生過鼓風機氣罐爆裂等現象。

3.2 雖水位調節采用自動調節方式，但因設置調節幅度大（0.05m），濾后水流量變化較大，直接造成濾后水濁度在0.35-0.9NTU之間變化，從而影響了水廠的水質。同時，因為濾池慮后出水閥控制器長期使用后，其參數也會發生相應改變，給自動調節造成困難。

4、解決方法及效果

4.1 針對反沖中出現意外設備故障問題，經過我們多次研究和論證，決定修改濾池的DCS控制系統軟件。在每格濾池反沖洗過程當中，每一步都增加了對濾池閥門的狀態連續監測，反復掃描其狀態是否符合要求，當反沖中的濾池閥門發生意外故障或控制臺發生故障時，由控制器首先向反沖洗系統發出故障信號，反沖洗系統控制器則首先停止反沖過程，將所開機組停止運行，濾池控制器則發出故障指示，并將本格濾池退出運行，交由人工處理。程序經過修改后，使濾池運行的安全性得到大幅度提高。自動反沖系統投入運行的當月，發生一次因濾池照明線路意外故障造成濾池操作臺突然停電，此時反沖洗正在進行。在以往，需人工停止反沖系統，往往因不能及時發現問題而造成設備損壞。這次由于控制器首先發出了故障指令，自動停止了反沖過程。經檢查，設備沒有造成任何損壞，故障修復后濾池立即投入運行，保證了水廠生產的安全性。

4.2 針對水位自動調節的方式，水廠采用了可靈活調節參數的PID控制方式，如果慮后出水閥門控制器參數發生變化，只需在微機中由工程人員反復修訂控制參數，最終使其自動修正閥門參數的變化，從而保證了濾池恒水位的自動調節。經優化后使用，現在水廠濾池完全達到自動運行狀態，運行中水位的變化小于0.02米，出水濁度小于0.3NTU，完全符合生產要求，部分性能優于原設計標準。

5、結束語

隨著供水事業的快速發展，自控技術在水廠中的應用越來越廣泛。DCS系統雖然能夠滿足水廠的自控要求，但是每個水廠都應根據自己的實際情況，制定出符合生產需求的控制方案。自動化的優化應用不但能大大降低水廠職工的勞動強度，保證出水水質，同時也能提高水廠運行的安全性，避免意外故障對設備造成損壞。

參考文獻

[1]《濾池自動控制說明書》[Z].深圳清泉水務集團，2006年2月

[2]《濾池操作手冊》[Z].深圳清泉水務集團，2006年3月