水廠新型模塊化自控設(shè)計

嚴蕾++李珍

摘要：指出了新型模塊化集散控制系統(tǒng)是將凈水系統(tǒng)按噸位組成一個凈水模塊，該模塊由混合、絮凝、沉淀、過濾4個工序組成；其中混合工藝由擴散式管道混合器組成；并將消毒系統(tǒng)及反沖洗系統(tǒng)組裝在一個模塊內(nèi)進行處理，大大節(jié)省了傳統(tǒng)水廠的占地面積大的缺點，并且有利于形成對變頻供水系統(tǒng)、反沖洗水泵及自動控制系統(tǒng)、絮凝劑制配及自動投加系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)構(gòu)成全自動模塊化凈水廠。其對現(xiàn)代大型供水工程的發(fā)展，將具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：模塊化水廠；有序組合；自動控制

中圖分類號：TU99

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16018504

1引言

集散控制系統(tǒng)DCS集中管理、分散控制，集控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖像顯示技術(shù)及計算機技術(shù)于一體，其基于可靠性高、實時性強、靈活度高的特點被廣泛用于鋼鐵、機械、電廠、制冷空調(diào)等領(lǐng)域[1～4]，近年來逐漸推廣到水處理領(lǐng)域[5，6]。與目前水電廠傳統(tǒng)凈水工藝流程相比，新型模塊化水廠工藝流程具有可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化的特點，可以減少出錯環(huán)節(jié)；還具有先進性、靈活性、實時性和安全性，可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊方式和系統(tǒng)組態(tài)靈活控制系統(tǒng)控制工況的變化，采用密碼保護，具有很強的安全性能，在大型冷水機組中使用，既可以節(jié)約嚴重缺乏的水資源，又可以改善機組的運行特性[7，8]。國內(nèi)外許多學(xué)者對新型模塊化控制進行了研究[9～11]。王蕊[12]對廣西樂灘水電站進行了基于PLC模塊化控制的自控系統(tǒng)設(shè)計，研究了模塊化水廠的工藝流程以及模塊化水廠對自控系統(tǒng)的要求，開發(fā)并設(shè)計了模塊化水廠自控系統(tǒng)；Lai Z[13]對鍋爐溫度PLC系統(tǒng)進行了重新設(shè)計，對系統(tǒng)進行了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸模塊和管理模塊的設(shè)計，以及控制指令模塊設(shè)計；周國棟[14]基于蘆涇水廠實際應(yīng)用工程進行了系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化，對超濾膜短流程進行了改造，設(shè)計了新的PLC系統(tǒng)和計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其新的自控系統(tǒng)的運行，改善了水質(zhì)，提高了效率；關(guān)賢杰[15]、Critchley R F[16]、Tomek L[17]對水廠生產(chǎn)過程的自動化實現(xiàn)進行了優(yōu)化設(shè)計，對提升泵房的自動控制進行了現(xiàn)場離線和在線的調(diào)試，對加藥間和炭濾池進行雙CPU的PLC程序編寫，并將兩種冗余方式進行了比較； Mezzalira L[18]、Frey G[19]、蔡建斌[20]對凈水廠雜質(zhì)水處理系統(tǒng)進行研究改造，優(yōu)化并設(shè)計了新型模塊化PLC系統(tǒng)。

筆者在傳統(tǒng)的水凈化工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種將凈水各環(huán)節(jié)集成式一體化凈水設(shè)備，是新型模塊化水廠自控設(shè)計。針對這種新型的凈水設(shè)備，在保證飲用水水質(zhì)到達國家106項要求的情況下，在自控設(shè)計中提出了新的設(shè)計要求和設(shè)計思路。

2模型概述

圖1為傳統(tǒng)的水處理工藝流程。原水經(jīng)過取水泵房和輸水管道進入凈水廠，然后進入管式混合器，在經(jīng)過加氯和投加混凝劑的處理之后進入絮凝池沉淀，以此來氧化降解原水中的有機物，之后經(jīng)過過濾、加氯才算是把原水處理成了清水，可以經(jīng)過送水泵房將清水送至城市的各個管網(wǎng)進行供水。

圖2為新型模塊化水廠工藝流程示意圖。新型模塊化水廠工藝流程提高了效率，改善了水質(zhì)，增加了可靠性，加強了實時性。

3水廠整體DCS自動控制設(shè)計

3.1設(shè)計原則

全廠計算機自控系統(tǒng)采用工業(yè)界目前流行的控制模式，即開放的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加上流行通用的組態(tài)軟件以及可靠通用的PLC模塊。系統(tǒng)配置和功能設(shè)計按各工藝處理階段少人值守的原則進行并遵循如下要求。

（1）高可靠性：選用穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，硬件上采用備用冗余技術(shù)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少出錯環(huán)節(jié)。

（2）先進性：控制系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)未來現(xiàn)場總線的技術(shù)的發(fā)展，性能價格比高。

（3）靈活性：網(wǎng)絡(luò)通訊方式和系統(tǒng)組態(tài)靈活，擴展方便，可用性、可維護性好。并具有開放的軟件通訊協(xié)議。

（4）實時性：控制系統(tǒng)對工況變化適應(yīng)能力強，控制滯后時間短。

（5）安全性：控制系統(tǒng)采用密碼保護、程序所有人認定、程序文件/數(shù)據(jù)表格保護、存儲器數(shù)據(jù)文件覆蓋/比較/改寫保護、通訊通道保護鎖定等手段確保控制系統(tǒng)安全正常運行。

3.2設(shè)計系統(tǒng)思路

在自動控制和信息傳輸方面，中央控制系統(tǒng)采用DCS控制方式，將各個獨立性能或功能的控制分解到各個子系統(tǒng)中自行控制，各個子系統(tǒng)之間彼此獨立，各個子系統(tǒng)通過485總線方式將自己的數(shù)據(jù)上傳到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行集中管理，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況協(xié)調(diào)控制各個子系統(tǒng)運行。

各個獨立的子系統(tǒng)通過485總線將控制請求及數(shù)據(jù)上傳給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)根據(jù)各子系統(tǒng)的控制請求情況，將控制請求依據(jù)凈水工藝流程的要求進行排序，依次對各子系統(tǒng)發(fā)布控制命令，協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)的有序合理的運行。

中央控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的采集、傳輸、通訊上采用485總線方式，各個子系統(tǒng)通過485總線將自己的數(shù)據(jù)上傳到中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行集中管理，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況協(xié)調(diào)控制各個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行。中央控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)共享上采用有線網(wǎng)絡(luò)或無線GPRS傳輸方式，將采集整理后的凈水廠系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息上傳至上級主管機關(guān)，上級主管機關(guān)通過凈水廠管理軟件接收數(shù)據(jù)，顯示凈水廠系統(tǒng)的運行情況，同時可以對凈水廠系統(tǒng)的各個控制對象實施遠程遙控。

模塊化凈水廠整體系統(tǒng)的全自動控制采用基于485總線的DCS分散控制方式，各個子系統(tǒng)內(nèi)部的過程控制采用閉環(huán)控制方式。

上級主管信息中心與凈水廠中央控制系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)與凈水控制主站系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)與其他控制系統(tǒng)（一級提水控制系統(tǒng)、二級供水控制系統(tǒng)、反沖洗控制系統(tǒng)、消毒控制系統(tǒng)等）、凈水控制主站系統(tǒng)與凈水控制從站系統(tǒng)之間的控制采用了DCS分散控制方式的485總線技術(shù)。endprint

4控制方式設(shè)計

4.1功能及控制水平

模塊化凈水廠自動化系統(tǒng)的每個子系統(tǒng)都具有自動運行的功能，在控制性能上有了進一步優(yōu)化，功能進行了加強。采用一對一控制法，控制針對性強，其控制效果比同一等級下相當水平的傳統(tǒng)控制方式要好，節(jié)能較明顯，安全性能也有很大的提高及保證。

4.2入水系統(tǒng)設(shè)計

圖3為入水系統(tǒng)設(shè)計流程圖。由圖3分析可知，模塊化凈水廠系統(tǒng)的入水系統(tǒng)的控制方式可分為手動、自動控制。手動狀態(tài)下，可以根據(jù)實際需要處理要求，手動調(diào)節(jié)入水流量控制器，使每臺設(shè)備的入水量達到需要量即可。自動狀態(tài)下，入水系統(tǒng)會自動根據(jù)凈水系統(tǒng)的工作情況需要，流量在線檢測儀表返回的流量信息，確定每臺凈水設(shè)備的入水流量。入水控制系統(tǒng)根據(jù)控制軟件程序設(shè)定程序控制入水流量調(diào)節(jié)閥構(gòu)件，達到系統(tǒng)自動設(shè)定的入水量。

4.3自動變頻供水系統(tǒng)

圖4為變頻控制供水示意圖，圖5為PLC和變頻控制原理圖。由圖4和圖5可以看出，變頻供水系統(tǒng)采用全自動雙閉環(huán)控制原理，通過變頻器對工頻50Hz平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對水泵的平滑無級調(diào)速，從而實現(xiàn)供水量的恒壓變流量供水。

本控制控制主變量為供水管網(wǎng)壓力，此變量通過遠傳壓力檢測儀表時時對管網(wǎng)壓力檢測，并返回壓力模擬信號，與變頻供水系統(tǒng)內(nèi)部智能主控制單元可編程控制器實際設(shè)定壓力值進行時時比較，比較計算結(jié)果，由變頻供水系統(tǒng)內(nèi)部智能主控制單元可編程控制器對變頻器輸出控制調(diào)速信號，實現(xiàn)通過對變頻器的調(diào)速來調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供水壓力和流量的大小。

本系統(tǒng)采集的管網(wǎng)流量、水池液位為本系統(tǒng)的運行輔助信號，管網(wǎng)流量的采集，可以返回到變頻供水系統(tǒng)內(nèi)部智能主控制單元可編程控制器進行時時計算，分析瞬時供水流量，累計天/月/年總供水量，進而把結(jié)果傳輸?shù)缴衔恢醒肟刂莆C，進行顯示。采集的水池液位信號，為本系統(tǒng)運行的前提信號，即為水位保護信號：水池?zé)o水或液位達不到設(shè)定可供水液位，本系統(tǒng)自動停止運行，當水池有水即液位達到可供水要求，本系統(tǒng)會進行供水。

4.4凈水系統(tǒng)

主、從站系統(tǒng)控制方式為：全自動，單元凈水模塊工藝的全自動控制。

單元凈水模塊運行的主要工藝流程為：凈水過程和反沖洗過程兩部分。其中根據(jù)反沖洗對象不同又將反沖洗過程劃分為三部分：單獨反沖洗石英砂濾料、單獨反沖洗活性炭填料及同時反沖洗石英砂及活性炭。

4.4.1模塊化凈水控制從站設(shè)計

針對模塊化凈水廠中的凈水系統(tǒng)的特點——多個標準化的單元凈水模塊的組合，進行凈水控制系統(tǒng)的設(shè)計，采用一對一的模塊化控制觀念即單臺控制設(shè)備控制單臺單元凈水模塊，有利于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的標準化、通用性及一致性。

控制單臺單元凈水模塊的控制設(shè)備稱其為：模塊化凈水控制從站。凈水控制從站能獨立完成對單元凈水模塊設(shè)備的全自動直接控制。

模塊化凈水控制從站采集的主要數(shù)據(jù)：流量脈沖信號，水頭損失信號，入水閥開到位/關(guān)到位，氣浮設(shè)備啟動/停止，出水閥開到位/關(guān)到位，反洗閥開到位/關(guān)到位，各組排泥閥開到位/關(guān)到位，各排污閥開到位/關(guān)到位，加藥泵工作狀態(tài)輸入，加藥泵故障狀態(tài)輸入，入水閥模式選擇（電動閥或調(diào)節(jié)閥），加藥泵模式選擇（直接啟動或變頻控制），調(diào)節(jié)閥開度輸入，變頻器頻率輸入。

控制信號有：入水閥控制，氣浮設(shè)備控制，各排污閥控制，反沖洗閥控制，各出水閥控制，各組排泥閥控制，直啟加藥泵工作，變頻加藥泵工作。

4.4.2模塊化凈水控制主站設(shè)計

由于模塊化凈水廠中的凈水系統(tǒng)是由多個標準化的單元凈水模塊的組合，而每個單元凈水模塊配置一套模塊化凈水控制從站完成單體設(shè)備的凈水處理過程控制，為使多臺單元凈水模塊的模塊化凈水控制從站有機的協(xié)調(diào)運行，運用了模塊化凈水控制主站系統(tǒng)。協(xié)調(diào)兩臺及兩臺以上的模塊化凈水控制從站運行的上位控制系統(tǒng)稱之為模塊化凈水控制主站系統(tǒng)。

凈水控制主站系統(tǒng)通過DCS分散控制方式的485總線串聯(lián)多臺凈水控制從站系統(tǒng)（每個模塊對應(yīng)一個），向各個凈水控制從站系統(tǒng)收集或傳送數(shù)據(jù)、請求或控制指令，根據(jù)凈水量的要求協(xié)調(diào)各個凈水控制從站系統(tǒng)的投入或退出。中央控制系統(tǒng)通過DCS分散控制方式的485總線串聯(lián)凈水控制主站系統(tǒng)及其他控制系統(tǒng)——排泥水控制系統(tǒng)、廢水回用系統(tǒng)、反沖洗控制系統(tǒng)、消毒控制系統(tǒng)等，向各個控制系統(tǒng)收集或傳送數(shù)據(jù)、請求或控制指令，根據(jù)凈水工藝要求協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的運行或停止。

5結(jié)論

2017年8月綠色科技第16期

（1）凈水模塊由混合、絮凝、沉淀、過濾4個工序組成；將凈化步驟有機并有序的結(jié)合在一塊模塊里。

（2）消毒系統(tǒng)及反沖洗系統(tǒng)組裝在一個模塊內(nèi)進行處理，節(jié)省占地面積。

（3）變頻供水系統(tǒng)、反沖洗水泵及自動控制系統(tǒng)、絮凝劑制配及自動投加系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)構(gòu)成全自動模塊化凈水廠，其根據(jù)凈化要求的指標調(diào)整各個凈化藥劑的投加，以保證凈化指標的完全達到。

參考文獻：

[1]

王杰， 高昆侖， 王萬召. 基于OPC通信技術(shù)的火電廠DCS后臺控制[J]. 電力自動化設(shè)備， 2013， 33（4）：142～147.

[2]冷杉， 徐悅， 陳坤，等. 虛擬DCS技術(shù)與大型發(fā)電廠實時系統(tǒng)互聯(lián)應(yīng)用[J]. 東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005， 35（1）：60～63.

[3]李樹江， 倪莎. 基于DCS的中央空調(diào)制冷機組控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2013（8）：54～56.

[4]張黎， 魏小輝， 印寅，等. 基于3DCS的大型客機主起落架收放機構(gòu)容差分析[J]. 機械設(shè)計與制造， 2012（7）：73～75.

[5]王君偉. 水廠加藥系統(tǒng)的優(yōu)化控制[D].杭州： 杭州電子科技大學(xué)， 2011.endprint

[6]單建華， 朱開東， 張浩. 蕭山水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 中國給水排水， 2002， 18（3）：66～68.

[7]田建輝. 唐家水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計特點[J]. 中國給水排水， 2001， 17（2）：40～42.

[8]張星. 水廠加氯系統(tǒng)的控制研究[D]. 沈陽：東北大學(xué)， 2011.

[9]皮朗. 水廠自動化供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D]. 成都：電子科技大學(xué)， 2014.

[10]The Method Selecting Type of PLC in Controlling System，Proceedings of the 8th International Symposium on Test and Measurement（Volume 5），2009，299～301

[11]Neamtu O. Motion Control with Fuzzy Logic in an High Speed PLC System[J]. Journal of Electrical & Electronics Engineering， 2008， 1（1）：219.

[12]王蕊. 基于PLC的模塊化水廠自控系統(tǒng)設(shè)計[D]. 天津：天津大學(xué)， 2012.

[13]Lai Z. The Application of PLC in the Auto-control System of Chemical Makeup Water Treatment of Boiler[J]. Computer & Information Science， 2009（2）.

[14]周國棟. 水廠超濾膜短流程工藝中自控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)， 2010.

[15]關(guān)賢杰， 程潤鈿， 譚鈞紅. 開平市南樓水廠自動控制系統(tǒng)的實施[J]. 中國給水排水， 2010， 26（10）：97～100.

[16]Critchley R F， Smith E O， Pettit P. Automatic Coagulation Control at Water-Treatment Plants in the North-West Region of England[J]. Water & Environment Journal， 2007， 4（6）：535～543.

[17]Tomek L， Trivedi K. Analyses using stochastic reward nets[J].Software Fault Tolerance. 1994（11）.

[18]Mezzalira L. Real-time systems[J]. Journal of Systems Architecture， 1996， 42（6～7）：387～390.

[19]Frey G， Litz L. Formal methods in PLC programming[C]∥IEEE International Conference on Systems， Man， and Cybernetics. IEEE， 2000：2431～2436.

[20]蔡建斌. 水質(zhì)深度處理中關(guān)鍵PLC技術(shù)與應(yīng)用[D]. 上海：華東理工大學(xué)， 2014.

Characteristics onThe New Type of Modular Design of Waterworks Automation

Yan Lei， Li Zhen

（Shan Dong Survey and Design Institute of Water Conservancy， Jinan， Shangdong 250013， China）

Abstract： The water purification system is composed of a water purification moduleaccording to tonnage.The module is composed of four parts： mixing， flocculation， sedimentation and filtration.The mixing process is composed of diffusion type pipeline mixer. The disinfection system and backwash system areassembled in a module for processing， which saves the area of traditional water treatment plant.It is also conducive to the formation of automatic modular waterworkswith various systems， such as variable frequency water supply system， a backwashing water pump and automatic control system， the flocculant preparation and automatic dosing system， central control system， low voltage power distribution system. Therefore， it has great significance on the development of modern large-scale water supply project.

Key words： modular water treatment plant； sequential combination； automatic controlendprint