廈門碼頭二次供水自控系統設計

潘龍剛

（廈門水務規劃設計研究有限公司，福建 廈門 361008）

二次供水已經成為我國城市中飲用水和海上作業船舶飲用水主要的，甚至是最重要的來源。如果二次供水受到污染，微生物引起的疾病便可以通過水傳播[1]。碼頭補充優質淡水是保障船舶飲用水安全的源頭。碼頭集裝箱船補充淡水多采用“海上加水船給集裝箱船加水”和“碼頭岸供淡水”2種模式，“碼頭岸供淡水”比“海上加水船給集裝箱船加水”效率更高，水質更優，價格更低，能實現24 h不間斷供水。“碼頭岸供淡水”模式正逐漸成為碼頭集裝箱船供水的首選方案。

1 生產工藝及參數

廈門碼頭集裝箱船岸供二次供水生產工藝主要包括恒壓變頻供水、管道水自循環、供水加氯、水質檢測、碼頭加水口等，具體如圖1所示。

恒壓變頻供水水泵為3臺單級立式離心泵BD1～BD3，Q＝65 m3/h，H＝34 m，N＝11 kW（2用1備）。水箱尺寸為L×B×H＝16 000 mm×4 000 mm×2 500 mm，容積V＝160 m3，有效容積V＝128 m3。不銹鋼水箱Ⅰ設置投入式液位計LET01和進水電動蝶閥DF2～DF3，不銹鋼水箱Ⅱ設置投入式液位計LET02和進水電動蝶閥DF5～DF6。

管道水自循環水泵為2臺單級立式離心泵BD4～BD5，Q＝13 m3/h，H＝10 m，N＝1.5 kW（1用1備）。管道自循環水進水箱Ⅰ設置電動蝶閥DF1，管道自循環水進水箱Ⅱ設置電動蝶閥DF4。

供水加氯為1臺次氯酸鈉一體機，一次投加量50 g，單獨布置在加氯間。

水質檢測采用1臺多參數水質檢測儀SZY，它主要檢測余氯值、濁度值、pH值和電導率。

在碼頭加水口Ⅰ，設置流量計FET01和出水電動蝶閥MDF1；在碼頭加水口Ⅱ，設置流量計FET02和出水電動蝶閥MDF2。

圖1 生產工藝流程圖

2 儀表、自控系統設計

要想滿足工藝的控制要求，應設置相應的檢測儀表檢測水位和水質，對各設備狀態進行監測，并配置高效智能的自控設備。基于PLC設計的碼頭集裝箱船岸供二次供水自動控制系統如圖2所示。

圖2 PLC自動控制系統框圖

2.1 儀表設置及主要自控檢測項目

根據工藝流程和計算機測控管理系統的要求配置檢測儀表，儀表的選型要滿足被測對象的性質和環境條件、測量范圍及精度、防護等級等要求，還要適合當地碼頭的氣候特點。根據現場的實際情況，設置如下檢測儀表：水箱Ⅰ液位檢測（投入式液位計LET01），水箱Ⅱ液位檢測（投入式液位計LET02），加壓泵出水壓力檢測（遠傳壓力表PET01），碼頭加水口Ⅰ加水量檢測（電磁流量計FET01），碼頭加水口Ⅱ加水量檢測（電磁流量計FET02），水箱出水濁度、余氯、pH、電導率檢測（在線水質分析儀SZY）。

在實際工作中，除了設置適當的在線檢測儀表檢測相應的工藝參數外，還要對水泵、閥門、加氯等電氣設備進行監測、控制，這樣才能實現對整個船舶岸供淡水的自動控制。自控主要接口如下：

水箱Ⅰ進水電動蝶閥（DF2～DF3）：開/關控制及位置狀態。

水箱Ⅱ進水電動蝶閥（DF5～DF6）：開/關控制及位置狀態。

水箱Ⅰ循環進水電動蝶閥（DF1）：開/關控制以及位置狀態。

水箱Ⅱ循環進水電動蝶閥（DF4）：開/關控制以及位置狀態。

1～3#加壓水泵（BD1～BD3）：開/停控制，運行狀態監控，頻率調節。

1～2#循環水泵（BD4～BD5）：開/停控制，運行狀態監控，頻率調節。

碼頭1～2#加水口閥門（MDF1～MDF2）：開/關控制及位置狀態。

2.2 自控系統設計

生產管理設置于控制室內，由上位機操作員站、打印機等組成，它以輪船加水的操作監控為主要內容，兼有部分管理功能。操作員可以通過界面及時了解現場運行情況，各種運行參數的當前值、是否有異常發生等，并通過鍵盤、鼠標等輸入設備對工藝過程進行控制和調節，以保證生產過程的安全、可靠、有效、高質。另外，打印機能打印各種生產報表、趨勢圖等。PLC網絡控制系統由2臺西門子S7-200構成，所有PLC通過MODBUS連接，每臺PLC的基本配置有電源模塊、CPU模塊、數字量I/O模塊、A/D和D/A模塊以及通訊模塊等。

2.2.1 功能要求

在控制室設有PLC1控制主站，加壓泵、自循環泵、電動閥門等由PLC1主站控制開停，實時接受設備的狀態信號和請求自動運行信號，并完成船舶自動加水。加氯間設置PLC2子站，在PLC1控制主站的協調下，根據在線水質儀信號完成供水加氯。

2.2.1.1 PLC1主站控制裝置

PLC1主站控制裝置的主要任務是：①按次序啟停碼頭各加水口申請的加水量；②監控加壓泵、閥門、循環泵、碼頭加水口閥門的運行狀態；③變頻器運行狀態監控；④對加壓泵、閥門、循環泵、碼頭加水口閥門進行故障檢測和保護控制；⑤接受控制室下達的控制指令，包括強制啟動循環泵的指令，判斷其正確性、可執行性后加以執行；⑥采集相關工藝儀表檢測信號。

2.2.1.2 加氯間次氯酸鈉發生器一體機PLC2子站控制裝置

次氯酸鈉發生器一體機系統是由電解槽、電解電源、智能控制中心PLC2、流量開關、鹽度監測、液晶顯示屏、電解電壓/電流顯示、易燃易爆氣體監測傳感器等組成。

加氯間次氯酸鈉發生器一體機PLC2子站控制裝置采用西門子S7-200系列PLC作為控制器單元，用于監控整套發生器系統的安全、可靠運行，以及在發生故障的情況下的自檢測、報警和自停機狀態。

觸摸液晶顯示與控制采用西門子SIEMENS SMART 1000IE 10吋觸摸液晶屏，以實時顯示溶鹽單元、稀釋配比單元、電解單元、投加單元等分部系統的運行狀態，同時，還可以使用觸摸功能調整和設置參數。

對于流量開關，當機器開始運行時，控制中心開始檢測電解液的流量開關。當流量開關的設定值出錯時，機器停止運行，發出報警信號。在線鹽度監測儀用于對稀釋配比的稀鹽水進行在線監測和顯示，儀表可設定濃度高限和低限，當超過該設定范圍，系統發出報警，并停止機器運行。

氫氣氣體濃度監測傳感器用于監測發生器房間內的氫氣含量，當氣體濃度達到設定值時，儀表發出報警信號，機器停止運行。

2.2.2 自動控制要求

2.2.2.1 水箱液位

當水箱液位下降到最低液位（相對水箱底標高）時，對應的進水電動蝶閥開啟；當水箱液位上升到最高液位（相對水箱底標高）時，對應的進水電動蝶閥關閉。

2.2.2.2 輪船加水

有一艘輪船補水時，接通加水口Ⅰ，選擇就地控制箱（MDFX1）的面板自動模式，控制室上位機設定好1#加水口需要加水流量Q1，上位機等待加水指令。加水前，需要確認循環水系統的運行狀態。如果循環水系統正在運行，要先關閉循環系統，即關閉循環泵組以及循環進水電動蝶閥，確認循環水系統為關閉狀態后，上位機接收到加水指令后，PLC1為加水口Ⅰ連接的船舶供水，開啟加壓泵組，待出水管至加水口段的壓力達到開閥壓力值P1時，開啟出水電動蝶閥MDF1。當系統檢測電磁流量計FET01累計加水量達到設定值Q1后，系統自動關閉MDF1、加壓泵組，對加水口Ⅰ連接的船舶供水關閉，打印加水報告單。

第一艘輪船補水時，第二艘輪船也需要補水。這時，接通加水口Ⅱ，選擇就地控制箱（MDFX2）的面板自動模式，控制室上位機設定好2#加水口需要加水的流量Q2，上位機等待加水指令。上位機接收到加水指令后，PLC1開啟出水電動蝶閥MDF2，向加水口Ⅱ連接的船舶供水。當管道中的壓力降至啟泵壓力值P2時，開啟第二臺水泵。系統檢測電磁流量計FET01累計加水量達到設定值Q1后，第一艘船完成補水作業，系統自動關閉MDF1、第一臺泵，對加水口Ⅰ連接的船舶供水關閉，打印加水報告單1。系統檢測電磁流量計FET02累計加水量達到設定值Q2后，第二艘船完成補水作業，系統自動關閉MDF2、第二臺泵，對加水口Ⅱ連接的船舶供水關閉，打印加水報告單2。

當水箱內的余氯不足時（余氯值≤0.1 mg/L），水質在線監測儀發送信號至PLC2，PLC2開啟次氯酸鈉發生器一體機工作，向水箱內加藥，同時，PLC1陸續開啟循環泵、循環進水電動蝶閥進行余氯擴散，直至余氯值大于等于0.2 mg/L，PLC1關閉循環泵、循環進水電動蝶閥。

當水箱靜至24 h以上沒有出水時，啟動循環系統進行回水循環，循環時間控制為5 h，滿足循環完半個水箱的水量后，關閉循環系統。

3 現場運行情況

廈門碼頭船舶加水系統如圖3所示。上位機根據工藝流程的要求進行系統組態，可以通過人機界面及時了解整個工藝的運行情況，各種運行參數的當前值，是否有報警信號等。

圖3 碼頭船舶加水系統

表1所示為碼頭船舶加水單。船舶加水完成后，自動打印加水報告單，船舶加水的水質指標值（濁度、余氯、pH、電導率）均能顯示在加水報告單上。

表1 碼頭船舶加水單

4 結束語

現場的運行情況表明：①上位機組態符合工藝流程要求，人機界面良好；②自循環水系統余氯能夠很好地擴散，水箱和管道水均保持有合格的余氯量；③加氯系統能夠根據工藝運行狀態實現自動投氯；④船舶加水完后，自動打印加水報告單，水質指標滿足船舶飲用水要求，取得了預期的效果，為今后碼頭二次供水自控系統設計提供了參考。

［1］張蘭，張一中，吳嘉川.廈門港口國內船舶二次供水有關監測問題的探討［J］.職業與健康，2014（24）：3622-3624.

［2］中國市政工程中南設計研究院總院有限公司主編.給水排水設計手冊第8冊 電氣與自控［M］.第三版.北京：中國建筑工業出版社，2013.

［3］張士喬.飲用水安全輸配技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，2017.