孟加拉國帕德瑪水廠自控系統的設計

□ 李海波□ 趙小磊 □ 李傳東

1.中工國際工程股份有限公司 北京 100080

2.中國市政工程西北設計研究院有限公司 北京分公司 北京 100037

3.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司 能源動力廠 山東萊蕪 271104

1 設計背景

孟加拉國帕德瑪水廠位于于孟加拉國達卡市南部，帕德瑪河（恒河）北岸，是一座日處理能力45萬t的水廠。

中工國際工程股份有限公司于2014年啟動帕德瑪水廠的設計及建設工作。項目建成后，帕德瑪水廠將解決孟加拉國達卡市的供水短缺問題，是孟加拉國的一項民生工程。

2 水廠工藝流程

帕德瑪水廠主要由三部分組成。

第一部分為位于帕德瑪河北岸的原水車間，將帕德瑪河水引入水泵房，加壓后通過輸水管線輸送到凈水廠。設計取水量為4.95×105m3/d，進水泵房的設計流量為5.73 m3/s。進水泵房配有六臺立式混流泵，其中四臺日常使用，一臺備用，還有一臺作為備件不安裝。每臺泵流量為1.43 m3/s，揚程為17 m，電機功率為350 kW，并配有一套變頻器。

第二部分為凈水廠，凈水廠負責對原水進行澄清、過濾，然后通過送水泵房送入輸送管線。送水泵房計劃安裝八臺泵，至少有兩種可變輸送速度。六臺泵用于正常使用，另外兩臺備用。每臺泵的排放量為0.87 m3/s，揚程為 57 m，轉速為970 r/min，電機功率為710 kW。

第三部分為增壓泵房。增壓泵房將處理后的水供向城市供水管網。增壓泵房出水管道上的壓力為0.30 MPa，日供水量為4.5×105m3/d。泵房內設有八臺水泵，均有兩個可變輸送速度。六臺泵正常使用，兩臺備用。每臺泵的流量為0.87 m3/s，轉速為970 r/min，電機功率為1 000 kW。

水廠的主要工藝參數見表1、表2。

表1 原水主要工藝參數

表2 凈水主要工藝參數

3 水廠自控系統

3.1 設計步驟

（1）確定設計依據和范圍，包括設計的依據性文件和資料、適用的設計規范和標準、其它專業所提供的設計委托書等。

（2）根據工藝要求及總圖布置，確定自控系統的控制方式和拓撲圖。

（3）根據各車間工藝設備情況，確定每臺可編程序控制器（PLC）的具體配置情況，包括通信接口模塊及輸入、輸出模塊。

（4）確定上位機監控系統和網絡通信方式。

（5）確定中央控制室和電控室的布置方式。

（6）確定自動控制設備選型。

（7）完成自動控制系統設備非標設計和施工圖設計。

（8）結合工藝要求，完成編程調試工作。

3.2 總體方案

水廠自控系統設計遵循技術先進、經濟合理、運行可靠、操作方便的原則,根據工藝要求、流程特點、操作需要，以集中監視、分散控制為主，采用設置現場分布式控制站的方式完成生產過程的數據采集、過程控制、信息處理、安全報警、聯鎖保護等功能。在主控室設置上位機操作員站和工程師站，可以實現操作員對全廠生產情況監控，以及生產數據的存儲與報表打印功能[1]。

根據水廠總圖布置方式，設置四套現場PLC控制站。1號PLC控制站設置于反沖洗泵房配電室，2號PLC控制站設置于送水泵房配電室，3號PLC控制站設置于投藥車間控制室，4號PLC控制站設置于加氯車間控制室。每一個現場PLC控制站都可以獨立完成對工藝工段進行生產過程控制，現場PLC控制站與變頻器，以及軟啟動器與遠程子站之間通過現場總線通信。每個現場PLC控制站通過工業以太網相互連接，形成一個光纖冗余環網結構。環網通過設置在中控室的交換機與上位機相連，并預留與二、三級管理系統通信接口。這樣整個控制網絡拓撲結構為一個分層控制網絡，可以將電氣、儀控、信息管理通過數據連接，實現電氣控制信息一體化[2-3]。水廠控制系統結構如圖1所示。

水廠的主要流程為：原水→格柵和配水池→澄清池→過濾池→凈水蓄水池→送水泵房→輸水管→增壓泵站→注入點。

3.3 反沖洗泵房PLC控制站

反沖洗泵房PLC控制站設在反沖洗泵房的配電室，負責以下設備監控和工藝參數的采集。

（1）控制井。測量流入流量、混濁度、pH值、溫度、溶解氧和控制井水位等。

（2）澄清池。測量澄清池的污泥界面和出水混濁度。監測設備狀態，以及控制攪拌器。

圖1 水廠控制系統結構

（3）過濾。測量格柵過濾池的壓力損失、過濾水位和過濾出水混濁度等。監測入水氣動蝶閥、出水氣動蝶閥、反沖洗進水氣動蝶閥、反沖洗排水氣動蝶閥和排氣電磁閥的設備狀態[4]。

（4）反沖洗室。測量水流、氣流、風管壓力、水管壓力。監測反沖洗泵、鼓風機和空氣壓縮機。

反沖洗泵房PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據高密度澄清池的污泥界面，控制運行排污泵。

（2）根據進水流量和高密度澄清池出水混濁度，控制比例劑量。

（3）根據格濾池的水位，控制出水氣動蝶閥，保持水位恒定。

（4）根據過濾壓力損失和反沖洗期，控制每個氣動閥的開關，實現順序反沖洗。一次只允許清洗一個格濾池，在這個格濾池清洗過程中，禁止其它格濾池啟動清洗程序[5]。

（5）根據反沖洗池水位保護反沖洗泵。當水位太低時，停泵以防止空運行。

3.4 送水泵房PLC控制站

送水泵房PLC控制站設置在送水泵房和配電室，負責以下設備監控和工藝參數的采集。

（1）變配電房。中壓系統微機綜合保護與自動控制系統連接，通過通信接口，獲得電力參數。

（2）水泵房。測量吸水井水位、出水流量、出水管壓、出水剩余氯、出水混濁度和pH值等，并監控水泵。

（3）清水池。測量清水池的水位。

送水泵房PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據吸水井水位參數保護送水泵。當水位較低時，停泵以防止空運行。

（2）根據出水管壓力，控制送水泵的變頻，以實現恒壓水供給。送水泵房計劃安裝八臺泵，六用兩備，其中兩臺為變頻控制。通過設置水泵的并聯特性曲線，結合配水量、出水管壓力值，使送水泵工作在高效區范圍內。每臺送水泵出水管上安裝電動出水閥及液力緩閉止回閥，當閥門正常關閉或水泵機組發生事故時，液力緩閉止回閥自動關閉，消除停泵水錘，使出水管水壓保持平穩，保證水泵及管道的安全運行。水泵的啟停與電動閥一步化操作。

3.5 投藥車間PLC控制站

投藥車間PLC控制站設置在投藥車間的控制室，負責設備監控和工藝參數的采集，具體有化學溶解槽水位、計量箱水位等，同時監控計量泵和攪拌機的動作過程。

投藥車間PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）通過水位控制化學溶解攪拌機的啟停。

（2）當攪拌室的計量泵失效或未以最小標準計量時，由警報設備提醒。

3.6 加氯車間PLC控制站

加氯車間PLC控制站設置在投藥車間的控制室，負責以下設備監控和工藝參數的采集。

（1）測量氯氣瓶的質量和氯氣泄漏警報器。

（2）監控加氯機。

加氯車間PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據總進水參數，控制進水氯化井以實現氯配比的控制。

（2）根據清水池的水流和進水殘余氯，控制清水池進水管以實現復合環路加氯的控制[6]。

3.7 中央控制室

中央控制室內放置三個操作員站、一個工程師站、兩臺打印機、一臺投影儀，以及不間斷電源、網絡交換機等。中央控制室布置如圖2所示。

圖2 中央控制室布置

操作員站采用三臺硬件配置相同的工業計算機，軟件采用基于WinCC平臺開發的專用監控系統，正常運行時采用兩用一備方式，提高系統的可靠性。工程師站采用專用工控機，可使儀控工程師在線實時監控各PLC控制站、變頻器、軟啟動器運行狀態，在線修改PLC應用程序，以及處理緊急事故[7]。

3.8 人機交互界面功能

（1）使操作人員對全廠生產情況和設備運行情況進行實時監視。如送水泵房內各臺送水泵的工作狀態顯示，包括泵電機的啟停、電壓、電流、頻率、轉速、機組運行工況、流量、壓力、水位信號、溫度、混濁度等主要生產運行參數[8]。

（2）使操作人員對全廠各設備進行遠程控制。如操作員站可遠程對設備的啟停進行操作。

（3）對生產過程數據進行采集、處理、存儲、顯示和打印，包括工作班組記錄、操作記錄、設備運行記錄、報警記錄、歷史趨勢和動態流程畫面等[9]。

（4）報表生成及打印，包括日報表、月報表、年報表及多年歷史數據。

（5）提供系統分級管理功能，對不同級別操作人員提供不同的監控權限。

4 結語

孟加拉國帕德瑪水廠自控系統設計時，在確保高可靠性的基礎上實現了智能化、網絡化和低成本的特點。通過對設備的集中管理與分散控制，確保生產正常穩定運行，并進一步促進生產效率的提升，降低運行成本，提高供水質量。此外，充分考慮控制系統的先進性、可擴展性，為今后用戶改造和擴建提供空間和技術上的支持[10]。