水廠V型濾池控制系統設計

何亮

摘要：V型濾池是整個水廠處理工藝中最重要的環節，而濾池的控制系統又是保證濾池正常、高效運行的關鍵。本文結合山西運城安邑水廠的實際情況，完成控制系統設計，使得濾池液位保持在恒定值，并將反洗效果達到了最佳狀態。

關鍵詞：V型濾池;恒水位;反沖洗;

V型濾池屬于快濾池中的一種，其進水槽形狀呈V字形，也稱為均粒濾料濾池（其濾料采用均質濾料），它是于20世紀80年代末我國從法國Degremont公司引進的技術。它是整個水廠處理工藝中最重要的環節，而濾池的控制系統又是保證濾池正常、高效運行的關鍵。所以濾池控制系統設計的好壞，直接關系到整個水廠的出水水質是否達標，產水成本的高低。本文結合山西運城安邑水廠的實際情況，完成控制系統設計，通過使用PID算法控制器，使V型濾池液位能迅速穩定在設定范圍內。通過PLC及上位機的結合，反洗效果也達到了最佳狀態。

1.V型濾池工藝介紹

V型濾池包括濾池本體、反沖洗鼓風機房、反沖洗水泵房、反沖洗水池、配電間。根據山西運城安邑水廠規模，可以設置4個數量的濾格。濾池的工作過程分為恒水位過濾及反沖洗。恒水位過濾時，打開進水閥，根據超聲波液位計采集的液位值，通過PLC經過PID運算后控制出水調節閥的開度，保持液位的恒定。反沖洗分為氣洗、氣水洗、水洗三個階段，主要用來保證濾料的清潔。

2. V型濾池控制系統組成

V型濾池的控制系統分三層，分別為現場層、控制層及管理層。

現場層包括現場PLC、風機控制箱、水泵控制箱、閥門、儀表、空壓機。每個濾池包含進水閥門、出水閥門、反沖洗進氣閥門、反沖洗進水閥門、反沖洗排水閥、放空閥六個閥門。濾格超聲波液位計、水頭損失儀兩塊儀表。空壓機、水泵、風機及反沖洗進水總閥為公共設備。清水池超聲波液位計、進出水濁度儀及反沖洗流量計為公共儀表。山西運城安邑水廠的PLC采用西門子S7-300，現場每兩組濾格使用一套PLC，公共設備使用一套PLC。所有數據通過工業以太網傳到中控室上位機中，在上位機上以圖形化界面實時顯示出來。通過PLC 數字量輸入模塊采集風機、閥門、水泵的開到位、關到位、運行、停止、故障、遠程/就地狀態。通過PLC 數字量輸出模塊控制風機、閥門、水泵的啟停、開閉。通過PLC 模擬量輸入模塊采集各個濾池的液位、水頭損失、濁度等參數。模擬量輸出模塊控制出水閥的開度。通過控制柜內的工業級交換機完成數據的交換。

控制層主要由兩套工控機及打印機組成，兩套工控機互為熱備。通過組態軟件將工控機配置為客戶機，讀取數據服務器上的數據。通過組態可以在工控機上實現如下功能：

1）工藝流程及設備的圖形化顯示。所有設備狀態通過顏色來區別，畫面采用3D畫面，根據建筑物比例建模，讓操作人員一目了然。

2）現場設備狀態實時顯示。通過畫面上的設備顏色來判斷設備狀態，綠色為運行，黃色為故障，紅色為停止。

3）現場設備的實時控制。對設備進行啟停、開閉操作。當設備因為故障不能動作時，畫面提示拒動。

4）儀表參數顯示。在畫面上實時顯示儀表的當前值，當超過正常值時，以紅色字體顯示，恢復正常后，字體變成綠色。

5）聲光報警。當設備故障或儀表參數超過限值時，上位機發出報警聲，同時出現故障的設備或數值超限的儀表開始變成黃色并且閃爍。

6）生成日、周、月、年報表及自動打印。通過報表功能可以查詢任意時間濾池的運行情況、各儀表參數。

7）歷史趨勢曲線。參數設置。報警記錄。權限設置。通過在上位機上設置的權限，管理人員能夠對濾池反沖洗的各個階段的時間進行設置。

管理層主要由服務器組成，通過組態軟件將服務器配制成數據服務器。PLC將采集到的數據通過以太網輸送到數據服務器，服務器將數據存儲歸檔，并接收客戶機的訪問，同時客戶機也可通過數據服務器給PLC下達控制指令。

3.濾池控制系統設計

山西運城安邑水廠的濾池分為4格，并聯運行，濾池的控制系統主要是由恒水位控制和反沖洗控制兩部分組成。

3.1恒水位控制

為了保證出水水質，需要將濾池液位維持在一定高度，一般為濾砂上1.2米±0.05米。在濾池上安裝超聲波液位計，實時檢測濾池的液位，通過4～20mA電流信號傳到PLC模擬量采集模塊。經過CPU的計算，PLC模擬量輸出模塊輸出4～20mA電流信號控制現場排水調節閥的開度，來維持液位的穩定。

當液位升高超出設定值，則開大閥門，超出的設定值越多，閥門的開度越大。當液面降低至設定值以下，則將閥門開度關小，液面與設定值的差值絕對值越大，閥門開度越小。但越接近設定值，閥門的開度越難控制，經常會出現超調的現象，使液位在設定值上下大幅度來回波動。通過使用S7-300的PID算法功能塊，有效的避免了超調現象，通常一次就將液位很好的控制在了設定值范圍內。

為了避免排水調節閥的頻繁動作，減少閥門壽命，同時保證出水水質，將液位維持到1.15-1.25米之間。當液位在此區間時，暫停PID算法控制器的輸出，使閥門開度保持在控制器的最近一次設定。通過現場調試，最終閥門每隔十分鐘動作一次。

3.2反沖洗控制

濾池由于長時間過濾，水中的雜質都沉積到濾料中，影響了出水流量及過濾效果。通過反沖洗將濾料中的雜質去除，恢復過濾效果。

反沖洗流程為：氣洗3-5分鐘，然后氣水混合洗3-5分鐘，最后水洗3-5分鐘。反沖洗觸發條件為：通過PLC累計濾池的反洗時間，當反洗時間達到后，自動反洗。當有需要時，可以通過工控機上按鈕觸發反洗。安裝在濾板下的壓差傳感器檢測到壓力增大到一定值時，觸發反沖洗。當一個濾格正在反洗時，如果另一個濾格也達到了反洗條件，則等待之前的濾格反洗完后再進行反洗。

4.小結

通過PLC中的PID算法控制器，使得濾池液位保持在恒定值，濾池的反洗效果達到了最佳狀態。通過PLC的邏輯控制，使復雜的反沖洗過程準確執行，當碰到幾個濾格同時需要反洗時，能很好的判斷先后順序。而上位機的報表功能及歷史趨勢曲線讓數據有跡可查，可以更加合理的調整反沖洗周期，有效使用設備。本套控制系統在山西運城安邑水廠使用，目前運行良好，大大減少了出水調節閥門的動作次數，保證了設備的壽命。根據上位機上的報表及數據歷史曲線，優化反沖洗各個階段的時間，節約了水量、電量、保證了設備的壽命。

參考文獻

[1]錢宏.基于GE_PLC的V型濾池自動化控制系統的設計與應用[J].自動化與儀器儀表.2014，05

[2]康守衛.水廠V型濾池的自動化控制設計[J].地下水，2008，05：114-115.