現(xiàn)代化水廠自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

馬慧 李衛(wèi)星 岳遠東

（濟寧中山公用水務(wù)有限公司 山東濟寧 272000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，城市工商業(yè)和居民對水的需求不斷加大，對市區(qū)自來水廠的供水量和供水水質(zhì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的自來水廠人工控制方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求［1］。為應(yīng)對持續(xù)增長的城市用水需求，保障城區(qū)供水安全和提高供水能力利用率，對水廠自動化水平要求越來越高，水廠實現(xiàn)自動化控制勢在必行。

1 水廠概況

北方某自來水廠現(xiàn)有水源均為地下水，該自來水廠擁有5個供水廠，日供水能力30 萬m3，城區(qū)DN100 以上供水管網(wǎng)超670 km，服務(wù)人口100 余萬人，服務(wù)面積100 km2以上，供水水質(zhì)符合國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》。該自來水廠水源井遍布在全市各個地方，均采用大型潛水泵開展取水工作。將原水采集后，通過輸水管道送到就近供水廠清水池，在清水池內(nèi)通過自動加氯裝置投加次氯酸鈉對原水進行消毒，隨后經(jīng)二級泵站加壓后進入配水管網(wǎng)送至用戶。

2 水廠自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

該水廠自動化控制系統(tǒng)主要由水源井自動控制系統(tǒng)、水廠自動控制系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、加氯自動控制系統(tǒng)和恒壓供水自動控制系統(tǒng)等組成。

2.1 水源井自動控制系統(tǒng)

該水廠傳統(tǒng)的供水生產(chǎn)模式，是由司泵工按照調(diào)度室電話指令現(xiàn)場開停水源井提供原水。整個過程都是由人工操作控制壓力和水量、加藥量等。水泵開啟繁瑣、壓力波動大、加藥精度不易控制，且部分水源井地理位置偏僻，司泵工夜間開停水泵辛苦且危險。

現(xiàn)代化水源井自動控制系統(tǒng)是由PLC 控制器控制水源井，水廠操作人員可以在水廠控制室遠程控制水源井的啟停。水源井通訊采用組態(tài)王6.53+西門子S7 200 系列PLC+宏電DTU7710+移動2G 網(wǎng)絡(luò)（或光纖）的無線通信方式，通過移動無線網(wǎng)絡(luò)連接公網(wǎng)，通訊格式采用標準的MODBUS 規(guī)約。硬件接口使用物理RS485 接口，宏電DTU7710 獨享S7 200 PLC的Port0 口進行數(shù)據(jù)的通信，從而實現(xiàn)水廠對水源井的遠程監(jiān)控，包括對水源井運行狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)（出水壓力、液位、泵溫、瞬時流量、累積流量及電量等數(shù)據(jù)）的遠程采集及水源井的遠程啟停，實現(xiàn)水源井的自動控制。

2.2 水廠自動控制系統(tǒng)

水廠自動控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化以及自來水加工、設(shè)備診斷和出水水質(zhì)質(zhì)量管理。現(xiàn)代化水廠自控系統(tǒng)是根據(jù)清水池液位自動開停水泵，具有分級控制模式。維持清水池水位時開啟一定數(shù)量的水泵維持水位，清水池水位下降時增加水泵的開啟數(shù)量，到達設(shè)定水位時自動關(guān)閉水泵，并具有抽空、溢水報警功能。

水廠通訊采用組態(tài)王6.53+西門子S7 300 系列PLC+宏電DTU7710+移動2G 網(wǎng)絡(luò)（或光纖）的無線通信方式。水廠組態(tài)王畫面通過CP5612 卡與水廠內(nèi)控制柜PLC 通訊，通過水廠配置S7 300 PLC 控制實現(xiàn)水廠內(nèi)二級泵的自動控制及數(shù)據(jù)集中采集。水廠自動控制系統(tǒng)主要采集水廠內(nèi)各離心泵、管轄水源井的生產(chǎn)運行參數(shù)（出水壓力、液位、瞬時流量、濁度、pH、余氯等），監(jiān)控水廠內(nèi)離心泵、管轄水源井的運行情況，并上傳至總調(diào)度室。水廠自動控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水廠自動控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

水廠二級泵采用的是單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵軟啟動供水，基于PLC 對水廠二級泵實現(xiàn)自動切換，避免人工切換導(dǎo)致的時間延遲和水壓波動。當(dāng)水廠二級泵房工作人員接收到調(diào)度室指令后，在水廠二級泵自動控制系統(tǒng)中下發(fā)控制計劃到PLC 控制柜（包括切換時間，需要切換的二級泵）。下面以某供水廠為例，介紹二級泵切換工作原理。

當(dāng)達到預(yù)定時間后，控制器下發(fā)控制命令，通過DO 控制模塊關(guān)閉155 kW 變頻泵出水電動閥，通過DI 模塊實時檢測閥門狀態(tài)。當(dāng)檢測到閥門完全關(guān)閉，延時2 s，再次發(fā)出控制命令，通過DO 控制模塊關(guān)閉155 kW 變頻泵。控制器在檢測到155 kW 變頻泵關(guān)閉后，延時2 s，發(fā)出控制命令，通過DO 控制模塊開啟280 kW 工頻泵，并通過DI 模塊檢測泵的運行信息，當(dāng)檢測到運行信號后，延時10 s，確認泵完全啟動，發(fā)出控制命令，通過DO 控制模塊開啟280 kW 工頻泵對應(yīng)的出水電動閥門，從而實現(xiàn)自動切換。

2.3 調(diào)度自動化系統(tǒng)

調(diào)度自動化系統(tǒng)是生產(chǎn)領(lǐng)域系統(tǒng)的核心，負責(zé)整個水務(wù)企業(yè)所有生產(chǎn)、運行過程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，是一個綜合的供水信息化管理平臺，也是諸多生產(chǎn)管理、高級業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺。該水廠總調(diào)度室實現(xiàn)對公司水廠及水源井進行生產(chǎn)和工藝過程實時監(jiān)測及水廠出廠水質(zhì)在線監(jiān)控、調(diào)度管理，同時可遠程對水廠二級泵和水源井潛水泵進行開停操作。

調(diào)度自動化系統(tǒng)主要采集水廠和水源井的實時電壓、電流、壓力、流量、功率、功率因數(shù)、電量、機溫、液位等生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，各實時參數(shù)數(shù)據(jù)具有報警功能。該自控系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)曲線、報表、帶圖、棒圖等圖表分析功能，并可以清晰分析、比較數(shù)據(jù)，便于為管理提供數(shù)據(jù)決策；能夠自動生成需要的報表，并具有自主編制功能；對生產(chǎn)運行過程實時測控，形成企業(yè)生產(chǎn)運行過程的“實時數(shù)據(jù)庫”；對數(shù)據(jù)進行重新分類、加工、整理和歸檔，使之成為完整和可用的生產(chǎn)記錄，形成統(tǒng)一和開放的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享平臺。

2.4 加氯自動控制系統(tǒng)

氯消毒是水廠生產(chǎn)過程中1 道重要的工序。目前，常用的氯消毒方式是投加次氯酸鈉，主要有人工控制投加和自動控制投加2種模式。水廠二級泵工作人員根據(jù)經(jīng)驗確定初始次氯酸鈉投加量，次氯酸鈉進入清水池后，與原水充分接觸并停留一段時間后經(jīng)二級泵站加壓后出廠。工作人員根據(jù)清水池出水口處的在線余氯檢測儀讀數(shù)與期望值的偏差進行調(diào)節(jié)加藥量和加藥頻率。人工控制投加方式在一定程度上可保證出廠水質(zhì)合格，但是該方式數(shù)據(jù)波動大，精度低，穩(wěn)定性差，不利于水廠長久運行［2］。所以現(xiàn)代化水廠主要采用加氯自動控制系統(tǒng)，而人工控制模式通常處于備用狀態(tài)。

該水廠采用西門子系列PLC 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠加氯間設(shè)備的自動控制，并增加了低水位報警、漏氯報警等安全生產(chǎn)措施。水廠二級泵或調(diào)度室工作人員設(shè)定好出廠水余氯值后，次氯酸鈉加藥泵根據(jù)清水池出水口在線余氯儀反饋值，通過自動控制系統(tǒng)自動調(diào)整加藥頻率和加藥量，使出廠水余氯值達到設(shè)定值，確保出廠水質(zhì)穩(wěn)定達標。若加氯自動控制系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生故障，該系統(tǒng)會立即報警，并自動切換到備用加藥泵。

2.5 恒壓供水自動控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)恒壓供水的目的，該水廠恒壓供水自動控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，同時考慮系統(tǒng)的安全性，附加開環(huán)控制，作為備用。開環(huán)、閉環(huán)之間可以方便的進行轉(zhuǎn)換。恒壓供水自動控制系統(tǒng)通過出廠水管道上壓力傳感器進行實時檢測，并將檢測到的管道水壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳送給PID 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器將此信號與水廠給定壓力值進行比較，經(jīng)過一系列的運算將輸出一個標準的控制信號給本系統(tǒng)的執(zhí)行器——變頻器。變頻器根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出信號的變化來改變其輸出頻率，進而改變二級泵電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機達到滿速后，如果檢測壓力仍達不到設(shè)定要求，控制系統(tǒng)會自動地啟動其他水泵電機，直到達到設(shè)定壓力并保持壓力穩(wěn)定。該系統(tǒng)同時具備循環(huán)倒泵的功能，使水泵均衡使用。

3 結(jié)語

伴隨著設(shè)備技術(shù)進步和信息化發(fā)展，水廠自動化水平越來越高。水廠自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用在水廠建設(shè)發(fā)展中的地位和作用日益凸顯。自來水廠使用自動控制系統(tǒng)，不僅可以達到節(jié)能降耗的目的，也能在制水、供水的過程中，進行有效的控制，提高供水效率，提升供水質(zhì)量，滿足人們生活和工作的需要［3］。