現代水廠自動化綜合控制系統結構設計

[摘 要]文章介紹了國內外現代水廠自動化控制的現狀，分析了現代水廠的自動化綜合控制系統總體結構、硬件設計及各個分系統的設計，旨在降低供水過程中的能耗，同時加強水廠運營過程中的供水效率。

[關鍵詞]現代化；水廠；自動化控制；系統設計

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0006–03

Structural Design of Modern Water Plant Automation Integrated Control System

LI Jiasheng

[Abstract]The article introduces the current situation of automation control in modern water plants at home and abroad， analyzes the overall structure， hardware design， and design of various subsystems of the automation comprehensive control system in modern water plants， aiming to reduce energy consumption in the water supply process and strengthen the water supply efficiency in the operation process of water plants.

[Keywords]modernization； waterworks； automated control； system design

1 國內外現代水廠自動化控制的現狀

近10年來，隨著電子信息與計算機技術的飛躍發展，工業自動化領域經歷了較大的變革。自動化感應部件及其控制系統，尤其是各類高精度檢測傳感器的研發與應用，已成為推動現代工業進步的核心驅動力之一。同時，控制理論與自動控制系統的不斷創新，為工業自動化提供了理論基礎。

在此背景下，現代水廠運營模式發生深刻變革，廣泛采用計算機控制技術實現高效管理。歐美多座水處理廠已實施計算機化數據記錄與運行控制，部分實現全自動化、無人值守。具體而言，美國愛荷華水廠自20世紀70年代起探索微機自動控制加藥技術。俄羅斯莫斯科水廠與日本東京朝霞水廠亦采用先進計算機系統實施多環路控制，展現了高度自動化管理水平。

得益于國家現代化與全球經濟一體化，我國水廠建設規模迅速擴張，技術水平顯著提升。然而，水廠自動化發展不均衡問題突出，中小型城市尤為滯后，部分水廠尚未涉足自動化。相較于其他行業，水廠自動化技術普及程度有待加強，根源在于未充分挖掘自動化技術潛力。雖引進先進設備，但缺乏有效應用與維護，制約了自動化水平的提升，影響了整體經濟效益與可持續發展。因此，需強化技術引進與本土化創新，推動水廠自動化技術普及與深度應用。

2 現代水廠的自動化綜合控制系統總體結構

隨著工業自動化的不斷發展，基于PLC完成自動控制系統的建設，目前已成為現代水廠在發展過程中使用非常廣泛的一種技術。該系統主要利用分布式的控制結構，按照不同的層級對其進行管理，主要包含設備層、控制層及監管層（信息層）等內容。設備層的主要控制對象是變頻器及水泵機組，包括各種傳感器等；控制層則主要是對整體的控制核心包括制水工藝進行相應的把控；監管層涵蓋整體的操作監控系統，包括信息管理系統。

2.1 自動控制系統的硬件設計

2.1.1 PLC系統的選型及設計

在PLC自動控制系統硬件選型過程中，需依據現場生產設備、傳感器及儀器儀表等數據采集與控制方式開展工作。水廠PLC系統需處理大量模擬量與開關量，并預留足夠點位以便日后擴充。擴展模塊數量與機架擴展形式需根據PLC的CPU程序、數據存儲與備用空間規模綜合估算。選型時應優先考慮編程語言豐富、指令集兼容性強的品牌型號。

自來水廠自動控制系統建設中，為增強關鍵工藝段自控能力，除選擇可靠性高、技術先進的PLC品牌外，PLC冗余設計亦至關重要。可采用熱備冗余方式，即主系統與熱備系統有效聯機并運行相同控制程序。熱備系統在未激活時不參與系統控制，僅進行數據同步采集。主系統故障時，熱備系統可迅速接管，確保系統正常運行。自來水廠冗余控制多采用多CPU并聯結構，通過光纖或高速以太網互聯，主系統故障排除后可自動恢復運行。

2.1.2 PLC柜電源的冗余設計

在針對PLC柜的電源進行冗余設計時，其整體的進線電源利用的是雙路供電的模式，這兩路進線電源需要分別設置在低壓電器柜聯絡柜的兩側位置，連接好主用及備用進線端，ATS的出線端則需要連接好UPS進線，UPS的出線作為PLC柜的進線電源，這樣的連接方法能夠提升PLC進線電源本身的可靠性。但考慮到UPS出現故障后，其旁路功能失效的問題時有發生，極易導致PLC柜直接出現失電的現象，所以為了更好地解決這一問題，在設計水廠自動化控制系統的PLC柜電源時，可以選擇在UPS出線端的位置加裝上電源切換裝置。在進行切換的過程中，時間甚至能夠控制為毫秒級別，這一功能可確保在UPS出現故障問題后，PLC柜依然可以準確地對供電進行切換，通過無源繼電器將信號輸出，PLC系統在采集到失電信號之后可第一時間完成報警，方便工作人員準確介入，對故障進行排查，保障后續的生產系統安全穩定運行。

2.2 水廠自動化控制系統設計

2.2.1 水源控制系統的設計

為了更好地提升水源的自動化控制程度，一些水廠開始選擇利用PLC自動控制系統打造出整體的控制體系，利用遠程遙控水泵啟停的方式推動整個系統的運行。PLC自動控制系統在進行應用時，能夠實現對水源的自動控制及遠程控制。而為了實現遠程控制這一目標，同時確保整個網絡系統的安全性，可以直接用運營商專線來實現水源和水廠之間的內網連接，從而實現遠程的細節調控，獲取水源在運行過程中的各項狀態及相應的數據。這種方式的應用能夠更好地提升對水源的整體監控，獲取一系列的數據，如出水壓力和瞬時流量、水泵溫度等。

2.2.2 水泵運行狀態檢測系統設計

水泵機組的電機溫度信號主要由溫度巡檢儀來進行采集并完成匯總，最終通過站內數據采集網進行上傳，自控系統則能夠根據泵組及電機廠家所提供的相關參數，合理地對溫度告警值進行設置。在整個水泵機組中，振動信號及電機轉速信號都是由專用的振動監測系統通過傳感器及采集模塊等進行采集，最終上傳到中控室系統中，而水泵運行狀態檢測系統則能夠根據所采集到的信號提供可視化的界面，一旦發現存在振動不平衡的現象時，系統能夠根據內嵌的專家知識庫提前做好相應的預警。例如，若出現了軸承磨損等一系列的告警信息，工作人員可在第一時間發現問題，并且在水泵出現更大的故障之前就介入到維護保養階段，降低故障發生的概率。而且在構建自動化系統的過程中，使用PLC控制系統還能夠對每一臺水泵的電量及出口流量和水泵前后壓力等數據進行相應的采集，依據能耗計算公式來計算泵組的千噸水單耗，同時在生產記錄中進行標注，為后續的維護保養提供相應的數據支撐。

2.2.3 供水系統的設計

在設計供水系統的過程中，其自動控制功能主要包含分時段恒壓變頻供水及泵閥聯動控制和水泵機組自動切換運行等內容。供水系統在應用時，必須能自動地對水泵的運行數量進行調節，同時可以直接切換成不同的工作狀態，以此來適應不同的用水量，確保整個供水系統在運行過程中的智能化及安全性，以及減少人工方面所產生的干預，降低工作過程中發生風險的概率。PLC自動控制系統的有效應用，其核心在于對出廠總管的壓力實時數據可以做到相應的采集，同時生成水泵機組的遠程控制信號，而且引入了PID調節技術能夠利用更加現代化的變頻器技術，對整個水泵機組在運行過程中的狀態進行調整。若水廠中的水泵出口是電動閥，則應考慮使用泵閥聯動控制的方式，在這時一定要注意好泵閥的開關順序，防止出現水錘效應對泵組造成一定的損傷。當水泵突然出現失電或故障停機的問題時，電動閥應立刻做出相應的響應并關閉，當開放的過程中閥門因為故障無法開啟時，自動控制系統應綜合泵出口壓力及流量數據等內容及時做出提示警告，最后由相關人員來判斷需要以怎樣的方式對其進行處置。

2.2.4 加氯系統的設計

氯消毒是水廠在運營生產過程中非常重要的工序之一，可確保最終水質的安全性。目前使用較廣泛的消毒材料是次氯酸鈉，在水廠中，氯消毒的添加方式一般包含兩種，即人工添加及自動控制添加。隨著科技的不斷發展，氯消毒也需要依托于自動投加來對其進行控制，因為這樣能夠更好地控制添加量的精準性。在水廠的加濾間中安裝PLC系統可以實現自動化升級，同時配備數字計量泵及出口電磁流量計，自動控制系統能夠結合進水流量所反饋的具體數值對加藥頻率和加藥量進行自動計算，從而實現精準的投加。相較于人工手段來說，其會更具科學性。而且自動控制系統能夠采集不同工藝段的具體出水余氯數值形成閉環系統，一旦出現加藥過量或加氯控制系統出現問題時，系統會第一時間進行報警，同時把自動狀態切換成手動加藥的狀態，確保最終水質的安全性。

2.2.5 配電系統監測的設計

高壓配電間及低壓配電間中的開關柜多功能智能電量表及繼保通訊柜的相關數據，都需要通過數據采集網以通信電纜有線方式來對其進行采集及獲取。整個自控系統在運行過程中完全可以通過電量采集的方式，對各個工藝單元的具體生產耗能進行實時計算，這樣做能夠優化整體的生產工藝流程，淘汰那些本身存在著高能耗問題的生產設備，為整個配電系統的運行提供更加強有力的數據監測。而且能夠對所采集到的整個系統故障問題進行綜合性的匯總，在生產系統中做出相應的報警或彈窗，方便生產人員及時地對存在的安全隱患進行處理。

3 結束語

現代水廠自動化綜合控制系統的構建對于提升供水效率與水質安全性至關重要。研究結果表明，采用PLC自動控制系統能夠顯著提升水廠的自動化水平，優化生產工藝流程，降低能耗，同時加強供水效率與水質安全性。未來，隨著技術的不斷進步與創新，現代水廠自動化綜合控制系統將進一步完善與發展，為社會的可持續發展提供更加安全的供水保障。

參考文獻

[1] 黃凱.現代水廠自動化綜合控制系統結構設計[J].數字化用戶，2018，24（18）：112，115.

[2] 董昆明.現代水廠自動化綜合控制系統結構設計[J].電腦知識與技術，2011，7（24）：6013-6014，6019.