城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)自動化控制方案分析

摘 要：城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)的現(xiàn)代化、信息化技術(shù)不斷發(fā)展，城鄉(xiāng)供水自動化管理建設(shè)必須緊跟時代步伐。鑒于此，介紹了一套完整、先進的城鄉(xiāng)供水自動化控制系統(tǒng)的建設(shè)情況，其采用先進的信息采集及處理、自動化控制、計算機網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水工程現(xiàn)代化，保證了全線的供水安全，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān)鍵詞：供水自動化;遠程控制;PAC;PAM投加

1 項目概況

某項目新建總水廠1座，處理規(guī)模28萬m3/d;鋪設(shè)輸水干支管道約90 km（干管55 km，支管35 km），管徑500～1 400 mm;輸送到城鄉(xiāng)12座分水廠清水池內(nèi)。項目完成總水廠生產(chǎn)工藝過程監(jiān)測、自動化控制及90 km管線監(jiān)測數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)進行集中控制。生產(chǎn)工藝流程目的是除去原水中的各類雜質(zhì)，如懸浮物、膠體物、溶解物、球菌、藻類、重金屬有機污染物等有害成分，通過混合、反應(yīng)、沉淀、過濾等系列工藝進行技術(shù)處理。處理完成后的水符合國家標(biāo)準(zhǔn)，通過長距離輸水管道輸送到分水廠，接入城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)。主要工藝流程圖如圖1所示。

2 控制方案設(shè)計

2.1? ? 調(diào)流閥間

蓄水池地理位置較高，原水由重力作用自流到調(diào)流閥間。在調(diào)流閥間取樣采集原水水質(zhì)參數(shù)、調(diào)流閥開度信號、電動蝶閥狀態(tài)，實現(xiàn)設(shè)備的遠程開度控制及電動蝶閥的遠程開關(guān)。調(diào)流閥自動控制時，采用PID控制方式，可以根據(jù)設(shè)定的進水流量，自動調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)自動取水。

2.2? ? 前加氯

前加氯主要用來助凝和殺藻。由于水中耗氯一般比較穩(wěn)定，且對前加氯的殘余氯要求不高，因此采用流量比例法加氯。前加氯的投加量與原水流量的大小成正比。原水流量信號（兩路原水流量相加）經(jīng)過流量比例控制器計算出加氯機的開度，然后控制加氯機的閥門，實時根據(jù)取水流量的大小，調(diào)節(jié)加氯量。

2.3? ? 格柵配水井

4臺格柵機的控制設(shè)計：液位差和時間周期自動運行，兩種方式獨立運行，選擇一種模式。兩組粗格柵機獨立運行，各自根據(jù)設(shè)定的參數(shù)開停。輸送機與其中任意一臺格柵機聯(lián)動，開機時同時啟動，停機時延遲120 s停機。根據(jù)液位差和時間周期進行控制，設(shè)置開機液位1個0.3 m;時間周期1 h，運行時間10 min;參數(shù)均可修改。停機液位差不起作用，自動情況下運行至設(shè)定的時間后自動停機。時間控制模式下根據(jù)設(shè)定的時間自動啟停，倒計時為零時自動開機，同時開始下一個周期的計時。開停機流程（輸送機聯(lián)動）：當(dāng)某臺格柵機前后液位差大于設(shè)定值或者時間周期倒計時為零時，如果輸送機沒有運行，提前5 s開輸送機，輸送機運行后啟動格柵機;本次連續(xù)運行時間到時自動停機，停機之后判斷是否有另外的格柵機運行，如果沒有則延時2 min停止輸送機，如果有格柵機運行則輸送機繼續(xù)運行。開停機流程（輸送機不聯(lián)動）：當(dāng)某臺格柵機前后液位差大于設(shè)定值或者時間周期倒計時為零時自動啟動，本次連續(xù)運行時間到時自動停機。

2.4? ? 加藥間

采集計量泵、投加閥、流量計、液位計、增壓泵等的運行工況數(shù)據(jù)，上傳至PLC控制主站，并通過上位機實現(xiàn)設(shè)備的遠程操作;實現(xiàn)PAC/PAM制備自動化、投加自動化控制。直接設(shè)定加藥液位與加水液位，PLC系統(tǒng)自動計算需要的水與原液的液位高度比。其主要流程：PLC先打開原液進液閥進行進液，到達計算液位后關(guān)閉進液閥門，打開進水閥門稀釋，達到計算液位（即設(shè)定的溶液池最大高度）之后關(guān)閉進水閥門，再開動鼓風(fēng)機攪拌至設(shè)定時間。此時配藥過程完成。運行較長時間之后，可結(jié)合歷史數(shù)據(jù)繪制加礬曲線，系統(tǒng)按照加礬曲線自動投加。一般根據(jù)不同季節(jié)設(shè)定4條曲線，實際使用時可根據(jù)季節(jié)變化在電腦上進行選擇，每一條曲線的參數(shù)在運行過程中可以進行修改完善（有權(quán)限限制）。該曲線綜合了沉淀池進水流量、原水濁度、原水溫度、原水酸堿度值等水質(zhì)信息，實際投加時先根據(jù)流量和濁度從曲線中查找到投加系數(shù)，PLC根據(jù)投加系數(shù)和進水流量、濁度計算投加的藥液流量，不斷采集沉淀后濁度值，如果濁度值超過目標(biāo)值，自動修正投加量，修正值在曲線查表計算值的10%以內(nèi)，避免擾動過大。PAM按照定值投加或者按照比例投加，比例投加就是指投加流量和沉淀池進水流量之間的比例，按得出的比例量動態(tài)投加;自動調(diào)節(jié)計量泵的頻率，以實現(xiàn)計算投加量與實際投加量一致。

2.5? ? 沉淀池

沉淀池內(nèi)排泥閥通過閥島進行控制，閥島與子站ECU101之間通過Profibus DP總線實現(xiàn)控制，控制方式如下：

（1）反應(yīng)區(qū)排泥過程根據(jù)進水流量、進水濁度的累積值或時間周期控制排泥閥，使絮凝沉淀池排泥閥定時控制其開關(guān)進行順序排泥。（2）排泥閥排泥時間、排泥周期可調(diào)整。（3）絮凝池排泥閥排泥時間可獨立設(shè)置，沉淀池排泥時間統(tǒng)一設(shè)定。

2.6? ? 后加氯

在后加氯中，由于清水池進水量在變化（如果在沉淀池出口投加，中間還要經(jīng)過濾池過濾，滯后時間變長，投加量會增加，控制效果會不可靠），氯耗值也會變化，但是余氯值要求控制精確穩(wěn)定，因此要求采用前饋+余氯負(fù)反饋的復(fù)合控制方案。該方案是流量比例控制與余氯PID控制的有機給合。在復(fù)合控制過程中，余氯分析儀的余氯信號經(jīng)PLC作為一個過程變量輸入控制器，控制器通過比較過程變量與余氯設(shè)定值產(chǎn)生的誤差，由PID方程計算出單位投加量，再根據(jù)進水量計算出加氯量，從而控制加氯機的閥門開度進行投加。該控制方案能根據(jù)進水量快速調(diào)節(jié)加氯機開度，同時又能夠根據(jù)反饋的余氯值對加氯量進行調(diào)整，具有響應(yīng)速度快和控制效果較好的特點。后加氯方案中需要有配套的余氯分析儀進行數(shù)據(jù)實時采集才能實現(xiàn)復(fù)合環(huán)自動投加，一般主要還是采用比例投加方式。

2.7? ? 砂濾池

每格濾池子站的控制運行方案設(shè)計：

（1）調(diào)整清水閥的開度，使濾池保持恒水位運行。（2）實時監(jiān)控濾池和濾池設(shè)備的運行狀態(tài)（如閥門開度、液位、濁度等）;遇到故障時發(fā)出警報，向調(diào)度監(jiān)控中心發(fā)出故障請求。（3）當(dāng)濾池設(shè)備發(fā)生故障時，應(yīng)關(guān)閉進水閥門，停止該格濾池的運行;如果清水閥處于正常狀態(tài)，優(yōu)先進入過濾狀態(tài)。（4）根據(jù)過濾時間、濾池水頭損失、出水濁度設(shè)定值等參數(shù)，確定是否需進行反沖洗，并向PLC主站發(fā)出反沖洗請求。（5）在沖洗過程中，根據(jù)PLC主站的調(diào)度命令和濾格內(nèi)水位情況，控制相應(yīng)的閥門動作，配合主PLC完成自動反沖洗過程。（6）收到開始反沖洗的命令后，首先檢測與沖洗過程相關(guān)的設(shè)備或元器件是否正常，若設(shè)備或元器件故障不允許進行反沖洗，報告執(zhí)行中斷信息。在沖洗過程中，任何與反沖洗過程有關(guān)的設(shè)備或元器件出現(xiàn)異常時，應(yīng)根據(jù)不同的故障情況采取相應(yīng)措施，故障嚴(yán)重時立即停運反沖洗水泵和鼓風(fēng)機，終止反沖洗過程，發(fā)出警報。（7）沖洗結(jié)束后，根據(jù)時間周期及初濾水濁度控制初濾水排放。（8）濾池可以處于過濾、反沖洗、停止?fàn)顟B(tài);每種狀態(tài)之間可以轉(zhuǎn)換。過濾狀態(tài)時濾池根據(jù)進水量對清水閥進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒水位過濾，在過濾過程中可以設(shè)定為僅過濾狀態(tài)，在該狀態(tài)時濾池只過濾不反沖洗;反沖洗狀態(tài)時，對閥門進行開關(guān)，配合主PLC實現(xiàn)自動沖洗，沖洗結(jié)束自動進入過濾。

2.8? ? 清水池

清水池安裝超聲波液位計，監(jiān)測清水池蓄水水位狀況。水位參數(shù)可作為反饋信號提供前端自動控制的參數(shù)輸入。根據(jù)清水池高度分為低、中、高3個水位。監(jiān)測水位狀態(tài)處于系統(tǒng)設(shè)定的低水位或高水位時，自動觸發(fā)報警信號，然后程序聯(lián)動調(diào)整生產(chǎn)水過程效率，使得清水池處于最優(yōu)的恒定液位狀態(tài)。

2.9? ? 補氯

在后加氯不能滿足出廠水余氯值的情況下，需要進行補氯。其主要采用比例法進行投加，與前加氯不同的是，采用出廠水流量進行比例控制，比例系數(shù)根據(jù)出廠時的余氯值與設(shè)定的目標(biāo)余氯的差值來確定。原理與前加氯相同。

2.10? ? 供水管線

為了保證90 km的供水管道能正常輸送水，沿線設(shè)置了多個壓力監(jiān)測、流量監(jiān)測點及調(diào)流調(diào)壓閥控制，建設(shè)減壓池、檢查井、計量井、分水井監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)施。

（1）減壓池監(jiān)測系統(tǒng)：總干管樁號5+000設(shè)減壓池，減壓池前、后端安裝漏水傳感器，通過一體化測控裝置采集壓力參數(shù)、漏水狀態(tài)，通過交換機接入光纖將數(shù)據(jù)傳輸至總水廠。調(diào)度中心對現(xiàn)地一體化測控裝置進行遠程控制。為保證供水線路壓力穩(wěn)定，采用恒水位控制方式。一體化測控終端為核心設(shè)備，需要采集壓力變送器4～20 mA模擬量數(shù)據(jù)、漏水傳感器的I/O狀態(tài)量，還需采集電磁流量計的瞬時流量和累積流量數(shù)據(jù)，并對調(diào)流調(diào)壓閥目標(biāo)開度進行遠程控制。（2）檢查井監(jiān)測系統(tǒng)：檢查井安裝壓力傳感器、漏水傳感器，通過一體化測控終端采集監(jiān)測全線壓力數(shù)據(jù)，發(fā)生異常情況，及時報警給調(diào)度人員處理，保證正常供水。同時，檢查井監(jiān)測系統(tǒng)可對檢修閥進行遠程控制。（3）計量井、分水井監(jiān)測系統(tǒng)：計量井對管線需要流量監(jiān)測的點位進行數(shù)據(jù)采集，就近接入分水井中的PLC，選用管道式電磁流量計，計量沿線監(jiān)測點水流量，滿足水量分配和中心調(diào)度要求。

2.11? ? 分水廠

通過對每個水廠的水質(zhì)監(jiān)測，保證把合格的水輸送到分水廠清水池。通過對進水廠前調(diào)流調(diào)壓閥的控制，實現(xiàn)動態(tài)分配供水量。

3 結(jié)語

城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)自動化控制方案系統(tǒng)性較強，涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域知識，并具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、業(yè)務(wù)性強、自動化功能強、安全要求高等特點，是一種信息技術(shù)含量較高的自動化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)城鄉(xiāng)精準(zhǔn)計量供水，為安全供水提供有力的技術(shù)保障。

收稿日期：2021-01-20

作者簡介：蔣天亮（1979—），男，廣東連山人，工程師，研究方向：城鄉(xiāng)供水行業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計，項目實施、項目過程管理。