現(xiàn)代化水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

馬慧 李衛(wèi)星 岳遠(yuǎn)東

（濟(jì)寧中山公用水務(wù)有限公司 山東濟(jì)寧 272000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市工商業(yè)和居民對(duì)水的需求不斷加大，對(duì)市區(qū)自來(lái)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(lái)水廠人工控制方式已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求［1］。為應(yīng)對(duì)持續(xù)增長(zhǎng)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(duì)水廠自動(dòng)化水平要求越來(lái)越高，水廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制勢(shì)在必行。

1 水廠概況

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

2 水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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

2.1 水源井自動(dòng)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(chǎng)開(kāi)停水源井提供原水。整個(gè)過(guò)程都是由人工操作控制壓力和水量、加藥量等。水泵開(kāi)啟繁瑣、壓力波動(dòng)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(kāi)停水泵辛苦且危險(xiǎn)。

現(xiàn)代化水源井自動(dòng)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(yuǎn)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(dòng)2G 網(wǎng)絡(luò)（或光纖）的無(wú)線通信方式，通過(guò)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接公網(wǎng)，通訊格式采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS 規(guī)約。硬件接口使用物理RS485 接口，宏電DTU7710 獨(dú)享S7 200 PLC的Port0 口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，從而實(shí)現(xiàn)水廠對(duì)水源井的遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括對(duì)水源井運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)（出水壓力、液位、泵溫、瞬時(shí)流量、累積流量及電量等數(shù)據(jù)）的遠(yuǎn)程采集及水源井的遠(yuǎn)程啟停，實(shí)現(xiàn)水源井的自動(dòng)控制。

2.2 水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)

水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化以及自來(lái)水加工、設(shè)備診斷和出水水質(zhì)質(zhì)量管理?，F(xiàn)代化水廠自控系統(tǒng)是根據(jù)清水池液位自動(dòng)開(kāi)停水泵，具有分級(jí)控制模式。維持清水池水位時(shí)開(kāi)啟一定數(shù)量的水泵維持水位，清水池水位下降時(shí)增加水泵的開(kāi)啟數(shù)量，到達(dá)設(shè)定水位時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水泵，并具有抽空、溢水報(bào)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(dòng)2G 網(wǎng)絡(luò)（或光纖）的無(wú)線通信方式。水廠組態(tài)王畫面通過(guò)CP5612 卡與水廠內(nèi)控制柜PLC 通訊，通過(guò)水廠配置S7 300 PLC 控制實(shí)現(xiàn)水廠內(nèi)二級(jí)泵的自動(dòng)控制及數(shù)據(jù)集中采集。水廠自動(dòng)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(yùn)行參數(shù)（出水壓力、液位、瞬時(shí)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(yùn)行情況，并上傳至總調(diào)度室。水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

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

當(dāng)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，控制器下發(fā)控制命令，通過(guò)DO 控制模塊關(guān)閉155 kW 變頻泵出水電動(dòng)閥，通過(guò)DI 模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)閥門狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到閥門完全關(guān)閉，延時(shí)2 s，再次發(fā)出控制命令，通過(guò)DO 控制模塊關(guān)閉155 kW 變頻泵?？刂破髟跈z測(cè)到155 kW 變頻泵關(guān)閉后，延時(shí)2 s，發(fā)出控制命令，通過(guò)DO 控制模塊開(kāi)啟280 kW 工頻泵，并通過(guò)DI 模塊檢測(cè)泵的運(yùn)行信息，當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)行信號(hào)后，延時(shí)10 s，確認(rèn)泵完全啟動(dòng)，發(fā)出控制命令，通過(guò)DO 控制模塊開(kāi)啟280 kW 工頻泵對(duì)應(yīng)的出水電動(dòng)閥門，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

2.3 調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)是生產(chǎn)領(lǐng)域系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)水務(wù)企業(yè)所有生產(chǎn)、運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，是一個(gè)綜合的供水信息化管理平臺(tái)，也是諸多生產(chǎn)管理、高級(jí)業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。該水廠總調(diào)度室實(shí)現(xiàn)對(duì)公司水廠及水源井進(jìn)行生產(chǎn)和工藝過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及水廠出廠水質(zhì)在線監(jiān)控、調(diào)度管理，同時(shí)可遠(yuǎn)程對(duì)水廠二級(jí)泵和水源井潛水泵進(jìn)行開(kāi)停操作。

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主要采集水廠和水源井的實(shí)時(shí)電壓、電流、壓力、流量、功率、功率因數(shù)、電量、機(jī)溫、液位等生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，各實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)具有報(bào)警功能。該自控系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)曲線、報(bào)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(dòng)生成需要的報(bào)表，并具有自主編制功能；對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)測(cè)控，形成企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程的“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kāi)放的生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

2.4 加氯自動(dòng)控制系統(tǒng)

氯消毒是水廠生產(chǎn)過(guò)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(dòng)控制投加2種模式。水廠二級(jí)泵工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定初始次氯酸鈉投加量，次氯酸鈉進(jìn)入清水池后，與原水充分接觸并停留一段時(shí)間后經(jīng)二級(jí)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(cè)儀讀數(shù)與期望值的偏差進(jìn)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(dòng)大，精度低，穩(wěn)定性差，不利于水廠長(zhǎng)久運(yùn)行［2］。所以現(xiàn)代化水廠主要采用加氯自動(dòng)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(shí)現(xiàn)水廠加氯間設(shè)備的自動(dòng)控制，并增加了低水位報(bào)警、漏氯報(bào)警等安全生產(chǎn)措施。水廠二級(jí)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(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整加藥頻率和加藥量，使出廠水余氯值達(dá)到設(shè)定值，確保出廠水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。若加氯自動(dòng)控制系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生故障，該系統(tǒng)會(huì)立即報(bào)警，并自動(dòng)切換到備用加藥泵。

2.5 恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的，該水廠恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性，附加開(kāi)環(huán)控制，作為備用。開(kāi)環(huán)、閉環(huán)之間可以方便的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)出廠水管道上壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的管道水壓信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后傳送給PID 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器將此信號(hào)與水廠給定壓力值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算將輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)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(hào)的變化來(lái)改變其輸出頻率，進(jìn)而改變二級(jí)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)達(dá)到滿速后，如果檢測(cè)壓力仍達(dá)不到設(shè)定要求，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地啟動(dòng)其他水泵電機(jī)，直到達(dá)到設(shè)定壓力并保持壓力穩(wěn)定。該系統(tǒng)同時(shí)具備循環(huán)倒泵的功能，使水泵均衡使用。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著設(shè)備技術(shù)進(jìn)步和信息化發(fā)展，水廠自動(dòng)化水平越來(lái)越高。水廠自動(dòng)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(lái)水廠使用自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，也能在制水、供水的過(guò)程中，進(jìn)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］。