簡述水廠自動化改造

戚金輝

（沈陽水務集團有限公司八水廠，遼寧 沈陽 110000）

前言：

沈陽水務集團八水廠是沈陽市最大的水處理廠之一，日供水量40萬噸，水廠92年建成.引進了80年代較為先進的自動化設備，具有較好的可靠性和安全性。八水廠位于東陵區(qū)東陵路李巴彥凈水廠院內，管轄大伙房地表水引水系統(tǒng)和李巴彥、榆樹地下水水源共3處，有大伙房取水豎井1座、水井18眼，李巴彥清水泵房和南塔配水廠泵房2座，地表水處理構筑物8座，取水干線3條、導水干線1條，清水池6座，潛水泵18臺套、臥式泵14臺套、真空泵4臺套、回收用離心清水泵4臺套、離心式污水泵4臺套、變壓器29臺、協(xié)議容量7340千伏安、輸配電線路7.4公里。日綜合生產能力45萬立方米，占市政水源總生產能力的30%，是沈陽市供水量最多、規(guī)模最大、供水品質最好、自動化程度最高的現(xiàn)代化供水企業(yè)。年制水能力15675.4萬立方米。在沈陽市的供水企業(yè)中具有舉足輕重的地位。

大伙房引水系統(tǒng)源水取自于大伙房水庫，是沈陽市第一座地表水處理廠。為世界銀行貸款項目。李巴彥凈水廠占地面積11.2萬平方米，南塔配水廠占地面積4.2萬平方米。除取水豎井1座、壓力配水廠1座、李巴彥清水泵房和南塔配水廠泵房2座外，還有大型處理構筑物穩(wěn)壓井、加氯間、加藥間、綜合泵房各1座，沉淀池、濾池各2座。

地表水處理工藝：

地下水處理工藝：

一、水廠自動化系統(tǒng)簡介

水廠的自動化控制系統(tǒng)一直遵循著分散控制，集中監(jiān)測和管理的控制思路，整個系統(tǒng)以中央控制室為中心,采用PLC+PC的集散控制系統(tǒng)，PLC選用施耐德的TE PLC和西門子的S7系列的PLC，由10個控制站，共計55臺PLC和3臺監(jiān)控電腦，組成3個工業(yè)總線網絡和1個無線通訊網絡，根據水廠各生產環(huán)節(jié)，按照工藝或地理位置要求，在每一生產工藝建立現(xiàn)場控制站，完成對本工藝設備與過程的監(jiān)視、操作和控制，各控制站之間通過可靠性高和實時性強的工業(yè)局域網絡相連，實現(xiàn)彼此對等通信，達到管理集中和分散控制的目的，使得管理人員可在第一時間，實時、準確地掌握現(xiàn)場設備的運行狀況，提高設備的運行效率和可靠性，為整個水廠的安全、可靠運行提供了保證。此系統(tǒng)的控制思路在現(xiàn)在的水處理過程控制中仍然是主流，此系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行保證了水廠近二十年的滿負荷運行和較高的產出，水質達到國家飲用水標準，水量也基本接近設計能力，為沈陽的供水事業(yè)做出了貢獻。

二、水廠自動化系統(tǒng)面臨的問題

水廠一直倡導技術領先、科技為本，通過一系列的技術改造，降低了故障率，提高了執(zhí)行設備的完好率，但不可否認的是，整個系統(tǒng)的運行是靠穩(wěn)定的現(xiàn)場自動化設備來實現(xiàn)的，如果現(xiàn)場設備出現(xiàn)問題，便不能保證此系統(tǒng)的正常運行，最終將無法保證出廠水水質和出廠水水量。在運行的這些年里，自動化設備均為24小時連續(xù)運行工作，現(xiàn)在大部分設備已經老化和損壞，設備內部的電子元件多已超過了正常的使用壽命（8-10年），故障頻率也成逐年增大的趨勢。特別是全廠的控制基礎PLC系統(tǒng)大多出現(xiàn)不同程度的問題，且大部分設備廠家不再提供備件和服務，多數(shù)型號的設備已不生產，這已嚴重影響到水廠正常的運行，部分系統(tǒng)因為設備老化的問題，出現(xiàn)短時間死機，整個系統(tǒng)運行狀況越來越差，已經嚴重危及到水處理的整個環(huán)節(jié)了。

此前，八水廠自動化系統(tǒng)進行了一期改造,主要進行了濾池Ⅱ系過濾系統(tǒng)自動化設備（PLC）的更新和控制的改造,效果良好,不但解決了濾池工藝自動化系統(tǒng)的設備問題，而且在整個控制系統(tǒng)整體的功能上比原來有了很大的提高,到目前為止，設備運行良好,同時系統(tǒng)功能比原有系統(tǒng)大大增強，監(jiān)測和控制參量是原有系統(tǒng)的3倍,但該系統(tǒng)已運行十年。

水廠的生產因一刻也離不開自動化系統(tǒng)，自動化設備的備件直接關系到水廠的正常運行，原來每年水廠要投入很大一部分資金進行備件的購買，這些年比重越來越大，從2001年起，水廠已無法購買到老型號自控設備的備件，這些型號及模塊廠家已不生產，水廠自動化設備只能依靠自動化改造后（濾池II系）換下的設備進行更換,但各車間所用的PLC型號各不相同，且換下的設備也已用完。加藥間、穩(wěn)壓井、加氯間、中控室、南塔、綜合泵房等地的自動化設備,包括PLC、變頻器、監(jiān)控系統(tǒng)、控制柜的電氣設備,各種變送儀表都出現(xiàn)了不同程度的問題,設備故障發(fā)生率明顯增高,現(xiàn)庫存已無備件。如果像現(xiàn)在這樣維持下去，最后的結果就是因設備更新不到位,影響水廠正常生產和出廠水水質,那時我們的損失就無法估量了。因此，進行逐步地更新和升級改造已迫在眉睫。

三、自動化系統(tǒng)改造的主要目的

本次自動化改造主要的目的是替代原有的已損壞的PLC設備,包括穩(wěn)壓井、加藥間、加氯間、綜合泵房、清水泵房、兩系沉淀池、濾池及中央控制室，恢復因損壞停運的設備，解決現(xiàn)在自動化系統(tǒng)出現(xiàn)的問題,消除各種存在的隱患和危險,將各種現(xiàn)場數(shù)據更多、更快的實現(xiàn)共享,通過光纖環(huán)網的高效性和可靠性，將水廠新老泵房及各控制站的PLC的數(shù)據完全傳送到中央控制室，實現(xiàn)更多的遠程監(jiān)控的功能，達到工藝處理的正確性。在整個改造中，將采用更多的新技術，以求達到節(jié)能降耗，保證正常供水的目的。

四、自控系統(tǒng)的基本構成

整個系統(tǒng)由兩臺中央監(jiān)控電腦和一臺數(shù)據庫管理計算機、一臺大屏幕構成的中央控制站及各現(xiàn)場PLC控制站構成?，F(xiàn)場控制站設人機界面一臺，用于現(xiàn)場操作和動態(tài)顯示工藝參數(shù)和設備工況。各現(xiàn)場控制站與中控站通過光纖進行工業(yè)以太網連接。

設備的控制分為三級。第一級是中控室的集中控制，第二級是現(xiàn)場面板控制，第三級是就地手動控制。即控制轉換開關置于現(xiàn)場位置，控制操作不經過PLC的控制。

（一）中控室

取消原有PLC控制站，利用以太網及TCP/IP技術，上位PC機之間及它們與各現(xiàn)場PLC站之間相連進行數(shù)據通訊，設立大屏幕及監(jiān)控電腦監(jiān)控各站PLC的運行狀態(tài)，同時現(xiàn)場PLC與現(xiàn)場控制器、現(xiàn)場PLC與現(xiàn)場I/O之間采用了現(xiàn)場總線方式，這樣可大大提高信息傳輸?shù)目煽啃?，使系統(tǒng)工作更加安全可靠。同時有利于系統(tǒng)設備維護、技術更新升級以及系統(tǒng)功能的進一步開發(fā)。

中央控制室三臺工控機電腦裝入了IFIX 軟件。因為三臺電腦分別從連接以太網的交換機上采集數(shù)據，同時因直接從現(xiàn)場PLC采取數(shù)據,縮短了采集時間，若一臺PC電腦出現(xiàn)故障，不會影響到其它的計算機的正常運行。同時增設的工程師站監(jiān)控電腦可保證維修人員第一時間了解設備的故障情況，并可在線查詢故障原因和現(xiàn)場狀態(tài)。

（二）濾池系統(tǒng)的功能

對I系濾池11臺PLC做完整的升級，取消原I濾池沖洗的繼電器控制方式，在原有EB11的控制柜內增加PLC，使沖洗水泵、鼓風機完全由PLC控制，增加電機電流和電壓的采集。濾池的控制方式可實現(xiàn)遙控及現(xiàn)場控制。遙控可在中央控制室實現(xiàn)，可實現(xiàn)濾池的停止，過濾，沖洗的控制?，F(xiàn)場控制是通過現(xiàn)場的人機界面實現(xiàn)的。并恢復與濾池II系的通訊網絡。

（三）加藥系統(tǒng)的功能：

實現(xiàn)加藥泵的遠程遙控:通過新型plc系統(tǒng),實現(xiàn)加藥泵的遠程開停和自動輪切。沖程的遠程設定，實現(xiàn)加藥量的實時調節(jié)，根據不同的水質和水量、靈活、合理地調節(jié)加藥流量；迅速反應原水水質、水量和加藥量變化，在很短時間內實現(xiàn)自動跟蹤調節(jié)。

（四）加氯系統(tǒng)的功能

實現(xiàn)加氯機、蒸發(fā)器、壓力水泵的遠程開停；實現(xiàn)氯瓶的自動切換，監(jiān)測氯瓶的使用情況；監(jiān)測各種加氯設備的報警信號，監(jiān)測各加氯運行信號，保證加氯系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；實現(xiàn)加氯量的實時調節(jié)，根據不同的水質和水量，靈活、合理地調節(jié)加氯量，通過智能控制的輸出信號，進行加氯機的閥位調節(jié)；實現(xiàn)壓力水池的水位監(jiān)測和壓力水泵出口壓力監(jiān)測；實現(xiàn)漏氯系統(tǒng)的自動中和控制，一旦漏氯報警儀發(fā)出警報，自動啟動中和風扇和堿泵；實現(xiàn)自動投氯，能夠有效降低氯耗，降低了生產成本。

（五）綜合泵房系統(tǒng)功能

實現(xiàn)自動監(jiān)測回收水池及污水池液位、監(jiān)測回收水流量的功能；實現(xiàn)自動控制回收水泵及污水泵，根據實際情況在不同水位設定報警點，將報警點與泵的開、停聯(lián)動。

（六）沉淀池系統(tǒng)的功能

水處理中的沉淀工藝，主要控制空壓機和排泥閥，同時檢測沉后的PH值、濁度、氣路壓力等參數(shù)，改造后的沉淀池系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：

1.空壓機子系統(tǒng)

在手動方式，操作人員可以在現(xiàn)場開停空壓機，檢測儲氣罐和管路壓力；在自動方式下，PLC系統(tǒng)通過檢測儲氣罐壓力的低高，自動控制空壓機的啟停，當工作的空壓機故障時，備用的空壓機自動投入工作；當工作的空壓機故障或儲氣罐壓力出現(xiàn)低低或高高報警時，發(fā)出報警信號。在監(jiān)控電腦上顯示空壓機的運行狀態(tài)、遙控空壓機的開停、顯示空壓機的運行時間和運行曲線，提供聲光等報警，特別是在氣路壓力低低時，不允許濾池系統(tǒng)沖洗。

2.排泥閥自動控制子系統(tǒng)

每一個沉淀池均設有獨立的手動/自動選擇開關；在手動方式下，操作人員可以在現(xiàn)場手動開關排泥閥，同時在監(jiān)控電腦上顯示沉淀池和排泥閥的工作狀態(tài)；在自動方式下，每個沉淀池的排泥閥分為四組，每組進行獨立排泥，每組排泥閥設有可以更改的循環(huán)周期和排放時間，操作人員可現(xiàn)場/遠程設定時間及周期；當排泥閥有故障時，在現(xiàn)場和監(jiān)控電腦上顯示故障報警，計算排泥時間，同時在中控室產生報警；增加排泥閥遠程控制系統(tǒng)，通過遠程控制，可單獨對某一排泥閥進行開閉操作。

（七）穩(wěn)壓井系統(tǒng)的功能

實現(xiàn)自動監(jiān)測原水PH值、濁度、溫度、兩系列原水流量及四個液位及加藥流量的變化，如水位出現(xiàn)異常將會發(fā)出報警信號并傳至中央控制室。采集取樣泵的工況信息，并可手/自動開啟。

（八）工業(yè)以太網的應用

沈陽市自來水八水廠控制系統(tǒng)原有三個網絡，分屬于不同的物理結構，網內通訊速度還可滿足生產的需要，但網絡間的速度則很滯后，并且網絡間的連接設備起著關鍵的作用，如果設備出現(xiàn)問題，則不能保證生產的穩(wěn)定性和準確性。這次改造完成了水廠控制系統(tǒng)從封閉的專有網絡向開放的工業(yè)以太網的過渡。

這次改造通過工業(yè)以太網與交換機和plc的連接，解決了多個網絡出現(xiàn)的通訊問題。解決了部分不具備網絡功能設備的聯(lián)網方法。特別是原有串口設備，RS485總線，專用網絡等的連網問題。由TCP/IP協(xié)議可遠程、機動性管理各種設備，實現(xiàn)設備的預先報警、同時降低系統(tǒng)故障維護與成本，是一種值得推廣的設備網絡模式。

五、系統(tǒng)主要特點

新型的網絡拓撲：采用工業(yè)控制以太網絡實現(xiàn)PLC之間,計算機與PLC之間的數(shù)據通訊和資源共享,數(shù)據通訊速率可達10M，是原有速度的100倍。新型的自動化平臺：高度分布式結構提高整個控制系統(tǒng)的速度,縮短反應時間,解決現(xiàn)有的問題，減少了風險和系統(tǒng)集成時間。各種執(zhí)行設備由傳統(tǒng)的單一PLC監(jiān)控轉變?yōu)橛刹煌淖詣踊O備硬件分擔其功能，真正做到功能上的分布和地理上的分散。各控制單元和檢測單元按不同位置安裝后，和主單元間連接僅為屏蔽雙絞線或光纖，節(jié)約了大量的二次電纜和安裝調試費用，縮短了設計及施工周期。通過設立工程師子站,大大簡化了系統(tǒng)的故障檢修,設備維護,功能開發(fā)等技術工作的時間和反應時間.

六、自動化設備的選型與依據

本次改造將采用新型的PLC設備、新型的網絡、新型的控制方法、新型的節(jié)能技術，完整的自動化監(jiān)控平臺，分散的控制思路，力求達到水廠處理工藝對自動化系統(tǒng)的要求。自控系統(tǒng)應滿足水廠運行管理和安全處理的要求，即生產過程自動控制和報警、自動保護、自動操作、自動調節(jié)，提高運行效率，降低運行成本，減輕勞動強度，對水廠內各處理系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、設備工況等進行計算機集中在線實時監(jiān)測，重要設備進行計算機集散在線控制，確保水廠的出水水質和水廠的安全生產。

七、結束語

八水廠的自動化系統(tǒng)是保障優(yōu)質供水、降低供水成本的必要條件。通過自動化技術在水廠的應用，是實現(xiàn)國內水廠生產、管理現(xiàn)代化的必要途徑。水廠中最主要是合理的控制藥耗和氯耗，通過本次自動化改造，可以解決水廠面臨的自動化設備癱瘓的危險；先進的監(jiān)控系統(tǒng),功能齊全的生產信息的管理系統(tǒng)，會使水廠的自動化系統(tǒng)更加完善,水廠的安全運行更有保障,此系統(tǒng)集生產過程監(jiān)控與管理于一體，提高了管理效率，達到提高自來水質量、降低能耗、人耗及物耗的目的，并全面提高了水廠自動化水平。