开平振华水厂自动控制系统分析

　　摘 要：本文以开平振华水厂自动化改造为例，简单介绍了德国西门子公司的PLC自动化系统。我国中小型水厂众多，对这些水厂有很好的借鉴意义。
　　关键词：自动化 改造 PLC
　　中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)11(c)-0089-02
　　
　　1 系统概述
　　广东开平供水集团公司振华水厂竣工于1994年底，现有日供水能力为6立方米，属中小型水厂。该厂原有设计控制部分停留在现场手动控制方式，从加药、加氯到水质分析，从过滤、反冲洗到二级泵站供水，都存在手动操作给水可靠性、稳定性带来的缺陷，不能满足生产运行的要求。水厂生产自动化是提高净水技术的重要措施，为适应《城市供水行业2000年技术进步发展规划》要求，对中小型水厂进行自动化改造是必要的和可行的。其作为国家“九五”攻关项目的依托工程之一，振华水厂在自动化改造方面引进了德国西门子公司的PLC自动化系统，更换上由德国生产的加药系统、加氯系统，在保留滤池阀门的情况下，更换了阀门的电动头，在工艺关键部位增添了一批进口在线式监测仪表。
　　
　　2 自控系统的组成与功能
　　整个系统主要由中央控制室两台计算机、模拟屏及现场两套PLC装置组成，自控系统采用计算机-PLC集散型控制系统，分成中央控制室集中监控管理，现场PLC分散控制和现场操作台手动控制共三级控制。
　　
　　3 水厂工艺流程
　　改造后实现加药、加氯、过滤、反冲洗及泵站供水的自动化控制，工艺流程为图1。
　　
　　4 自动化改造
　　4.1 加药系统
　　改造前采用重力与泵压联合投加：药液从高位药池流入药泵，经提升至高度与药池顶约相平的缓冲罐，然后应用重力投加。药泵的使用克服了投加量受药池液位高度变化影响，但不能避免受原水管道压力变化影响。在水质水量发生变化时，凭经验人为调节造成滞后和不准确。
　　改造后，加药系统采用隔膜计量泵、变频调速电机和SCD5200流动电流仪。其中以原水流量为前馈量控制电机频率，流量愈大，频率愈大，转速愈高；以SCD仪检测混合水SC值为反馈量控制计量泵冲程。PID调节器由中控室PLC内部PID功能块经程序优化设计运行。
　　4．2 加氯系统
　　改造前只有后加氯，投加量的偏差多少依据一小时后检测耗氧量、余氯值来估计，再手动改变加氯机开度，调节氯气流量，调节粗糙，反馈过慢。
　　改造后，后加氯采用复合环控制，并增加前加氯系统。
　　前加氯按原水流量比例投加，属开环控制。后加氯以原水流量为前馈量，以滤后水余氯为反馈量进行投加，属闭环控制。整个加氯控制由中控室PLC完成。
　　增加前加氯作预处理，有效杀死藻类、鱼类，避免其在沉淀池和滤池里大量繁殖。应当说明，后加氯流量信号仍取之于原水流量，是因为滤后水流量仅在反冲洗过程中（时间约10分钟内）与原水流量相差较大，其余时间与原水流量相差无几，且有余氯仪检测反馈。这种前后反馈复合环控制加氯技术保证后氯系统稳定性和可靠性，也适应水量和水质变化。
　　4.3 滤池系统
　　过滤是水处理工艺的最重要把关环节，其控制系统的开发研制也是水处理工作者多年来一直研究的课题之一。由于滤池类型的不同使得过滤单元的控制系统形式有所差别，但为适应不同规模、不同类型滤池，我们开发研制的过滤单元控制系统具有应用范围广、适合于各种类型滤池的过滤单元的特点。在系统开发研制时，我们主要从滤池的操作运行和过滤性能的角度，对提高已建水厂滤池的过滤效果，实现滤池的自动反冲洗进行了重点的研究。
　　由于滤池类型的不同，其要求的过滤滤速也不尽相同。我们开发的控制系统对已建水厂的过滤滤速通过出水阀门的调节和滤池内水位仪的监测来实现滤池的恒水位过滤。在此强调指出恒水位过滤不仅保证过滤的效果，而且保证滤后水流量尽量稳定，便于后氯投加。
　　反冲洗是滤池单元操作的最重要工作之一。我们开发的控制系统采用中心控制PLC，控制滤池的水质周期，到时开启反冲洗阀门，实现自动反冲洗。系统的PLC程序中，主要变化参数的修改简单易行，具有良好的通用性和兼容性。
　　原滤池过滤通过手动调节进水阀和滤水阀门，造成水位忽升忽降且各滤池水位高度不一，滤速不均。
　　开平水厂改造过程中保留了原水的阀门，增加了进口电动头号和调节器，改造后，保持进水阀全开，以超声波水位仪和角度转换器分别监测滤池水位和滤水阀开度，执行PID指令后，送出开度控制信号，实现恒水位过滤。
　　过滤到一定周期进行自动反冲洗。为简单起见，反冲洗省去按阻塞值条件控制，当过滤能力下降并形成一定水头差，值班人发现水位突破恒定水位并不断上升，经确定滤池过滤效力差后，由值班人员进行强制反冲洗。
　　振华水厂实现了滤池恒水位过滤和自动反冲洗。
　　4.4 二级泵站系统
　　泵站单元部分我们主要集中开发了二泵站单元的控制系统。由于二泵站前承水处理厂后接供水管网，其为后续供水管网的输水提供能量，因此，供水管网压力稳定不仅减小爆管的机率，而且通过调速达到节能的目标。
　　我们开发研制的恒压供水控制系统，采用泵站PLC，利用压力传感器，通过对具有调节能力的水泵进行变频调速来实现二泵站的恒压供水。
　　改造前，四台型号一致大泵和一台小泵都是定速泵。手动控制出水阀门开度来调节供水压力，浪费能量且不适应管网压力变化。改造后，利用压力变送器的压力反馈，一号大泵进行变频调速，达到恒压力供水目标，出厂水压力控制在设定压力；同时，水泵出水阀门处于全开启状态，不承受出水压力，增加了阀门使用寿命，通过水泵电机频率调整，一般是频率调低，电机电流降低，也增加了电机使用寿命。
　　4.5 监控系统
　　根据我国已建成的水厂特点，其集散型计算机监控系统应分为三级控制，即中央控制室集中监控管理，现场PLC分散控制和现场操作台手动控制。我们开发研制的中心监控系统主要突出两个特点：一个是监视，一个是控制。
　　4．5．1 故障诊断功能
　　对于PLC外部控制电路和I/O接线系统的故障检测诊断，由用户程序找出最佳矛盾逻辑状态组，及时发现故障点，同时开启报警并记录。通过启动“报警置位”功能进行复位，以消除故障。
　　4．5．2 生产报表生成功能
　　为了保证生产数据可靠、准确，生产工艺数据均由下位机PLC采集并处理，生产管理数据均由PLC运算处理，直接产生小时生产数据、日生产数据、月生产数据、季生产数据、年生产数据，一般情况下PLC是不会中断运行的，建立生产运行数据库Wincc监控软件还具有数据补调功能，即使有某些数据丢失，还可以补调回来，避免了电脑数据数据因关机、停电、或电脑故障等原因，造成数据丢失，无法产生完整的生产数据。
　　振华水厂自动化投入运行一年多来，生产报表准确，给水厂生产管理提供了极大的方便，大大地减少了过去繁重的数据处理工作。
　　
　　5 结语
　　振华水厂自动化生产自1999年8月系统改造投入运行，至今已多年运行正常。通过摸索和提高，逐步掌握了其运行规律，生产管理日趋走向成熟，运行效果是得以发现和不断加强。水厂自动化生产对节电、节矾收到了明显效果，创造出较好的经济效益。我国中小型水厂遍布全国各地，普遍需要建立自动化系统，但长期受经济、技术等因素困扰而难以实现，开平振华水厂自动化系统的成功应用对这些水厂有很好的借鉴意义。同时也具体说明了实现水厂自动化的根本目的是切实提高水厂运行的经济效益和社会效益。在今后的研究中，要加强自动化系统的集成化、成套化、系列化工作，为大规模的推广应用作好准备。
　　
　　参考文献
　　[1]解智.水厂水处理自动化控制系统[J].现