水厂自动化系统设计

李 炜

(太原供水设计研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概况

该水厂供水规模3 万m3/d，建(构)筑物包括厂外加压泵站、安全及控流阀间、格栅配水车间、沉淀池车间、清水池、变配电间、加氯加药间、泥沙处理车间、综合楼等，以上内容全部纳入自动化设计范围。全厂自动化系统包括以下内容，以实现生产管理和工艺过程的自动化控制和管理现代化的要求。

1.1 仪表

明确仪表的选型原则，根据工艺过程和自动化控制要求确定仪表种类和数量，绘制仪表工艺流程图。过程仪表安装在工艺过程现场，分析仪表安装在仪表间内。为了确保分析仪表的正常工作，配备超滤系统，对进入分析仪表的取样水进行处理。

某些与控制过程关系不密切的水质参数则采用实验分析仪表进行测试，实验分析仪表不包含在本次自动化设计中。

1.2 生产过程控制

根据工艺设计确定控制方案;根据现场构筑物的位置及工艺过程设置监控主站;编写控制描述;统计被控设备及测控点数。

2 仪表配置

仪表应适用于对工艺流程进行控制。仪表的设计应为控制体系提供支持，使工厂操作员能够对工厂和主要设备、处理过程进行监视和控制。能够在以下流程单元获取处理水样本:进厂水、泥沙浓缩储存、沉淀池出水、后加氯点、出厂水。

根据工程方案，进厂水取样点设置在调流及安全阀间前、进水流量计之后，通过取样泵加压进入进厂水仪表检测区，进水仪表检测区布置在调流及安全阀间内。

出厂水取样点设置在清水池后总管，通过引流管引入出厂水仪表检测区。

其他过程仪表根据工艺设计体现的运行要求进行配置。

3 自控系统

3.1 系统结构

自动控制系统分为3 个层次:第1 层，设备监控，包括可编程序逻辑控制器(PLC);第2 层，现场人机界面(HMI);第3 层，管理层。

第1 层，采用可编程序逻辑控制器(PLC)类设备作为主控制器，对流程进行自动控制，对过程参数、设备工况进行自动检测，实现生产现场的无人值守。

第2 层，操作人员可在现场控制站使用触摸屏作为就地人机交互接口，对设备进行就地集中控制。

第3 层，管理系统。位于中控室内，由0#工业交换机为核心组成光纤以太环网拓扑结构。其由工控制算机、服务器和有通讯功能的可编程控制器等组成。

3.2 控制站设置

根据工艺流程和构筑物位置分布，设置以下管理、监视及控制站:中央监控主站(0#PLC)、预处理控制站(1#PLC)、二级处理控制站(2#PLC)、加氯加药控制站(3#PLC)、污泥处理控制站(4#PLC)、加压泵房控制站(5#PLC)。

中央监控计算机及现场控制站组成厂区工控网，实现对现场仪表、现场设备、实时生产过程的监控。厂区工业控制网采用以太光纤网，保证网络的可靠性、安全性。全系统构成一个完整的无缝的分级网络结构体系。

现场应备用一定量的控制设备，当发生故障时，可以及时更换以保证系统尽快正常运行。

1)中央监控主站(0#PLC)。中央监控主站设置在中控室，配置如下:a.实时监控工业计算机2 台。b.用于与现场PLC 子站相连的工业网络通讯接口适配器。c.报表打印机和事故报警打印机，互为备用。d.不间断电源(UPS)。e.投影仪系统。f.便携式编程终端。g.调度及信息发布控制计算机。h.2 台中央操作计算机及1 台工程师站计算机。i.供水管网远程数据GPRS DTU。中央操作计算机作为中控室人机接口，配置良好的人机界面。

2)预处理控制站(1#PLC)。1#PLC 站设置变配电间。监控范围为:格栅配水车间、安全及控流阀间、进水检测仪表、变配电间低压表计等。

3)二级处理控制站(2#PLC)。2#PLC 站设置在沉淀池车间。监控范围为:沉淀池车间、清水池、出厂水流量计井、出水检测仪表等。

4)加氯加药控制站(3#PLC)。3#PLC 站设置在加氯、加药间。监控范围为:加氯间、加药间等。

5)泥沙处理控制站(4#PLC)。4#PLC 站设置在泥沙处理车间。监控范围为:泥沙处理车间、泥沙浓缩池、平衡池。脱水系统配套控制装置，通过开放协议的网络接口通过4#工业交换机接入全厂控制网络。

6)加压泵房控制站(5#PLC)。5#PLC 站设置在厂外泵站变配电间。监控范围为:厂外加压泵房、厂外变配电间等。

7)现场控制站配置。现场控制站通常情况下由PLC 对设备进行自动控制，特殊情况下也可由操作人员通过就地控制箱进行人为干预。也可通过上位监控计算机对监控界面的相关参数进行修改，实现对现场设备的控制。现场控制站使用的控制设备应实现结构模块式、通讯接口多样化，满足日后扩展要求。

3.3 控制描述

1)中央集中监控。本工程采用集散型监控管理系统。在控制室设置实时计算机监控系统，监控系统、通讯系统为热备冗余系统，2 台监控计算机以双冗余模式运行同时作为服务器，接收、处理所有的上传数据，集中管理、控制水厂现场PLC，提供清晰、友善的人机界面，完成生产管理的日报、月报、年报，也可以在中央控制室集中控制水厂的运行。主备转换时，系统无数据丢失。系统同时设置了数据服务器与厂信息管理系统相连，在厂长室、副厂长室、总工室等有关部室可设置计算机显示终端。监控系统开放、灵活，可以对系统进行监测、控制，具有动态画面显示功能、报警、报表输出功能、趋势预测功能、历史数据存储功能。软件应采用全中文操作模式，能够组态中文显示画面等功能。具有使用方便、简单易学、软件组态灵活的特性，应该确保用户可快速开发出实用、可靠、有效的自动控制系统。

2)报警。所有报警均被锁定，直到操作员对其进行确认为止。如果报警是通过指示灯的方式显示的，那么该指示灯将保持闪烁，直到被确认为止;报警被清除之前，将保持稳定。报警为就地报警。阀门和设备状态采用统一的符号和颜色;其状态通过指示灯或彩色电脑屏幕进行表示。至少提供以下的报警:过程旋转元件的高扭矩状况。过程水池和其他开面水道中的高水位。药物储罐、储池中的高、低液位。高、低给药速度。泵井的高、低水位。原水和过程处理水的超标值。工厂出水的pH、余氯、浊度超标值。泵机和过程电动机的脱扣或运行故障。氯储存、计量和注入室中的氯气检测。氯称重装置低重量。阀门运行故障。对于能够关闭设备或系统的所有控制系统联锁，为其提供报警功能。

3)进水处理。进水经调流阀及安全阀进入格栅配水井，以备后期沉淀及加药处理。进水经取样泵至调流及安全阀间供进水仪表检测，取样点在进水流量计至调流阀之间的两处管段。前加氯点在安全及控流阀间内。采集进出水瞬时流量、累计流量。累计流量主要通过现场总线进行采集。流量配比前加氯量，通过网络传送加氯量信号至加药控制站。设置双控电磁阀控制加氯管进行前加氯控制。采集并控制活塞式调流阀、蓄能罐式液控安全阀的启闭;采集并控制调流阀开度。检测进水的pH/T、浊度计等检测仪表的参数信号。

4)源水及清水提升控制。厂外加压泵站源水设置了4 台75 kW离心泵，其中2 台变频，2 台正转、2 台反转，出口为电动法兰式蝶阀;清水设置2 台250 kW 离心管道泵，1 用1 备。采集单管出水压力信号。通过总线采集电机保护装置信号。进行电动机监视，控制离心泵运行。采集其自动、运行、故障等信号。通过压力、温度和其他参数对泵机进行控制。采集总管压力。通过总管压力和其他参数对机组进行调度。调度过程中根据回路母线结构分配运行机组。

5)加氯系统。前、后加氯系统均采用全自动柜式加氯机，通过水射器进行管道投加。因此加氯间属爆炸气体危险环境区域，配备有处理量Q=2 000 kg/hr 漏氯吸收装置1 套，所有仪表、设备均为本安隔爆型设备，并满足相关标准规范要求。完成采集漏氯报警器的状态，检测氯气泄漏，按工艺要求联动漏氯吸收装置、轴流风机并声光报警。检测加氯机运行状态。对氯瓶称重进行检测，并设低限报警，实现自动切换，保证不间断供氯;根据1#PLC加氯量控制信号对前加氯机形成闭环控制。根据4#PLC 余氯信号，按照复合环方式控制后加氯机加氯。

6)加药系统。本厂包含PAC 投加及PAM 投加两套相互独立的加药系统。PAC 投加范围Q=3×150 L/h，PAM 投加范围Q=3×300 L/h。a.PAC 投加。实现配药全自动控制，控制体系包括储液池液位计、投配池液位计、投加药电动球阀、投配药电动球阀、药电磁流量计、水电磁流量计、原液提升耐腐蚀泵、罗茨鼓风机。实现投加全自动控制，控制体系包括计量泵、投配池液位计、沉淀池出水浊度。采集全系统药泵、管路阀门、鼓风机的运行状态。对投加泵的运行时间进行统计。当有1 台泵发生故障或运行时间达到设定时间时，自动切换备用泵运行。定时启停鼓风机。b.PAM 投加。PAM 投加为全自动制备系统，主要考虑采集制备系统、螺杆泵等设备状态。整机启停PAM 投加系统。

7)出水控制。采集清水池液位。液位通过在排空管上进行静压测量的方式获得。这是清水池的最低点，管道中的流量不会对测量造成影响，且常规状态下没有流量。在冲刷操作的过程中(该操作非常罕见，一般每5 年～10 年进行一次)，测量值将会是错误的。清水池液位被用于自动控制泵机的启动保护。采集后加氯取样点的余氯信号，经微调、计算，通过网络传送加氯量信号至加药控制站。采集流出管线配置的电磁流量计信号，累计流量主要通过现场总线进行采集。实现对出水水质、压力的监测。水质参数检测pH、浊度、余氯。

8)污泥处理。斜管沉淀池排泥水至2 座泥沙浓缩池浓缩排除上清液后，经由平衡池由污泥泵将污泥送入脱水设备，脱水设备采用2 台卧式螺旋沉降离心机，一用一备。由药剂泵投药后进行脱水，脱水后制成泥饼外运。脱水系统全套设备及控制集成由厂商提供，厂区自控系统集成商完成配合条件的满足。监控浓缩池中心传动浓缩机。监控浓缩池液位，联动浓缩机低液位保护。监控平衡池进料泵及搅拌机。监控平衡池液位，联动搅拌机低液位保护。由脱水系统提供开放协议的网络接口，实现脱水系统与全厂控制网络连接。以下功能由脱水系统配套控制柜实现集成:对絮凝剂流量、污泥流量进行检测。根据平衡池液位控制进料泵启停。采集污泥流量、絮凝剂流量等参数，控制药液及污泥投加。采集储泥斗料位，控制系统及输送机运行。实现自动卸饼。采集污泥泵、药剂泵、轴流风机、絮凝剂制备系统、输送机等设备的运行状态，控制污泥泵、药剂泵、轴流风机、絮凝剂制备系统、输送机等设备的运行。提供开放协议的网络接口，负责调通与全厂控制网络的通讯。

［1］王江荣，苏 新.给排水设计手册——电气与自控［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002:612-640.

［2］肖建章.自动控制技术［M］.北京:中国劳动社会保障出版社，2004:20-21.