自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用

王振民

（三门峡市自来水公司，三门峡 472000）

1 自动化控制系统简介

自动化控制系统控制过程可分成闭环控制系统和开环控制系统。前者又叫做反馈控制系统，也就是通过输出量和期望值之间的差距来实施控制，后者又叫做顺序控制系统，由检测元件、执行机构以及被控对象所构成，广泛应用于化工、机械等领域。从给定信号上来看，自动化控制系统又可分为程序控制系统、随动控制系统和恒值控制系统。自动化控制系统应用范围也从机械和化工等领域扩展到了医学、生态学等领域，不仅对整体社会的发展具有极大推动作用，而且对于社会组织机构以及个人均有一定影响。

2 自来水厂的制水以及自动化系统的构成

2.1 自来水厂的制水

自来水厂为人们的生活、工作提供必要的水资源，满足人们生活工作需求，所以在城市社会发展中扮演着不可替代的角色。随着人们用水需求的增加，自来水厂在制水和送水工艺上也进行了改良，比如在制水上引进先进的深度处理技术，能满足国家对水质水量上的要求。比如在送水方面应用了互联网送水控制技术，对送水过程进行全面监督控制。此外，关于自来水厂的制水流程，主要包括取水、制备和添加药剂、混凝、沉淀和送水几个环节，在自来水产制水流程控制上采用了自动化控制仪表设备，使用分布集散的控制系统对制水工艺进行自动化控制与管理。

2.2 自动化控制系统的构成

自动化控制系统在自来水厂中运用时是在多个多层级的控制站中的运用，比如在一级控制站中运用，采用的是PLC自动控制系统，在研究其节能降耗作用时，需要对该控制系统的结构进行综合分析。该自动化控制系统由CPU、电源和模拟量一级通讯等硬件配置构成，在设置自来水基架拨号时选择16进制，0号主基架子的拨码要统一设置为off状态。

3 自动化控制系统在自来水厂中实现节能降耗的方法

自来水厂中消耗的能源主要有电能、水量、药剂量和消毒氯气的消耗量，其中各消耗主要发生在取水泵站、加药加氯自动化系统、沉淀池排泥自动化系统以及送水泵站中，所以为提高自来水厂节能降耗效率，需要对其中的每个环节的相关工艺进行研究。

3.1 取水泵站自动化控制系统设计

取水泵站由两台变频泵和两台定速泵构成，功能是为水厂提供原水服务，取水泵站是电能消耗的主要站点之一，也是自来水厂需要重点节能降耗控制的站点。在自动化控制系统设计时，可以先将水泵分成两组，其中运行的变频泵为变频组，而另一台变频泵和两台定速泵为定速组，至少保证一台变频泵在运行。当运行的变频泵停止运行，且另一台变频泵不在运行时，系统切换到另一台变频泵。至于变频泵的频率调整主要依据清水池的水位，PLC自动化控制系统根据水位值来调整变频泵的频率，在这一过程中，自动化控制系统需要记录前一台变频泵运行的频率，目的是在另一台变频泵运行时能保持之前的频率。关于定速泵的启动数量，主要依据是变频泵的运行频率，而为了有效控制定速泵启动数量，需要设定两个限定值，一个是当启动一台定速泵时变频泵的频率，另一个是当停止一台定速泵时变频泵的频率。在系统设计时，如果变频泵的频率要高于等于第一个限定值，且两台定速泵中至少有一台可用时则启动定速泵。如果变频泵的频率要低于第二个限定值，且两台定速泵中至少有一台是运行的时则停止一台定速泵。

3.2 加药加氯自动化系统控制设计

加药自动化系统控制设计主要是为了控制药剂消耗，在自来水厂中主要是对聚合氯化铝的投入进行控制。想要实现这一环节的节能降耗，就要利用系统精确计算氯化铝加入的量，并通过自动化控制系统对氯化铝加药计量泵的投入速度进行计算和控制。在计算氯化铝投加泵的速度时，可根据额定投加流量、手动冲程、聚合氯化铝的浓度、投加量以及沉淀池的进水流量等来进行计算设定。关于自来水厂的加氯系统，其加氯消毒站是由气源系统、真空加氯系统、压力水供应系统以及电气、控制检测仪表系统和氯气泄漏检测与安全防护系统组成。在消毒站程序设计中，主要分为前加氯控制设计和后加氯控制设计。前加氯控制设计时为了防止藻类以及胶体的破坏，在设计控制时要预备两台前加氯机，加氯机要根据原水流量的比例进行投加，如果一台前加氯机出现故障，则系统自动切换到另一台前加氯机上。后加氯机是为了保证出厂水中氯的含量，目的是对清水池和出厂水管道进行消毒。后加氯机的控制设计是综合流量主控制量和出厂水中余氯量来进行控制，在设计时也要预备两台后加氯机。

3.3 沉淀池排泥系统自动化控制设计

自来水厂的沉淀池排泥系统由排泥阀和排泥车构成，在自动化控制设计时主要是基于排泥阀和排泥车的控制。沉淀池中通过排泥阀进行合理的排泥工程，为达到节能降耗的效果，对排水量进行有效控制，系统需要合理设置排泥的周期和排泥阀门开启时间。在设置时用户可以根据实际情况，如原水质条件设定排泥周期，安排排泥时间，并根据平流沉淀池的情况设置排泥阀的开启时间。如果泥量较大，则阀门开启时间长一点；如果泥量小，则阀门开启时间短一点。此外，自来水厂的沉淀池一般较长，根据沉淀池中的沉泥规律，从进水端到出水端，泥的量和厚度是由多到少、由厚到浅的。所以，排泥车在沉淀池中排泥时，一要达到排泥效果，二要控制水量。为了实现节能降耗，排泥车如果使用的是变速排泥电车，则该电车在进水端口应慢速前行，在出水端口则要快速前行。如果排泥车使用的是定速电车，则可以先从进水端前行到沉淀池的1/3处，然后再退回到进水端，最后再次从进水端一直前行到出水端口排泥。

3.4 送水泵站自动化控制设计

送水泵站和取水泵站一样，也是由两台变频泵和两台定速泵组成，其中至少要保证一台变频泵运行，且将运行的变频泵设为变频组，而另一台备用的变频泵和两台定速泵设为定速组。当运行的变频泵运行时间截止时，系统自动切换到另一台变频泵上运行。关于变频泵的频率调整则要根据出水厂压力的设定值来增减，用户可以设定的压力值和送水管道实际的压力值来计算调整，如果管道的压力要小于用户设定压力值时，则自动化控制系统增加变频泵的频率，如果管道压力值要大于用户设定压力值时，则系统相应地减少变频泵的频率。至于定速泵开启的数量，与取水泵站一样，也是根据变频泵的频率来调整。先设定两个值，分别是启动一台定速泵时变频泵的频率和停止一台定速泵时变频泵的频率。当变频泵运行频率要大于等于第一个限定值时，且有一台定速泵可用时则启动定速泵，若变频泵运行频率要低于第二个限定值时，且至少有一台定速泵保持运行时则停止另一台定速泵。

4 结语

自动化控制系统运用于自来水厂中，可以有效提高节能降耗效率，所以自来水厂应非常重视自动化控制系统的应用与推广。利用自动化控制系统可实现对自来水厂制水工艺中取水、制备加药、沉淀排泥和送水各个环节中电能、药剂量、水量等的控制，减少能耗，提高工作效率，改善自来水厂的运营管理水平，提高水质，在自来水公司实现经济效益的同时，也实现了社会效益，满足了广大人民群众的生活、工作需要。

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