现代化水厂自动化控制系统的应用

马慧 李卫星 岳远东

（济宁中山公用水务有限公司 山东济宁 272000）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，城市工商业和居民对水的需求不断加大，对市区自来水厂的供水量和供水水质提出了更高的要求。传统的自来水厂人工控制方式已经无法满足现代化生产需求［1］。为应对持续增长的城市用水需求，保障城区供水安全和提高供水能力利用率，对水厂自动化水平要求越来越高，水厂实现自动化控制势在必行。

1 水厂概况

北方某自来水厂现有水源均为地下水，该自来水厂拥有5个供水厂，日供水能力30 万m3，城区DN100 以上供水管网超670 km，服务人口100 余万人，服务面积100 km2以上，供水水质符合国家《生活饮用水卫生标准》。该自来水厂水源井遍布在全市各个地方，均采用大型潜水泵开展取水工作。将原水采集后，通过输水管道送到就近供水厂清水池，在清水池内通过自动加氯装置投加次氯酸钠对原水进行消毒，随后经二级泵站加压后进入配水管网送至用户。

2 水厂自动化控制系统的设计

该水厂自动化控制系统主要由水源井自动控制系统、水厂自动控制系统、调度自动化系统、加氯自动控制系统和恒压供水自动控制系统等组成。

2.1 水源井自动控制系统

该水厂传统的供水生产模式，是由司泵工按照调度室电话指令现场开停水源井提供原水。整个过程都是由人工操作控制压力和水量、加药量等。水泵开启繁琐、压力波动大、加药精度不易控制，且部分水源井地理位置偏僻，司泵工夜间开停水泵辛苦且危险。

现代化水源井自动控制系统是由PLC 控制器控制水源井，水厂操作人员可以在水厂控制室远程控制水源井的启停。水源井通讯采用组态王6.53+西门子S7 200 系列PLC+宏电DTU7710+移动2G 网络（或光纤）的无线通信方式，通过移动无线网络连接公网，通讯格式采用标准的MODBUS 规约。硬件接口使用物理RS485 接口，宏电DTU7710 独享S7 200 PLC的Port0 口进行数据的通信，从而实现水厂对水源井的远程监控，包括对水源井运行状态及运行数据（出水压力、液位、泵温、瞬时流量、累积流量及电量等数据）的远程采集及水源井的远程启停，实现水源井的自动控制。

2.2 水厂自动控制系统

水厂自动控制系统主要是实现生产过程自动化以及自来水加工、设备诊断和出水水质质量管理。现代化水厂自控系统是根据清水池液位自动开停水泵，具有分级控制模式。维持清水池水位时开启一定数量的水泵维持水位，清水池水位下降时增加水泵的开启数量，到达设定水位时自动关闭水泵，并具有抽空、溢水报警功能。

水厂通讯采用组态王6.53+西门子S7 300 系列PLC+宏电DTU7710+移动2G 网络（或光纤）的无线通信方式。水厂组态王画面通过CP5612 卡与水厂内控制柜PLC 通讯，通过水厂配置S7 300 PLC 控制实现水厂内二级泵的自动控制及数据集中采集。水厂自动控制系统主要采集水厂内各离心泵、管辖水源井的生产运行参数（出水压力、液位、瞬时流量、浊度、pH、余氯等），监控水厂内离心泵、管辖水源井的运行情况，并上传至总调度室。水厂自动控制系统通信结构如图1 所示。

图1 水厂自动控制系统通信结构图

水厂二级泵采用的是单台变频器实现多台水泵软启动供水，基于PLC 对水厂二级泵实现自动切换，避免人工切换导致的时间延迟和水压波动。当水厂二级泵房工作人员接收到调度室指令后，在水厂二级泵自动控制系统中下发控制计划到PLC 控制柜（包括切换时间，需要切换的二级泵）。下面以某供水厂为例，介绍二级泵切换工作原理。

当达到预定时间后，控制器下发控制命令，通过DO 控制模块关闭155 kW 变频泵出水电动阀，通过DI 模块实时检测阀门状态。当检测到阀门完全关闭，延时2 s，再次发出控制命令，通过DO 控制模块关闭155 kW 变频泵。控制器在检测到155 kW 变频泵关闭后，延时2 s，发出控制命令，通过DO 控制模块开启280 kW 工频泵，并通过DI 模块检测泵的运行信息，当检测到运行信号后，延时10 s，确认泵完全启动，发出控制命令，通过DO 控制模块开启280 kW 工频泵对应的出水电动阀门，从而实现自动切换。

2.3 调度自动化系统

调度自动化系统是生产领域系统的核心，负责整个水务企业所有生产、运行过程中的数据采集和监控，是一个综合的供水信息化管理平台，也是诸多生产管理、高级业务应用的基础数据平台。该水厂总调度室实现对公司水厂及水源井进行生产和工艺过程实时监测及水厂出厂水质在线监控、调度管理，同时可远程对水厂二级泵和水源井潜水泵进行开停操作。

调度自动化系统主要采集水厂和水源井的实时电压、电流、压力、流量、功率、功率因数、电量、机温、液位等生产运营数据，各实时参数数据具有报警功能。该自控系统可对数据进行处理，实现曲线、报表、带图、棒图等图表分析功能，并可以清晰分析、比较数据，便于为管理提供数据决策；能够自动生成需要的报表，并具有自主编制功能；对生产运行过程实时测控，形成企业生产运行过程的“实时数据库”；对数据进行重新分类、加工、整理和归档，使之成为完整和可用的生产记录，形成统一和开放的生产数据共享平台。

2.4 加氯自动控制系统

氯消毒是水厂生产过程中1 道重要的工序。目前，常用的氯消毒方式是投加次氯酸钠，主要有人工控制投加和自动控制投加2种模式。水厂二级泵工作人员根据经验确定初始次氯酸钠投加量，次氯酸钠进入清水池后，与原水充分接触并停留一段时间后经二级泵站加压后出厂。工作人员根据清水池出水口处的在线余氯检测仪读数与期望值的偏差进行调节加药量和加药频率。人工控制投加方式在一定程度上可保证出厂水质合格，但是该方式数据波动大，精度低，稳定性差，不利于水厂长久运行［2］。所以现代化水厂主要采用加氯自动控制系统，而人工控制模式通常处于备用状态。

该水厂采用西门子系列PLC 控制系统，实现水厂加氯间设备的自动控制，并增加了低水位报警、漏氯报警等安全生产措施。水厂二级泵或调度室工作人员设定好出厂水余氯值后，次氯酸钠加药泵根据清水池出水口在线余氯仪反馈值，通过自动控制系统自动调整加药频率和加药量，使出厂水余氯值达到设定值，确保出厂水质稳定达标。若加氯自动控制系统中的设备发生故障，该系统会立即报警，并自动切换到备用加药泵。

2.5 恒压供水自动控制系统

为实现恒压供水的目的，该水厂恒压供水自动控制系统采用闭环控制，同时考虑系统的安全性，附加开环控制，作为备用。开环、闭环之间可以方便的进行转换。恒压供水自动控制系统通过出厂水管道上压力传感器进行实时检测，并将检测到的管道水压信号经过转换后传送给PID 调节器，PID 调节器将此信号与水厂给定压力值进行比较，经过一系列的运算将输出一个标准的控制信号给本系统的执行器——变频器。变频器根据调节器输出信号的变化来改变其输出频率，进而改变二级泵电机的转速。当电机达到满速后，如果检测压力仍达不到设定要求，控制系统会自动地启动其他水泵电机，直到达到设定压力并保持压力稳定。该系统同时具备循环倒泵的功能，使水泵均衡使用。

3 结语

伴随着设备技术进步和信息化发展，水厂自动化水平越来越高。水厂自动控制系统的应用在水厂建设发展中的地位和作用日益凸显。自来水厂使用自动控制系统，不仅可以达到节能降耗的目的，也能在制水、供水的过程中，进行有效的控制，提高供水效率，提升供水质量，满足人们生活和工作的需要［3］。