滨海水厂自动化控制系统设计方案

滨海水厂自动化控制系统设计方案叶万青2004年8月27日摘要：本文就基于PLC的水厂自动化控制系统在滨海水厂的应用提出了一些笔者的建议，主要从水厂加药、加氯、沉淀池虹吸吸泥机、滤池和恒压供水等几个关键工艺过程进行自动化控制系统的设计，其中将恒压供水系统作为典型例子进行了详细的论述，希望本文能对滨海水厂自动化控制系统的建设有所益处。关键词：中小型PLC水厂自动化控制系统滨海水厂自动化控制系统设计方案目录前言第一章水厂自动化控制系统的发展现状；第二章生产工艺和控制要求；第三章自动化控制系统的设计：1.1对药剂的制备与投加的控制；1.2对沉淀池虹吸吸泥机的控制；1.3滤池自动化控制系统；1.4恒压供水系统。第四章相关小型PLC的介绍与说明；结束语前言随着科学技术的发展和人们对生活用水品质要求的不断提高，通过近几年来对水厂运行控制模型经验和控制参数的积累，水厂控制设备和检测仪表品种的丰富和可靠性大大提高，供水系统自动化控制技术在分散控制、集中管理系统上日益成熟，滨海水厂自动化改造将成为必然趋势。滨海水厂为年供水量在1500万立方米的小型水厂。主要负责大港油田的生产生活用水的供给，本文仅作为笔者对滨海水厂自动化控制系统建设方面提出的一点建议，以供参考。第一章水厂自动化控制系统的发展现状水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直到九十年代，随着可编程序控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方便以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为：由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破，取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由功能划分改为以距离划分，可在中控室内监视水厂运行的全过程。第二章生产工艺和控制要求1.1滨海水厂采用工艺流程：主要分为以下几个工艺过程如图1所示：药剂的制备和投加取水混凝平流沉淀过滤清水池二级泵房前加氯混凝剂原水供水管网滤后加氯图1滨海水厂工艺流程图2.2水厂的控制要求：（1）、出厂水浊度小于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保证水质水量的同时，要求低药耗、低氯耗和低电耗；（2）、滤池要求采用恒水位运行，水位偏差不能大于±2.5cm，要能根据水头损失或运行周期自动进行反冲洗，且同一时间内只能有一个进行反冲洗；（1）取水：将滦河水抽入净水厂；（2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的；（3）混凝：包括混合与絮凝，即滦河水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥；（4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥；（5）过滤：沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂；（6）送水：通过多台离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网；第三章自动化控制系统的设计由于自来水生产工艺主要具有以下特点：（1）各生产工艺段相对独立，单体设备多。（2）采集的数据量大，整个系统共有数字量输入、输出超过3000路，模拟量输入、输出超过1000路，且工艺参数种类多，包括压力、流量、温度、差压、液位、电流、电压、功率等，但上下游相关联的生产参数少。（3）自来水生产具有连续性、不可替代性和不间断性。（4）各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段生产设备分散控制，利用OMRONProtocol和ControllerLink组成网络，在各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2示。…共8台…共13台…共4台…共7台…共8台沉淀、滤池上位机…共8台CQM1HCQM1H二期滤池控制C200HGC200HGC200HG电台冲洗设备及一期滤池控制ControllerLinkCPM2A电台RS232CPM2A电台RS232中继器光中址光中址C200HG转换器取水上位机光纤ControllerLinkRS232RS232Srpam2000Srpam2000AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232高压配电设备泵机控制ControllerLink加药上位机送水上位机中控上位机C200HGC200HG加药设备控制C200HGC200HG转换器转换器RS232RS232Srpam2000Srpam2000RS422AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232RS422高压配电设备泵机控制一、二期平流沉淀池吸泥机控制图2全厂控制网络图在取水及送水工艺段上，主要设备由多台离心水泵和10KV高压直配电机组成，每一电机由相应的高压配电柜控制，因此为每一面高压配电柜选用一台Sepam2000(专用于配电柜控制的小型PLC)进行数据采集和控制，每一泵阀在现场选用一台OMRONCPM2A用于数据采集和控制，通过RS422接口连成网络，由控制室的OMRONC200HG中型PLC利用OMRONProtocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开其维修而不影响其它设备的正常生产。对于沉淀池吸泥机的控制，由于吸泥机在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G~2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRONProtocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRONCQM1H）分散控制，可以较好地解决因控制设备故障造成全部滤池停产而影响安全供水的问题。整个ControllerLink网络由中继器分成两段，主要是为了满足ControllerLink对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。系统中生产工艺所要求的全部参数都由PLC采集和控制，上位机只是人机界面和对生产数据进行后续处理，大大地提高了系统的可靠性。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，提高了可靠性，是一种经济可行的方案。1.1对药剂的制备与投加的控制1.1.1自动加药控制：水厂在保证出厂水质的条件下降低药耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加药自动化控制，至今尚无行之有效的方法。经过多年运行的经验，滨海水厂已得出了一系列适合自身加药控制重要参数，其中流量比例可作为加药控制的主要参考依据，基本可以达到在保证水质的同时降低药耗的目的。Primus227系列机械隔膜计量泵1.1.2自动加氯控制：利用液氯杀菌是目前生产自来水的主要消毒手段。在工艺设计上，一般设前加氯（原水）和滤后加氯（滤池出水）两处加氯点。目前的加氯量控制方法：前加氯通常采用流量比例控制加氯量；滤后加氯采用流量比例、余氯反馈“复合环路”控制加氯量；滤后加氯是自来水消毒处理的主要环节，但由于在水中投加氯后，需要在清水池内至少有30分钟以上的接触时间，才能达到比较好的杀菌效果，也是一个滞后控制。为了解决滞后控制问题，将滤后加氯检测取样点移到清水池前，一般距加氯点10D（D为管径）。DEPOLOX3plus余氯分析仪gs1401加氯机1.2对沉淀池虹吸吸泥机的控制：以往常规的控制方法是，将吸泥机的运行状态及故障信号全部采用点对点方式送入PLC，PLC对它的控制信号也采用硬接点方式。这样一台吸泥机就有十几个DI/DO点，而吸泥机是一直在沉淀池上移动的，这就需要大卷的移动电缆或多极滑导，在室外环境下这些信号的传输不可能长期稳定，会引起误操作。滨海水厂每座沉淀池上都设有两台吸泥机，两座沉淀池共有四台吸泥机，并采用在吸泥机上设置一台小型PLC的方式，吸泥机受小型PLC控制，仅将吸泥机的运行、故障状态通过滑导送到加药分站内的主控PLC。这样，吸泥机的运行不会受错误信号的干扰，中控室又可以知道吸泥机的运行情况，如发现吸泥机故障，可立即派人员去维修。1.3滤池自动控制系统：滤池是水厂关键的组成部分，也是控制最集中的地方。为了保证水厂净水工艺这一关键部位能正常运行，局部出现故障后不会因为某个阀门的损坏而影响整个滤池的自动运行及调节，我们在滤池上设置了多个小型PLC，每两格滤池由一个小型PLC控制。这样，某一部位的阀门等设备出现故障后，只会影响一个小型PLC，仅会使两格滤池退出自动运行状态，等待维修，而其余大部分滤格仍可正常自动运行。1720D低量程浊度控制仪1.4恒压供水系统：恒压供水系统原理如图7所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及6台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#、5#、6#。PLD压力传感给定压力变频器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC控制器I/OI/O变频/工频备用选择液位变换钟控允许自动/手动TC时间控制器报警液位电极池底下限复位供水管网1#泵1#电机2#泵3#泵4#泵5#泵6#泵2#电机3#电机4#电机5#电机6#电机图7恒压供水系统原理图1.4.1工作原理（1）运行方式该系统有手动和自动两种运行方式：A、手动运行。按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-6#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。B、自动运行。合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。（2）故障处理A、故障报警。当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。B、水泵检修。为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔