——振華水廠改造工程實(shí)例分析報(bào)告

陳牧民 呂躍進(jìn) 李殊粱
（開平供水集團(tuán)股份有限公司 529300）

　　摘　要：本文介紹了振華水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成與功能，著重論述了改造前后凈水工藝控制方式的變化，并就自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行一年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出對(duì)中小型水廠自動(dòng)化技術(shù)改造的一些體會(huì)。
　　關(guān)鍵詞：中小型水廠 技術(shù)改造 自動(dòng)化控制 體會(huì)

一、振華水廠簡(jiǎn)介

　　振華水廠于1994年底投產(chǎn)，規(guī)模：6萬立方米／日，屬中型水廠，擔(dān)負(fù)著開平市城區(qū)大部的自來水供應(yīng)，其供水水質(zhì)及安全性對(duì)整個(gè)城區(qū)都有著重要的影響。
　　工藝流程：

　　該廠生產(chǎn)控制方式為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制方式，投藥、加氯的準(zhǔn)確度、連續(xù)性，濾池反沖洗、二級(jí)泵站供水的安全可靠性都受到相當(dāng)大的制約。為適應(yīng)《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》要求及人們對(duì)水質(zhì)和供水安全性要求的提高，1999年5月我水司與有關(guān)高校科研人員及自控專業(yè)公司合作對(duì)該水廠進(jìn)行了自動(dòng)化改造。經(jīng)改造后的生產(chǎn)實(shí)踐證明，效果相當(dāng)不錯(cuò)，說明中型水廠自動(dòng)化改造是必要和可行的，具有一定的推廣價(jià)值。

二、自控系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)思路

2.1 系統(tǒng)組成
　　本自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由中央控制室兩臺(tái)計(jì)算機(jī)（Pentium Ⅱ/450，內(nèi)存96M）、模擬屏及現(xiàn)場(chǎng)兩套PLC（SIMATIC S7－300，CPU314）組成，控制規(guī)模DI160點(diǎn)、DO96點(diǎn)、AI24點(diǎn)和AO12點(diǎn)。采用DCS（Distribute Control System）系統(tǒng)，為中央控制室集中監(jiān)控、PLC分散控制和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)手動(dòng)控制的三級(jí)控制。PLC軟硬件主要由西門子公司提供，使用 Windows NT 4.0操作系統(tǒng)構(gòu)成C／S結(jié)構(gòu)，分別以STEP7和WinCCV4.0為編程與監(jiān)控軟件。整個(gè)系統(tǒng)采用MPI多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)，PLC框架采用內(nèi)部總線，PLC與計(jì)算機(jī)之間采用RS－485通訊接口，兩套PLC站通過專用雙絞線聯(lián)接，如圖1所示。

　　其中，二級(jí)泵站PLC監(jiān)控泵站電機(jī)、水泵、真空泵及閥門工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)調(diào)速泵頻率、運(yùn)行時(shí)間、電流、電壓、電源有功功率、耗電量、機(jī)泵閥開關(guān)量狀態(tài)及出廠水水質(zhì)指標(biāo)；而中控室PLC同時(shí)監(jiān)控加礬、加氯、過濾、反沖洗和反沖洗水池補(bǔ)水系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行工況，監(jiān)測(cè)混合SCD值、濾后水余氯及原水水質(zhì)指標(biāo)。
2.2系統(tǒng)功能
　　監(jiān)視功能
　　模擬屏以直觀的表達(dá)方式，通過色彩和動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，形象表示出制水生產(chǎn)全過程。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行全面監(jiān)控，并對(duì)投藥、加氯、濾池及送水泵站各系統(tǒng)以立體圖和平面圖表現(xiàn)相應(yīng)的工藝流程、設(shè)備運(yùn)行工況以及儀表參數(shù)。此外還具有歷史數(shù)據(jù)分析和報(bào)表系統(tǒng)功能，自動(dòng)生成7種不同類型生產(chǎn)報(bào)表，并可隨時(shí)進(jìn)行修正和打印。
　　自動(dòng)控制
　　自動(dòng)控制分為人工和自動(dòng)方式，前者是把輸出模擬量固化，后者則通過預(yù)設(shè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，控制單元對(duì)設(shè)備檢測(cè)部份傳來的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，將結(jié)果送至設(shè)備執(zhí)行部分。
　　故障診斷
　　PLC外部控制電路和Ⅰ／O接線系統(tǒng)的故障檢測(cè)診斷，由用戶程序找出最佳矛盾邏輯狀態(tài)組，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，開啟報(bào)警并記錄。通過啟動(dòng)“報(bào)警置位”功能復(fù)位，消除故障。
2.3 改造后凈水工藝控制方式
　　（1）加礬系統(tǒng)
　　改造前采用重力與泵壓聯(lián)合投加：礬液從高位礬池流入礬泵，經(jīng)提升至高度與礬池項(xiàng)約相平的緩沖罐，然后應(yīng)用重力投加。受原水管道壓力變化影響，在水質(zhì)水量發(fā)生變化時(shí)，憑經(jīng)驗(yàn)人為調(diào)節(jié)造成滯后和不準(zhǔn)確。
　　改造后，加礬系統(tǒng)采用隔膜可控容積計(jì)量泵、變頻調(diào)速電機(jī)和美國(guó) Mition RoySC5200－E4WJOOO游動(dòng)電流檢測(cè)儀（簡(jiǎn)稱SCD儀），見圖2。其中，以原水流量為前饋量控制電機(jī)頻率，流量越大，頻率越大，轉(zhuǎn)速也就越高，確保原水流量發(fā)生階躍變化時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；以SCD儀檢測(cè)混合SCD值為反饋量控制計(jì)量泵沖程。水廠集中采用中控室PLC內(nèi)部PID控制器，實(shí)現(xiàn)PID控制算法。

　　加礬系統(tǒng)在原水流量計(jì)和SCD儀的自動(dòng)監(jiān)測(cè)下，實(shí)現(xiàn)頻率和沖程雙點(diǎn)調(diào)節(jié)，最大限度擴(kuò)展控制范圍，適應(yīng)了原水水量和水質(zhì)大幅度變化，并可克服原水管道壓力變化影響，保證了混凝效果。
　　（2）加氯系統(tǒng)
　　改造前只有濾后加氯，投加量偏差多少依據(jù)一小時(shí)后檢測(cè)耗氯量、余氯值來估計(jì)，再手動(dòng)改變加氯機(jī)開度，調(diào)節(jié)氯氣流量，調(diào)節(jié)粗糙，反饋過慢，致使加氯不夠可靠。
　　改造后，濾后加氯采用復(fù)合環(huán)控制，并增加反應(yīng)前加氯系統(tǒng)。
　　反應(yīng)前加氯按原水流量比例投加，屬開環(huán)控制。濾后加氯以原水流量為前饋量，以濾后水余氯為反饋量進(jìn)行投加，屬閉環(huán)控制。
　　應(yīng)當(dāng)說明的是濾后加氯流量信號(hào)仍取之于原水流量，是因?yàn)樵髁颗c濾后水流量不等情況很少，且有余氯儀檢測(cè)反饋。這種前后反饋復(fù)合環(huán)控制加氯技術(shù)保證后加氯系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，也適應(yīng)水量和水質(zhì)變化。
　　（3）濾池系統(tǒng)
　　原系統(tǒng)過濾時(shí)靠肉眼判斷濾池水位高度，手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥和濾水閥門，造成水位忽升忽降且各濾池水位高度不一，濾速不均。
　　改造后，保持進(jìn)水閥全開，以超聲波水位儀和角度轉(zhuǎn)換器分別監(jiān)測(cè)濾池水位和濾水闊開度，執(zhí)行PID指令后，送出開度控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)恒水位過濾。如圖3所示。

　　過濾到一定周期進(jìn)行自動(dòng)反沖洗。為簡(jiǎn)單起見，反沖洗省去按阻塞值條件控制，當(dāng)過濾能力下降并形成一定水頭差，值班人易發(fā)現(xiàn)水位突破恒定水位并不斷上升，由此進(jìn)行強(qiáng)制反沖洗。另外，反沖洗水池自動(dòng)補(bǔ)水，以液位計(jì)反饋液位高度信號(hào)控制水泵啟停，同時(shí)保留原靠浮球到達(dá)限位作為水泵停止信號(hào)的控制，兩者并用確保反沖洗水池滿水后水泵自動(dòng)停止，以免事故發(fā)生。
　　（4）二級(jí)泵站系統(tǒng)
　　改造前，四臺(tái)型號(hào)一致大泵和一臺(tái)小泵都是定這泵。手動(dòng)控制出水閥門開度來調(diào)節(jié)供水壓力，浪費(fèi)能量且不適應(yīng)管網(wǎng)壓力變化。改造后，利用壓力變送器的壓力反饋，一號(hào)大泵進(jìn)行變頻調(diào)速，達(dá)到恒壓力供水目標(biāo)，如圖4所示。
　　變頻器最佳輸出頻率范圍為40Hz至49Hz，當(dāng)達(dá)到設(shè)定極限50Hz時(shí)，變頻器會(huì)自動(dòng)跳閘，并發(fā)出警報(bào)。在實(shí)踐中，以一號(hào)變頻調(diào)速泵與其它定速泵的不同并聯(lián)組合，使變頻調(diào)速在最佳變頻范圍進(jìn)行工作。

三、運(yùn)行效果及體會(huì)

3.1 運(yùn)行效果
　　（1）加礬和加氯兩套系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化控制，確保了水質(zhì)的提高。出廠水濁度一般在1.0NTU以下，余氯值在0.4～0.7mg/L之間，達(dá)到Ⅰ類水司水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其它指標(biāo)均符合或優(yōu)于國(guó)標(biāo)。另外，自控監(jiān)測(cè)儀表一般都有靈敏度高、準(zhǔn)確性好和易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。
　　（2）自動(dòng)化控制，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)，也提高了凈水生產(chǎn)的穩(wěn)定性、連續(xù)性與供水的安全性，符合供水行業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求。
　　（3）降低了能耗、藥耗。
　　利用調(diào)速泵與定速泵不同并聯(lián)組合來適應(yīng)不同供水需求，在滿足管網(wǎng)壓力逐時(shí)變化前提下提高效率，節(jié)約了電能。我們對(duì)調(diào)速大泵和一臺(tái)定速大泵并聯(lián)運(yùn)行與兩臺(tái)定速大泵并聯(lián)運(yùn)行作出比較，節(jié)能約為10％左右。不僅節(jié)約電能，而且經(jīng)統(tǒng)計(jì)節(jié)約礬藥約10％。
　　如表1所示。

　　3.1  體會(huì)
　　中小型水廠規(guī)模小，自動(dòng)化改造的投資成本相對(duì)較高，因而需要在保持技術(shù)先進(jìn)的前提下尋求自控系統(tǒng)的可行性簡(jiǎn)化。如用集成在CPU內(nèi)的MPI進(jìn)行簡(jiǎn)單聯(lián)網(wǎng)，以STEP7用戶接口簡(jiǎn)單組態(tài)等。
　　對(duì)中小型水廠自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)尚屬嘗試階段，應(yīng)用不多，本項(xiàng)目注重設(shè)計(jì)與實(shí)際情況的緊密結(jié)合。例如，本廠的原水進(jìn)水采用計(jì)量堰計(jì)量時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)水面波動(dòng)較大的現(xiàn)象，我們通過設(shè)置擋板以消除計(jì)量堰水面紊動(dòng)，確保水位和流量信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確；反沖洗水池抽水泵真空判斷原以在真空表內(nèi)設(shè)定固定真空值為準(zhǔn)，為適應(yīng)清水池水位大幅度變化要求，特改用在真空管路內(nèi)水位提升浮球取得真空形成信號(hào)等。另外，進(jìn)口自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表需穩(wěn)定安全的工作環(huán)境才能正常發(fā)揮作用。對(duì)此我們?cè)谙嚓P(guān)儀表前加設(shè)緩沖排氣筒，出廠水經(jīng)氣水分離后依靠重力流向儀表，相對(duì)穩(wěn)定、平緩，使儀表正常工作。
　　水廠生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行方式，促進(jìn)了凈水處理技術(shù)水平的提高，經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行證明，改造是成功的，達(dá)到了我們預(yù)期目的，提高了投藥加氯的準(zhǔn)確、連續(xù)性，提高了供水安全性，降低了藥耗。當(dāng)然，改造工程本身存在某些局限性，我們將精益求精，在生產(chǎn)實(shí)踐中個(gè)斷完善，使經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。

參考文獻(xiàn)

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