田建輝
(珠海市供水總公司，廣東珠海519020)

　 摘 要：介紹了唐家水廠自控系統的設計思路及配置特點，對水廠過 程控制系統、調速系統、無常規手動系統的構成進行了分析，并介紹了提高水廠自控系統 智能性、實用性的實踐經驗。
　　關鍵詞：水廠自控；PLC網絡；過程控制；手動控制
　　中圖分類號：TU991.56
　　文獻標識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2001)02-0040-03

　　珠海市供水總公司屬下唐家水廠的自控系統由公司設備科自行開發設計，其功能定位如下：
　　①值班員在中控室通過電腦監控水廠主要設備和工藝、水質參數，并進行數據管理。
　　②配水、加藥、濾池恒水位過濾及反沖洗等過程均自動進行，值班員在中控室也可進行干預操作。
　　由于設計組同時承擔了水廠的電氣設計及機電設備選型任務，因此充分考慮了自控系統 、配電系統及機電設備的相互配合銜接，使其合理結合且不重復。在設計過程中，既借鑒了國內外先進水廠的成功經驗，又充分考慮了本水廠的特殊情況，并將多年的運行管理經驗融合于自控系統設計中，力求使系統具有先進性和實用性。

　　1 系統組成

　　根據上述功能定位，選取了現場PLC+中控樓的計算機組成網絡控制系統。PLC采用A-B公司產品，系統按加藥、過濾及變配電功能設置了3個PLC站，送水泵房的4套送水泵組各采用1臺小型PLC進行監控。這樣，共9臺設備(7臺PLC加上中控樓的2臺計算機)掛在DH+網絡構成同級通訊鏈網。
　　目前對于濾池控制比較流行的做法是設置一個主從網絡，每格濾池用1臺小型PLC控制并構成低層網絡由濾池工作站主機管理，主機作為低層網絡的上位機并管理濾池的公共設備。唐家水廠沒有采用上述配置是基于以下原因：
　　①濾池的恒水位控制沒有采用出水閥，而是采用了虹吸鐘罩裝置，它是一種機械控制裝置，無需PLC干預，這就大大減輕了PLC的負擔，也消除了過于集中控制的危險性。
　　②濾池管廊全部采用氣動蝶閥，控制極其簡單，且占用的PLC輸入、輸出點數較少，用一個按鈕并且聯在PLC的輸出觸點上便可進行閥門的手動控制，同時不存在電動閥的過力矩或燒馬達等問題。
　　③風機、反沖洗水泵及氣源系統之所以沒有考慮常規手動控制是因為這些設備每天運行時間較少，即使PLC損壞也有足夠的時間修復。
　　因此，濾站的PLC負擔較輕，也不會因為PLC的損壞而影響運行，故設1臺PLC已足夠。
　　送水泵房是自控的重點，除采用4臺小型PLC負責水泵的控制外，另設1臺PLC負責配電系統(10 kV)的監控，保護采用分立繼電器。由于泵組的一步化啟停、冷卻水、抽真空系統、液控閥等所有控制功能都由PLC實行，故取消了其他繼電—接觸控制系統。當然PLC的故障將 導致停水事故，然而設計時考慮到PLC的可靠性及自診斷系統使其故障率較小，且檢修的時間也較短，只需一定的備品便可放心使用，無需采用多重控制系統。唐家水廠最大限度地取消了常規的繼電控制系統和儀表調節系統，即便是現場手動功能 也是通過PLC來完成，這對完成自動與手動功能的切換或在手動狀態下診斷被控對象的故障十分有利。常規的繼電控制系統若要實現遠程監視，必須有大量的信號送到中控室，這使控制系統龐大復雜。唐家水廠由于配備了1臺PLC管理配電系統而取消了傳統的中央信號系統，PLC將采集到的信號送回中控室計算機，啟動多媒體功能形成真正的聲光報警，并且同時完成打印和記錄。
　　加藥部分采用1臺PLC管理，控制加礬、加氯、加石灰、進水量、機械攪拌、排泥等，這樣的功能劃分主要是基于地理位置的關系，即就近控制、跨站聯鎖。加藥控制方案的選定直接影響被控設備的成本，如采用10 kg/h掛墻式加氯機，其附帶的復合環控制器的成本占加氯機總成本的一半，且其控制自成體系，中控樓的干預控制較難實現。若采用PLC控制加藥，復合環控制器便可省去，且操作更加簡單、方便。

　　2 調速系統

　　唐家水廠調速系統是技改項目，水廠剛建成時，供水量較小且晝夜變化較大，故富余揚程較大且水泵工作點嚴重偏離高效區，而采用調速系統則克服了上述缺點。由于采用了網絡控制且取消了常規的繼電器控制，因此改造進行得非常順利，只需將一次線路作一些改動，二次控制改動的工程量微乎其微。在選用變頻器時，購買了能與PLC通訊的產品(帶DEVICENET接口)，因此只需在變頻器和PLC之間連接一對通訊線便可在中控室完成對變頻器的任何操作，PLC也可通過預定程序調節電機轉速，從而進行出廠水壓的閉環控制。

　　3 系統的智能性

　　自控系統的實用性實際上要求系統有較高的智能度或容錯能力。開發大型的專家系統是比較困難的，但可以將平常的運行經驗加入控制程序中，即加入若干個智能點。譬如可以通過出口壓力信號或電機電流判斷反沖洗水泵是否出水(因離心水泵空轉時的電流比正常運轉時的電流小得多)；又如當程控打開某濾池的排水閥時，其全開行程開關未動作，但此時濾池水位突然下降，由此判斷排水閥已打開而不必終止程序執行。這些智能點的加入使系統的適應能力大大提高，PLC通過分析有限的信號量可以發現被控設備的故障。再譬如，可以通過計算液控蝶閥前后補油的時間間隙來判斷其是否漏油，這種將運行人員經驗化為智能控制的方法是傳統繼電控制或單回路調節儀表所無法比擬的。

　　4 過程控制及遠程手動操作

　　水廠過程控制(如對加氯、加礬、恒水位控制等)具有慣性大、純滯后時間長等特點。理論證明，對于具有Ke^-τ/(1+T₁)(1+T₂S)特性的控制對象，PID是一種最優控制，但當其純滯后時間τ大于數分鐘時，采用PID控制的效果不佳。對于加藥系統來說，純滯后時間由其投加點及采樣點的距離決定。作為一個特例，濾后水加氯較為復雜，為了達到自動控制的目的，要求氯氣經充分混合后立即檢查余氯值作為復合環控制的反饋信號。但有的工藝設計將混合接觸時間定得太長，尤其在建廠初期因制水量遠小于額定產量，水流速度慢，造成混合接觸的時間更長，對控制系統來說，即意味著純滯后時間的延長。在這種情況下，濾后水加氯即便采用復合環控制，效果也不太理想。唐家水廠的濾 后加氯采用了采樣PID控制，通過控制其采樣周期來補償系統的純滯后時間，效果很好，真正做到了自動投加。當然也可以利用PLC所提供的PID指令構成串級控制系統，其目的都是為了克服或補償系統純滯后時間太長對控制帶來的影響。
對于慣性大、純滯后時間長的系統采用手動控制是很有效的，一個熟練的操作工人并不需要頻繁的操作就能將余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通過網絡進行手動操作，則該方式至少可以作為自動控制的一種后備或補充，使系統更加可靠、實用。這里的關鍵問題是怎樣實現兩種控制方式的方便切換。譬如，對于采用SCD儀控制加礬的投加系統，一般都采用儀表本身自帶的復合環PID控制器進行控制(如圖1a)，中控室電腦只能對控制系統的參數進行監視而無法參與控制，切換到手動方式時，必須到現場進行操作。最好的方式是直接利用PLC提供的PID指令進行控制(如圖1b)，這樣一方面可取消儀表的PID控制器，大大節約了費用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地實現自動和手動控制的無擾動切換，利用中控室電腦的圖形界面，值班工人可以很方便地執行這些操作。

　　5 功能擴展及聯網

　　對水廠而言，如果只是本地擴展，采用PLC網絡就能提供足夠的范圍和容量，但涉及遠程監控時，需要綜合考慮各種因素，選擇一個較好的方案。考慮到珠海市供水總公司已建立了一個局域網，為實現與該局域網交換數據，采取了一個簡單、低成本的方法，即通過掛在局域網的電腦實現和遠方PLC對點的通訊。該PLC預先收集控制網絡的所有信息，通訊采用無線頻道，在線采集的數據存放在指定格式的數據庫里。與采用現成的基于Internet的方案(一般的大型工程控制軟件都有類似的軟件包)相比較，上述方案成本低，軟件開發的工作量小，數據刷新的速度快。
　　唐家水廠的自控系統通過近兩年的運行，證明了該系統實用可靠，完全達到了預定的功能和目標。

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收稿日期：2000-08-10