袁乃煜 盛莉 張建弟

　　地表水的處理一般需要經過加藥混凝、沉淀、過濾、消毒等一系列工藝過程，最后由送水泵將合格的飲用水送入千家萬戶。其中過濾是制水工藝中一個非常重要的環節，過濾效果直接影響著出廠水水質。以石家莊市第八水廠為例，采用的是PLC控制的V型濾池，運行狀態良好，但也存在著自動控制系統一旦出現故障，短時內即將導致濾池溢水甚至全廠停產，為此，我們在總結運行經驗的基礎上，提出了一套V型濾池控制系統故障應急解決方案。

　　一、濾池的工藝及設備情況：

　　我廠的濾池為V型濾池，分為兩個組，每組8個濾池，單組最大處理能力16．5萬m3／d，正常濾速10．2m3／m2h。單池過濾面積為84m2，中間由H渠分開，沙面上水深1．2m，濾料粒徑0．9--1．3mm，厚1．4m。每個濾池共有6個氣動閥門，分別是進水提板閘、反沖洗進水閥、反沖洗出水提板閘、反沖洗進氣閥、排氣閥、清水出水閥。源水經過沉淀池沉淀后，進入濾池，沉后水從進水槽經溢流堰通過進水提板閘進入H渠，再經沙層過濾后通過清水出水閥進入清水池(容積為4．26萬m3)。為保證過濾效果，需要清洗濾池濾料，工藝稱為反沖洗，濾池的反沖洗依靠時間設定和水頭損失來決定，反沖洗分為排水、水沖、氣水混沖、表面掃洗、充水五個步驟，由PLC分別控制反沖洗進水閥、反沖洗出水提板閘、反沖洗進氣閥、排氣閥、清水出水閥、進水提板閘及反沖洗泵、鼓風機等完成整個反沖洗過程。
　　濾站氣動閥門氣源由Champion公司的空氣壓縮機提供。氣體從進氣口經空氣過濾器進入工作區經油氣分離器、冷卻器、前氣水分離器、干燥器、后氣水分離器進入儲氣罐用于驅動閥門。儲氣罐容積為1．9M3，設計壓力為0．65—0．8兆帕。濾池清水出水閥是Keyston蝶閥；氣動執行機構的氣缸直徑0．2m，行程0．3m，容積0．018m³，設計壓力0．6兆帕；閥門定位器型號為F793 6100，它為電控氣動定位器(即電氣轉換器)，由電流信號驅動，4mA對應蝶閥0％，20mA對應100％。

　　濾池采用集散控制系統，共有8個子PLC，4個為一組，組成兩個環網，每個PLC分別由電源模塊、中央處理器、通訊接口、輸入模塊、輸出模塊等組成。每個子PLC控制兩個濾池的過濾，由濾站控制室內的PLC3控制濾池反沖洗，通過總線網將所有生產數據會集到中控室PLC5，進行數據匯總、分析操作。子PLC通過模擬輸出模塊輸出4-20mA信號，控制清水出水閥的開度，控制濾池濾速，維持濾池水位恒定。

　　二、存在問題

　　通過總結四年的運行經驗，我們發現濾站自動控制系統易發生如下故障：

　　1、子PLC模擬量輸出模塊故障。
　　2、電源故障。
　　3、通訊故障。
　　4、PLC處理器故障。
　　分析上述幾種故障，將出現：PLC的CPU停止工作、沒有模擬量信號輸出、程序停止運行、通訊癱瘓等現象，最終結果是導致相關濾池甚至所有濾池停止運行，并且由于清水出水閥是由電流信號驅動，沒有電信號閥門將自動關閉，從而在十幾分鐘內引起濾池溢水，即使迅速按規程關閉進廠水，也需要約半小時的時間，仍難以避免濾池溢水，這將直接導致水廠停產，造成巨大的經濟損失。

　　三、解決方案

　　V型濾池控制系統一旦發生故障，為避免濾池溢水首先應考慮沉后水的流—向。如果打開反沖洗提板閘，將水排入泥區，泥區有效容積560M3，5分鐘以內將導致泥區溢水，最好的流向應當是清水池，按我廠額定日產水30萬M3，清水池剩余容積為2萬M3計算，沉后水經濾池過濾后仍可運行1．6小時，這是正常的工藝走向。因此，解決氣動清水出水閥動力和控制信號是問題的關鍵，這樣既能避免溢水，又能保證濾池的過濾。
　　另外，我廠儲氣罐可以在停電時為所有的氣動閥門提供60分鐘以上正常工作壓力，我們為此，提出了為每一組濾池增設一套清水出水閥備用控制器的改造方案。我們所設計的清水出水閥備用控制器，能夠為清水出水閥提供一個4—20mA電流信號，即保證閥門的控制信號。這樣就為搶修贏得了寶貴時間。

　　四、備用控制器工作原理

　　濾池清水出水閥備用控制器包括自帶備用電源及指示的信號發生器(電路見圖1)和自動—手動切換開關(接線見圖2)兩個部分。
　　信號發生器包括：備用電源、開度指示、限流電阻、電位計等。備用電源用來提供電流，電位計用于調節電流輸出，電流表顯示輸出信號0—20mA， 0mA表示PLC控制或控制器故障，4—20mA對應閥門0—100％的輸出。
　　手動－自動切換開關部分包括：220AC繼電器(K1)、自動。手動切換開關(K2)、6V穩壓二極管(R)。將子PLC的模擬輸出控制線與繼電器的常開觸點相連，備用控制器與繼電器常閉觸點相連。在系統正常運行的情況下，繼電器K1的220V線圈電源接通，常開觸點閉合，備用控制器斷開，使其不影響原有控制系統，由子PLC程序控制清水出水閥開度。當濾池發生停電故障時，繼電器K1的220V線圈電源失電，常閉觸點閉合，備用控制器將自動啟動；當濾池若非停電，而是發生其它故障時，控制器不能自動啟動，這時可手動將K2斷開啟動該備用控制器系統，由備用清水出水閥控制器來人工調節清水出水閥開度。這樣就可以保證濾池在各種故障情況下的正常運行。

　　五、備用控制器的安裝維護

　　該系統的安裝十分簡便(見圖2)，具體步驟如下：
　　1、斷開子PLC柜電源；
　　2、將原有模擬量輸出模塊控制線接到繼電器K1的5—8腳；
　　3、將繼電器K1的9—12腳接到清水出水閥；
　　4、將繼電器K1的1—4腳接到備用電源l一4腳；
　　5、再將模塊的220V控制電源通過開關K2接到K1的13、14腳，即完成接線工作；
　　6、將備用電源平放在子PLC柜內。
　　安裝完畢后，需要做如下檢測和調試：
　　1、首先調節備用電源旋鈕，測量其電流值，觀察清水出水閥開度；
　　2、再將子PLC柜上電，通過子PLC程序控制清水出水閥開度，檢測本系統是否對原有系統有影響；
　　3、將K2斷開，選擇備用控制器控制清水出水閥，檢測手動控制是否靈活。
　　以上均無問題，說明控制器安裝正確，可以將濾池投入自動過濾。這樣即可保證濾池的正常過濾，又能在濾池發生故障時保證不停產的情況下等待維修，避免事故的進一步擴展。
　　該系統在維護方面也十分簡便：
　　1、每月將清水出水閥備用控制器手動投入運行一次，觀察控制器操作是否靈活，是否有電流信號輸出。如果沒有信號，應及時更換3節9V干電池，檢查電器元件。
　　2、每三個月更換一次干電池。

　　六、系統評價

　　這套控制器的設計思想是在氣動執行機構的基礎上，為保障生產、贏得維修時間而設計的，它具有成本低廉、體積小巧、安裝維護簡便、安全實用等特點。通過一段時間的試運行，效果良好。特別是今年春節期間，該系統在停電時發揮了重要作用，為水廠的安全生產和連續運行提供了保證。
　　另外，還可以將本設計進一步改造，加入一套清水出水閥控制信號偵測系統，在控制信號低于4mA時啟動該系統，再引入濾池液位信號，加入PID控制裝置實現清水出水閥開度的自動控制。這樣，在PLC控制系統出現故障時，該系統也可保證濾池的自動過濾。避免故障的進一步擴展，為維修提供時間。
　　V型濾池是在當前地表水處理中選用較多的一種快濾池，它的運行狀況良好，控制系統和設備也基本相似，因此我們設計的這套清水出水閥備用控制器系統是原PLC控制系統的進一步完善，在全國同類水廠中具有重要的推廣應用價值。

　　材料表：
　　備用電源：3節9V干電池
　　開度指示：2塊0-20mA電流表
　　限流電阻：2個1.2kΩ電阻
　　電位計：2個7KΩ電阻