濱海水廠自動化控制系統(tǒng)設計方案

1、濱海水廠自動化控制系統(tǒng)設計方案 葉萬青2004年8月27日摘要： 本文就基于PLC的水廠自動化控制系統(tǒng)在濱海水廠的應用提出了一些筆者的建議，主要從水廠加藥、加氯、沉淀池虹吸吸泥機、濾池和恒壓供水等幾個關鍵工藝過程進行自動化控制系統(tǒng)的設計，其中將恒壓供水系統(tǒng)作為典型例子進行了詳細的論述，希望本文能對濱海水廠自動化控制系統(tǒng)的建設有所益處。 關鍵詞：中小型PLC 水廠自動化控制系統(tǒng)濱海水廠自動化控制系統(tǒng)設計方案目錄前言 第一章 水廠自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀；第二章 生產(chǎn)工藝和控制要求；第三章 自動化控制系統(tǒng)的設計： 1.1對藥劑的制備與投加的控制； 1.2對沉淀池虹吸吸泥機的控制； 1.3濾池自動化

2、控制系統(tǒng)； 1.4恒壓供水系統(tǒng)。 第四章 相關小型PLC的介紹與說明； 結束語 前言 隨著科學技術的發(fā)展和人們對生活用水品質(zhì)要求的不斷提高，通過近幾年來對水廠運行控制模型經(jīng)驗和控制參數(shù)的積累，水廠控制設備和檢測儀表品種的豐富和可靠性大大提高，供水系統(tǒng)自動化控制技術在分散控制、集中管理系統(tǒng)上日益成熟，濱海水廠自動化改造將成為必然趨勢。濱海水廠為年供水量在1500萬立方米的小型水廠。主要負責大港油田的生產(chǎn)生活用水的供給，本文僅作為筆者對濱海水廠自動化控制系統(tǒng)建設方面提出的一點建議，以供參考。 第一章 水廠自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 水廠自動化控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復雜的過程。從一開始僅有常

3、規(guī)儀表檢測，到加藥、加氯的局部自動控制，直到九十年代，隨著可編程序控制器（PLC）的大量推廣使用，水廠自動化控制系統(tǒng)才真正建立起來。PLC具有可靠性高、編程簡單、使用方便以及通訊聯(lián)網(wǎng)功能強的特點。水廠以PLC為主控設備建立的控制系統(tǒng)一般模式為：由設在中控室的上位監(jiān)控計算機及若干現(xiàn)場PLC聯(lián)網(wǎng)組成集散型監(jiān)控系統(tǒng)。開始建立的系統(tǒng)，各分站以功能劃分，站內(nèi)設有監(jiān)控計算機，這是針對當時PLC的通訊能力不夠強大，控制系統(tǒng)可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡中斷后，未出故障的分站還可以在局部區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自動控制。近幾年隨著PLC網(wǎng)絡通訊能力的增強和控制及電氣執(zhí)行機構可靠性的提高，這一模式逐漸被

4、打破，取消了各分站內(nèi)的監(jiān)控計算機，各分站的控制區(qū)域由功能劃分改為以距離劃分，可在中控室內(nèi)監(jiān)視水廠運行的全過程。第二章 生產(chǎn)工藝和控制要求 1.1 濱海水廠采用工藝流程： 主要分為以下幾個工藝過程如圖1所示：藥劑的制備和投加取水混凝平流沉淀過濾清水池二級泵房前加氯混凝劑原水供水管網(wǎng)濾后加氯圖1 濱海水廠工藝流程圖2.2 水廠的控制要求： （1）、出廠水濁度小于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保證水質(zhì)水量的同時，要求低藥耗、低氯耗和低電耗； （2）、濾池要求采用恒水位運行，水位偏差不能大于2.5cm，要能根據(jù)水頭損失或運行周期自動進行反沖洗，且同一時間內(nèi)只能有一個進行反沖洗； （1）取水

5、：將灤河水抽入凈水廠； （2）藥劑的制備與投加：按工藝要求制備合適的混凝劑，并投入混凝劑及氯氣，達到混凝和消毒的目的； （3）混凝：包括混合與絮凝，即灤河水投入混凝劑后進行反應，并排出反應后沉淀的污泥； （4）平流沉淀：與混凝劑反應后的水低速流過平流沉淀池，以便懸浮顆粒沉淀，并排出沉淀的污泥； （5）過濾：沉淀水通過顆粒介質(zhì)（石英砂）以去除其中懸浮雜質(zhì)使水澄清，并定時反沖洗石英砂； （6）送水：通過多臺離心泵將自來水以一定的壓力和流量送入供水管網(wǎng)；第三章 自動化控制系統(tǒng)的設計 由于自來水生產(chǎn)工藝主要具有以下特點：（1）各生產(chǎn)工藝段相對獨立，單體設備多。（2）采集的數(shù)據(jù)量大，整個系統(tǒng)共有數(shù)字量輸

6、入、輸出超過3000路，模擬量輸入、輸出超過1000路，且工藝參數(shù)種類多，包括壓力、流量、溫度、差壓、液位、電流、電壓、功率等，但上下游相關聯(lián)的生產(chǎn)參數(shù)少。（3）自來水生產(chǎn)具有連續(xù)性、不可替代性和不間斷性。（4）各工藝段距離遠，設備分散，組網(wǎng)相對復雜。根據(jù)以上特點，本系統(tǒng)選用OMRON的中小型PLC對各工藝段生產(chǎn)設備分散控制，利用OMRON Protocol和Controller Link組成網(wǎng)絡，在各工藝段控制室和中控室設置上位機，構建人機界面進行生產(chǎn)管理和對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。全廠控制網(wǎng)絡如圖2示。 共8臺 共13臺 共4臺 共7臺 共8臺沉淀、濾池上位機共8臺CQM1HCQM1H二期濾

7、池控制C200HGC200HGC200HG電臺沖洗設備及一期濾池控制Controller LinkCPM2A電臺RS232CPM2A電臺RS232中繼器光中址光中址C200HG轉換器取水上位機光纖Controller LinkRS232RS232Srpam2000Srpam2000AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232高壓配電設備泵機控制Controller Link加藥上位機送水上位機中控上位機C200HGC200HG加藥設備控制C200HGC200HG轉換器轉換器RS232RS232Srpam2000Srpam2000RS422AL001AL001CPM2ACPM2A

8、RS232RS232RS422高壓配電設備泵機控制一、二期平流沉淀池吸泥機控制圖2 全廠控制網(wǎng)絡圖 在取水及送水工藝段上，主要設備由多臺離心水泵和10KV高壓直配電機組成，每一電機由相應的高壓配電柜控制，因此為每一面高壓配電柜選用一臺Sepam2000(專用于配電柜控制的小型PLC)進行數(shù)據(jù)采集和控制，每一泵閥在現(xiàn)場選用一臺OMRON CPM2A用于數(shù)據(jù)采集和控制，通過RS422接口連成網(wǎng)絡，由控制室的OMRON C200HG中型PLC利用OMRON Protocol協(xié)議與它們通訊，對其讀寫數(shù)據(jù)和進行統(tǒng)一調(diào)度，這樣可以節(jié)省大量的數(shù)據(jù)采集電纜，而且當某臺PLC發(fā)生故障時可以方便斷開其維修而不影響

9、其它設備的正常生產(chǎn)。對于沉淀池吸泥機的控制，由于吸泥機在長達近百米的沉淀池上前后移動，因此其控制所用小型PLC利用電臺與控制室間的C200HG通過RS232接口進行1：N通訊，電臺型號為MDS-SCADA-24810，為直接數(shù)字調(diào)制解調(diào)電臺，工作頻率范圍在2.4G2.4835GHz，支持標準的異步通訊協(xié)議，工作穩(wěn)定可靠，協(xié)議同樣采用OMRON Protocol，軟件用OMRON-CX-Protocol編制。二期濾池選用多個小型PLC（OMRON CQM1H）分散控制，可以較好地解決因控制設備故障造成全部濾池停產(chǎn)而影響安全供水的問題。整個Controller Link網(wǎng)絡由中繼器分成兩段，主要是

10、為了滿足Controller Link對通訊距離的要求，同時可適應以后擴展的需要。系統(tǒng)中生產(chǎn)工藝所要求的全部參數(shù)都由PLC采集和控制，上位機只是人機界面和對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，大大地提高了系統(tǒng)的可靠性。本控制方案全部選用中小型PLC，對主要的生產(chǎn)設備分散控制，同時利用網(wǎng)絡將它們緊密聯(lián)結，實現(xiàn)集中管理，降低了故障風險，提高了可靠性，是一種經(jīng)濟可行的方案。 1.1 對藥劑的制備與投加的控制1.1.1 自動加藥控制： 水廠在保證出廠水質(zhì)的條件下降低藥耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加藥自動化控制，至今尚無行之有效的方法。經(jīng)過多年運行的經(jīng)驗，濱海水廠已得出了一系列適合自身加藥控制重要參數(shù)，

11、其中流量比例可作為加藥控制的主要參考依據(jù)，基本可以達到在保證水質(zhì)的同時降低藥耗的目的。 Primus227Primus227系列系列 機械隔膜計量泵機械隔膜計量泵1.1.2 自動加氯控制： 利用液氯殺菌是目前生產(chǎn)自來水的主要消毒手段。在工藝設計上，一般設前加氯（原水）和濾后加氯（濾池出水）兩處加氯點。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； 濾后加氯采用流量比例、余氯反饋“復合環(huán)路”控制加氯量；濾后加氯是自來水消毒處理的主要環(huán)節(jié)，但由于在水中投加氯后，需要在清水池內(nèi)至少有30分鐘以上的接觸時間，才能達到比較好的殺菌效果，也是一個滯后控制。為了解決滯后控制問題，將濾后加氯檢測取

12、樣點移到清水池前，一般距加氯點10D（D為管徑）。 DEPOLOX 3 plus 余氯分析儀gs1401加氯機1.2 對沉淀池虹吸吸泥機的控制： 以往常規(guī)的控制方法是，將吸泥機的運行狀態(tài)及故障信號全部采用點對點方式送入PLC，PLC對它的控制信號也采用硬接點方式。這樣一臺吸泥機就有十幾個DI/DO點，而吸泥機是一直在沉淀池上移動的，這就需要大卷的移動電纜或多極滑導，在室外環(huán)境下這些信號的傳輸不可能長期穩(wěn)定，會引起誤操作。濱海水廠每座沉淀池上都設有兩臺吸泥機，兩座沉淀池共有四臺吸泥機，并采用在吸泥機上設置一臺小型PLC的方式，吸泥機受小型PLC控制，僅將吸泥機的運行、故障狀態(tài)通過滑導送到加藥分站

13、內(nèi)的主控PLC。這樣，吸泥機的運行不會受錯誤信號的干擾，中控室又可以知道吸泥機的運行情況，如發(fā)現(xiàn)吸泥機故障，可立即派人員去維修。 1.3 濾池自動控制系統(tǒng)： 濾池是水廠關鍵的組成部分，也是控制最集中的地方。為了保證水廠凈水工藝這一關鍵部位能正常運行，局部出現(xiàn)故障后不會因為某個閥門的損壞而影響整個濾池的自動運行及調(diào)節(jié)，我們在濾池上設置了多個小型PLC，每兩格濾池由一個小型PLC控制。這樣，某一部位的閥門等設備出現(xiàn)故障后，只會影響一個小型PLC，僅會使兩格濾池退出自動運行狀態(tài)，等待維修，而其余大部分濾格仍可正常自動運行。 1720D低量程濁度控制儀1.4恒壓供水系統(tǒng)： 恒壓供水系統(tǒng)原理如圖7所示，

14、它主要是由PLC、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、TC時間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及6臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。 通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就

15、構成了以設定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 同時系統(tǒng)配備的時間控制器和PID控制器，使其具有定時換泵運行功能（即鐘控功能，由時間控制器實現(xiàn)）和雙工作壓力設定功能（PID控制器和時間控制器實現(xiàn)）。此外，系統(tǒng)還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。正常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#、5#、6#。PLD壓力傳感給定壓力變頻器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC控制器I/OI/O變頻/工頻備用選擇液位變換鐘控允許自動/手動TC時間控制器報警液位電極池底下限復位供水管網(wǎng)1#泵1#電機2#泵3#泵4#泵5#泵6#泵2#電機3

16、#電機4#電機5#電機6#電機圖7 恒壓供水系統(tǒng)原理圖1.4.1 工作原理 （1）運行方式 該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式： A、手動運行。按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#-6#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。 B、自動運行。合上自動開關后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標準信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)PID調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行

17、。 （2）故障處理 A、故障報警。當出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統(tǒng)皆能發(fā)出聲響報警信號；特別是當出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時，系統(tǒng)還會自動停機，并發(fā)出聲響報警信號，通知維修人員前來維修。此外，變頻器故障時，系統(tǒng)自動停機，此時可切換至手動方式保證系統(tǒng)不間斷供水。 B、水泵檢修。為維護和檢修水泵，要求在系統(tǒng)正常供水狀態(tài)下，在一段時間間隔內(nèi)使某一臺水泵停運，系統(tǒng)設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用某一臺水泵，同時不影響系統(tǒng)正常運行；為了使水泵進行輪休，系統(tǒng)還設有軟件備用功能（鐘控功能，由時間控制器實現(xiàn)），工作泵與備用N泵具有周期定時切換功能，周期間隔由時間

18、控制器設定：1小時每次96小時每次連續(xù)可調(diào)。1.4.2 PLC控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用的是歐姆龍可編程序控制器SYSMAC CPM2A系列，I/O點數(shù)為60點，PLC編程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉換。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用開關量的輸入/輸出來控制電機的啟停、定時切換、軟起動、循環(huán)變頻及故障的報警等，而電機轉速、水壓量等模擬量則由PID調(diào)節(jié)器和變頻器來控制。FRENIC 5000P11S 變頻器圖9 泵組切換示意圖M1M1M2M2M2M3M

19、3M4M3M4M5M4M5M5M6M6M6M1M6M1M2M1M2M3M2M3M4M3M4M5M4M5M6M5M6M1M5M6M1M2M6M1M2M3M1M2M3M4M4M5M6MIM3M4M5M6M2M3M4M51#泵啟動：2#泵啟動：3#泵啟動：4#泵啟動：5#泵啟動：6#泵啟動：圖例：N臺泵運行切換到N-1臺泵運行N臺泵運行切換到N+1臺泵運行M4M44#泵變頻運行4#泵工頻運行 泵組的切換示意圖如圖9示。開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優(yōu)先），1#泵變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后

20、，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，如水壓仍不滿足，則依次啟動4#、5#、6#泵，具體泵的切換過程與上述類同。 同樣，若3臺泵（假設為1#、2#和3#）運行時，3#泵變頻運行降到0Hz，此時水壓仍處于上限值，則延

21、時一段時間后使1#泵停止，變頻器頻率從0Hz迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2#泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。 以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中，直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止

22、了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。 要使系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，有幾個參數(shù)需特別注意： A、 變頻轉工頻開關切換時間TMC 設置TMC是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，所以在允許范圍內(nèi)TMC必須盡可能的小。 B、上下限頻率持續(xù)時間TH和TL 變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對

23、管網(wǎng)用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網(wǎng)用水量的變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質(zhì)量。 1.4.3 恒壓供水系統(tǒng)效果分析 在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水；減泵時采用“先啟先停”的切換方式，相對于“先啟后?！狈绞?，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現(xiàn)故障消除后自啟動，具有一定的先進性。第四章 相關小型PLC的介紹與說明 1、OMRON C200HG 其具有速度快、功能強、編程方便和運行可靠的特點，最大I/O點數(shù)達1184點，程序容量15.2K,指令執(zhí)行時間為0