净水厂水处理控制系统的研究与应用

娄振刚

【摘 要】 水是人们赖以生存的基础，是全球重要的自然资源。人口和经济的增长与日益缺乏的水资源己经成为一个非常严重的矛盾问题。水资源污染程度严重、人们对饮用水的需求量和水质要求的提高以及基础建设资金的缺乏，是当前水处理技术所面临的问题。本文主要就对净水厂水处理控制系统相关方面进行分析，重点阐述其硬件设计。

【关键词】 净水厂；水处理；控制系统；研究

一、水处理控制系统的技术要求

水处理过程中自动控制的目标是：通过提高水处理过程的自动化程度，来保证优质、高效的供水质量，提高水厂的管理水平、生产效率，进而降低工作人员的劳动强度，具体体现在以下方面：

（1）优化给水的水质。为了充分提高给水的水质安全性与可靠性，运用自动化系统进行调节控制。比如，可以根据澄清池中的原水浊度以及水质的情况，控制系统能够自动调节混合池中的加药量，从而在保证出水口水质符合标准的前提下，降低了水处理控制系统运行的费用。

（2）检测各种工艺参数。整个控制系统可以持续检测水厂的工艺参数，并能够依据这些参数来实现自动控制操作，协调供需关系以及各个部分间的联系，保证各种设备和设施能够得到充分的利用。与此同时，系统可以根据据检测到的参数与系统的设定值进行比较，及时自我调整来保证水处理质量。

（3）具有在线与离线自诊断功能。其硬件诊断可以定位到模块；软件诊断能够自动给出故障性质以及部位，在线运行时，当诊断出故障问题时，可以按照系统原先设定的程序进行故障处理。

（4）自动控制系统能在极端的环境（高温、恶臭、腐蚀等）中可稳定运行，同时在日常正常运行时，自动控制系统能够根据检测到的压力信号对水泵进行合理的调节，通过恒压方式运行最大限度的节约能耗，即实现能耗的优化。

（5）丰富的人机界面。自动控制系统具有良好的人机界面，对工艺的过程参数进行连续记录，并按照设定的要求打印各种报表；事故前后各项参数的值能被自动记录，供工作人员分析与诊断。

二、净水厂控制系统

随着现代科学技术的日益更新，净水行业的自动化水平也越来越高。目前，国内净水厂大部分采用以下几种控制系统：DCS系统，FCS系统，IPC+PLC系统。

（一）集散式控制系统（DCS）

DCS系统是以通信网络为纽带，且由过程控制级和过程监控级相结合而组成的多级计算机系统，它主要是针对一些大规模的工业生产过程多参数和多控制回路的特点而建立的一种控制系统。DCS系统主要有生产管理级（MIC）、计算机监督控制级（SCC）和分散过程控制级（DDC）三部分构成，净水厂DCS系统使用的结构通常为：工业级计算机（IPC）+可编程控制器（PLC）+小型的PLC（SLC）。在其网络的配置上通常釆用的是：最上层为连接的工作站的局域网，主要有管理PC工作站以及中控室中的监控DCS工作站；中间层则是Control Net网，主要负责连接每一个现场PLC子站；最底层是DH网，使用的对象主要针对的是小型的PLC。

在集散式控制系统中，各生产工艺、各种设备可以同时并行工作，且基本上它们都是相互独立的。对于该系统来说，仅仅把一些有用的信息传到中央控制室即可，而每台计算机在剩余的很多时间里都是在并行的就地运行。

（二）现场总线控制系统（FCS）

FCS系统的核心是现场总线。现场总线是面向生产自动化和信息集成的数字网络技术，它是连接自动化系统与现场设备的多分支结构、双向传输、数字式、全分散的通信网络。同时现场总线控制系统采用了现代计算机技术中的网络技术、自动化控制技术、微处理器技术和仪器仪表工业技术，实现了现场仪表的数字化以及仪表之间的数字连接，这样既提高了系统中信号传递的精度，又能减轻维护系统时所需的工作量。

（三）工业PC和PLC构成的分布式控制系统

IPC+PLC系统是工业计算机和可编程控制器组成的分布控制系统按照“集中管理、分散控制”的原则来进行设计，组网方式简单，可靠性高，组合灵活，配置简洁，不同的现场信号都有相应的功能模块与工业现场的仪器仪表直接互连，容易实现机电一体化。尤其是PLC作为主要的控制单元，用户使用方便，可靠性高，抗干扰能力强，应用程序一般会采用顺序功能或者梯形图编程，逻辑性强，在生产过程按逻辑顺序或时间顺序控制的场合比较适用。因此，水厂控制系统采用IPC+PLC是比较理想的控制方式。

三、控制系统的配置

（一）主要设备的选型

（1）可编程控制器PLC

PLC是可编制程序的存储器，可以在其内部存储并执行一些操作指令（比如：逻辑运算、定时以及顺序控制等），能够采用数字式输入输出或者模拟式的输入输出的方法，来实现对各种各样的机械或者现场的生产过程进行有效控制。在一个控制系统中，PLC如果要实现一个具体的控制任务，首先要分析出被控对象对整个控制系统的要求，然后编出相对应的控制程序，利用相关的编程软件把控制程序准确的写入到对应的程序存储器中。在系统进行运行时，PLC将会依次读取对应存储器中的程序语句，解释其内容并加以执行。PLC将会根据输入设备的状态或者其他的控制條件，把程序执行的结果输出到相对应的输出设备，进而来控制被控对象的工作。为了满足不同控制任务的需求，PLC采用编程软件实现控制逻辑，具有灵活、通用、可靠性高等特点。此外，PLC除了能实现多种控制功能以外，与其他的计算机还可以进行通信联网。

（2）工控机

工控机可作为一个工业控制器在恶劣的工业环境（包括剧烈的震动、干扰较强的电磁场力、灰尘比较多等）中可靠运行，通常它都是持续工作且不停机。而研华工控机具有连续工作时间长，且抗干扰能力强，工作性能相对稳定。因此，该净水厂系统中选用研华IPC-610工控机作为监控中心上位机，保证系统可靠安全的工作。

（3）变频器

变频器是一种结合了微电子技术和变频技术等先进科学技术，并以改变电动机工作电源的频率来实现对交流电动机变频控制的电力设备。在本系统中需要变频控制的泵不仅包括大功率的加压泵，而且还包括小功率的加药计量泵。且该净水厂控制系统利用变频器调节水泵转速實现调节供水水量，保证能够恒压供水；同时也利用变频器调节加药计量泵，实现科学准确的投加药剂。

（二）主要仪表的选取

（1）流量计

以水库的出口尾水为水源，取水口的出水情况直接关系到净水系统的水质。超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。它的工作原理与液体的流速有很大的关系，当液体流动的时候，超声波束传播的时间会发生变化，通常顺流反向的声波传输的时间往往小于逆流反向的声波传输时间。

（2）液位计

静压液位计是测量液位的压力传感器，它的工作原理是：根据被测液体的静压和液体的高度成比例的原理来确定被测液体的具体液位。

（3）漏氯报警仪

在氯气出现泄漏的状况下，系统能够自动检测同时实现自动报警的仪器称为漏氯报警仪。漏氯报警仪大致可以分为两种：膜片式与电解液式。一种漏氯报警仪为膜片式，这种类型的膜片一般不用对其进行维护，且它的使用期限通常为两年。另一种电解液式漏氯报警仪若要保持正常使用就必须对仪器进行定期添加碱液等电解液。两者相比，膜片式漏气报警仪比电解液式漏氯报警仪灵敏，在氯气发生剂的作用下能自行启动，而电解式漏氯报警仪在氯气发生剂的作用下很少能正常启动。

四、主要控制单元的硬件设计

（一）澄清车间控制站的硬件设计

在澄清车间中内设控制柜1个，它包含对原水调节池、污泥调节池、污泥池以及高密度沉淀池中设备的控制。控制的主要内容有：中心式旋转刮泥机的启停，框式搅拌机、推流型潜水搅拌器和混合型搅拌机的启停与转速，污泥回流泵、排泥泵和潜污泵的启停，电动蝶阀的开关等。

（二）脱水间控制站的硬件设计

脱水间工作站内设控制柜1个，主要完成对加药间加药量的控制，排泥以及回收水的控制。主要的控制内容有：加药间投药泵，脱水间污泥浓缩脱水一体机和空压机及相关管道上的电动球阀。

本站实现的主要功能：实现对脱水车间各工艺参数及运行时间的监测；根据生产的需要实现对空压机组的控制，并检测空压机组的工作状态；根据工艺要求对各个电动设备进行自动控制：实现PLC站与全厂的网络通信。

（三）加氯间控制站的硬件设计

加氯车间的控制室，包括1个PLC控制柜，负责完成加氯相关的设备的信号数据采集及各电控设备的联动控制。本站实现的主要功能：实现PLC站与全厂的网络通信；根据工艺要求对各个电动设备进行自动控制；实现对加氯车间余氯量进行监测。

（四）过滤车间控制站的硬件设计

在过滤车间中内设控制柜一个，主要的任务是完成对过滤以及臭氧活性炭车间设备的控制。控制内容及信号有：滤池过滤以及冲洗过程中阀门的开关，滤池水位信息，排泥设备的启停等。整个滤池车间中包含了若干个蝶阀、泵以及鼓风机等设备。

（五）加压站控制系统硬件设计

加压站控制站内设计1个控制柜，主要的任务是：控制加压泵的运行以及阀门的开关，控制消化栓泵以及阀等设备，同时采集相关的数据，主要包含有：管道上真空表，吸水井中的余氯仪、温度仪、浊度仪、COD仪以及出水口流量计显示的数据。

五、结语

随着科学技术的日益发展，净水工艺以及控制系统也在不断的进步，国内很多水厂已经实现了自动化控制，从而保证用户饮用水的安全。但是不论在工艺上还是在自动控制上仍然存在着一些问题，需要我们对进一步的研究。

参考文献：

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