净水厂V型滤池自控系统的设计及实施

张斌

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

净水厂V型滤池自控系统的设计及实施

张斌

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水741020）

以某净水厂V型滤池为例，详细阐述了滤池自控系统的设计和实施过程，说明自动化控制系统的控制水平直接决定着净水厂的生产效率和出水水质。

净水厂；V型滤池；自控系统；恒水位等速控制；自动反冲洗控制

1 引言

随着城市规模的不断扩大，城镇化的发展和人口数量的增加，对城市安全供水能力和相应要求都有所提高，为了缓解不断增加的城市安全供水压力，全面提高供水水质及供水水量，各地纷纷开始建设净水厂。滤池是地表净水厂水处理的核心工艺处理工序，其生产运行的效果直接影响水厂的生产效率和出水水质的指标。滤池技术发展至今，种类繁多，有无阀滤池、双阀滤池、普通快滤池、V型均质滤池等，其中V型均质滤池由于其进水槽形状呈V字形而得名，是快滤池的一种，采用均匀的石英砂滤层，分布较粗厚，具有出水水质好、运行周期长、滤速高、自动化程度高等特点，近年来应用越来越广泛，因此，设计和实施好净水厂V型滤池的自动化控制系统，对提高水厂运行效率和产品水质有着极其重要的作用，本文就以某净水厂V型滤池自控系统为例，详细阐述其自控系统的设计和实施过程。

2 V型滤池生产控制任务

2.1工艺要求

一般新建净水厂根据生产水量要求，每一期按照6个或者8个V型滤格池规模建设，每格安装有1个超声波液位计、1个阻塞仪，1个浊度仪，每个滤池单元格均有各自的进水阀、出水阀、反冲进气阀、排气阀、反冲进水阀、反冲排水阀。公用部分用于气冲的鼓风机有3台（两用一备），用于水冲的3台反冲洗泵（两用一备），2台空气压缩机（一用一备），1台干燥器，滤池控制模型图如图1所示。

图1滤池控制模型图

待滤水从上级平流沉淀池进入滤池的各单元滤格，经石英沙恒速过滤后，再进入清水池。过滤的工艺要求每个滤格内的水位保持在滤料上方1.2m处，经过大量实践证明，在这个水位上，过滤的效果最好。为实现等速恒水位过滤，就需要根据滤池水位的变化来调节出水阀的开启度以控制滤池出水量的大小。而当滤池的运行达到满足反冲洗的约束条件时，就需要进行反冲洗来清洁滤沙。反冲洗是通过控制滤池进水阀、出水阀、反冲进气阀、排气阀、反冲进水阀、排污阀并运行反冲水泵、空压机等设备来实现的。

因此，滤池控制系统的任务主要是过滤时的等速恒液位控制和清洁过滤砂时的反冲洗控制，过滤和反冲洗不断循环交替进行。

2.2对控制系统的性能指标要求

（1）实现自动恒水位过滤，误差:±10mm；

（2）根据下列约束条件之一，能正确地实现自动反冲洗:①过滤时间达到反冲洗设定周期（如48hour）仍未反冲洗的；②过滤水头损失值到达设定值（150）且延时时间（15min）已到，仍未反冲洗的；③出水浊度达到设定值且延时时间（5min钟）已到，仍未反冲洗的；④强制反冲洗按钮被触发；

（3）反冲洗周期、反冲洗过程中各步骤的时间均可通过程序设定，满足工艺及实际操纵要求。

（4）能直观显示滤池过滤水位、水头损失及出水阀开启度，同时显示反冲洗设备、本地滤池阀门等的开关状态。

（5）对反冲洗设备、本地滤池阀门及反冲洗过程既可以实现全自动控制，也可以进行手动控制。

3自控系统的构成

水厂设有中心控制室，设监控计算机和工程师计算机各一台，上位机软件采用WinCC7.0，下位机编程软件为Step7 V5.5 Pro，PLC控制主机选用S7-300系列的315-2PN／DP CPU，系统按照分散控制、集中管理的原则进行布置和配置，共设计了3个PLC就地控制站即PLC1、PLC2和PLC3，按照控制功能划分，PLC1主要监控粗、细格栅机及平流沉淀池部分现场设备及在线仪表，PLC2主要监控各个滤池的阀门及液位、浊度、阻塞仪等现场设备及在线仪表，PLC3主要监控空气压缩机、自用水泵、反洗水泵、送水泵及在线仪表。中心控制室和下面PLC1到PLC3就地控制站之间的通讯主干网通过4芯多模光纤组成工业快速以太网双环网，其余被控设备按照就近原则直接接入最近的控制站即可进入系统。

为了节省电缆和控制方便，每个滤池布置1面阀岛箱，通过阀岛自带的Profibus-DP接口接入PLC2的控制网络中。由于反冲洗水泵及空压机按照就近原则均已接入PLC3系统中，为实现滤池的反冲洗控制过程，在PLC2中就需要实现对反冲洗水泵、空压机及相关阀门的控制，在以太网环网基础上，通过在PLC2和PLC3之间建立以太网通讯方式直接从PLC3系统中将需要的现场数据进行双向传输，实现读写相应数据块完成反冲洗过程。每个阀岛箱配置1块触摸屏以便于就地进行操作，阀岛箱选用最新推出的EX600系列模块，其具体配置及PLC2滤池自控系统网络拓扑图如图2所示。

图2控制系统结构图

每个滤池的6个阀门和液位计、浊度仪、阻塞仪及出口调节阀的自动控制均通过以上模块来实现滤池的等速恒水位过滤及反冲洗控制过程。

4系统控制过程方法

要满足水处理工艺要求必须完成V型滤池运行的自动控制，自动控制包括两个方面:一是自动控制等速恒水位过滤，简称过滤控制；二是每个滤池单元格按照工艺处理要求而设计的反冲洗条件，对于满足反冲洗条件的滤池单元格自动运行反冲洗控制过程，并在反冲洗结束后能自动恢复到正常过滤状态，简称反冲洗控制。

4.1滤池等速恒水位控制

在自动过滤状态下，滤池在过滤过程中，PLC依据超声波液位计测得的滤池水位的变化，通过将水位作为反馈量，用PID动态调整滤池出水阀的开度，以保证滤池水位在过滤过程中相对稳定，调节过程不受滤料堵塞程度和滤池进水量变化的影响。只要调试好PID运行参数，使调节系统达到稳态运行，滤池液位完全可控制在±10mm波动范围以内，在加药系统的辅助下，保证出厂水水质指标达到规定要求，上位机设定和调节界面如图3所示。

图3上位机设定和调节界面图

4.2滤池反冲洗控制

依据净水厂控制工艺的要求，确定每个滤池单元格的最大过滤时间，在滤池单元格开始过滤时开始计时，①当过滤时间大于设定的最大过滤时间时，立即触发该滤池的反冲洗请求；②依据过滤水头损失值到达设定值并到达设定的延时时间之后，立即触发该滤格的反冲洗请求；③依据出水浊度达到设定值且到达定设定的延时时间之后，立即触发该滤格的反冲洗请求；④由操作人员通过鼠标或键盘发出强制反冲洗命令。PLC2 CPU根据每个滤池单元格发出的反冲洗请求的先后顺序来自动安排排队（先进先出的原则），依次完成各个滤池单元格的反冲洗任务，直至队列为空为止。每个滤格的反冲洗均完成以下阶段內容，每阶段可按照季节不同，可随时调节各个处理阶段的时间长短，以满足实际控制需要。

（1）准备阶段

关闭进水阀，继续过滤将滤池內水位降至排水堰顶，以节约用水，减少排水量。

（2）气洗阶段

程序设定时间，其作用是打碎滤池表面的泥层，将杂质从滤料颗粒上剥离脱落，同时进行表面扫洗除去上浮的部分泥浆，并置换污水，在气洗阶段启动空压机，并部分打开排污阀，进行液池表洗。

（3）气水混冲洗阶段

进一步剥离滤料上的固体悬浮物，并及时将部分污物冲出滤层，同时表面扫洗，加强水的横向流动及时排除悬浮固体。气冲混冲阶段，继续运行空压机，并线开启1台反冲洗水泵，同时打开反冲洗阀。

（4）水冲洗阶段

关闭空压机，单独进行水冲、漂洗，同时进行表面的扫洗，加强置换污水，此阶段关闭气冲阀。

（5）结束阶段

停止水漂洗，打开进水阀，关闭排污阀，当滤池水位上升达到一定值时，打开PID调节器，由PID依据滤池液位自动调节滤池出水阀的开度，直接进入恒水位等速过滤阶段。

5结束语

全自动等速恒水位过滤和全自动反冲洗控制对滤池的运行效率有着直接影响，本控制系统以S7-300 PLC控制器为核心，采用Profibus-DP现场总线技术，构建了净水厂V型滤池自控系统，编制了滤池正常自动生产和反冲洗控制程序，该系统自投入运行后，自控系统运行稳定，等速恒水位过滤误差控制水平良好，自动排队反冲洗正常，完全实现了滤池全自动化控制和无人值守，最大程度降低了操作人员的劳动强度，不仅提高了生产效率，保证了滤池的出水水质，也降低了水厂能耗，给水厂带来了非常可观的经济效益。

［1］陈宏景.V型滤池新工艺的应用［J］.福建建设科技，2006.

［2］滤池气水冲洗设计规程［S］.中国工程建设标准化协会，2010.

［3］崔 坚.西门子工业网络通讯指南［M］.机械工业出版社，2005.

Design and implementation of automatic control system for type V water filter pool in water purification plant

ZHANG Bin
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

Taking a type V water filter pool in water purification plant as an example，the design and implementation process of the automatic control system for the type V water filter pool is detailed.It is illustrated and proved that the control level of the automatic control system directly determines the production efficiency of the water purification plant and the quality of the output water.

water purification plant；type V water filter pool；automatic control system；constant water level and constant speed control；automatic backwashing control

TP273

B

张 斌（1971-），男，汉族，甘肃天水人，就职于天水电气传动研究所有限责任公司，从事自动化控制方面的研究设计工作。

2016-05-15

1005—7277（2016）03—0048—03