自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用

梁超

摘要： 随着城市化建设步伐的加快，我国城市供水面临着严峻挑战。而科学技术的进步，许多控制设备成功应用在自来水厂建设领域。基于低碳环境下，为能实现自来水节能降耗目标，自来水厂应用自动化控制系统可有效满足需求。本文重点对自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用进行探究。

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban water supply in China is faced with severe challenges. While with the progress of science and technology， many control equipment has been successfully applied in the field of water plant construction. Based on low-carbon environment， in order to achieve energy-saving tap water target， water plant automatic control system can effectively meet the demand. This paper focuses on the application of automatic control system in the water plant energy saving and consumption reduction.

关键词： 自动化控制系统；自来水厂；节能降耗

Key words： automatic control system；water plant；energy saving and consumption reduction

中图分类号：TU991.62 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0140-03

0 引言

近些年，我国城市供水需求的日益增加，及自动化水平提高与运用范围的有效拓展，城市自来水厂十分重视自动化控制系统构建。目前，自动化控制系统有效运用在自来水厂中，所展现的节能降耗优势更加明显。文章着重研究了自来水厂中，自动化控制系统的节能与降耗方法，同时根据我国城市供水实际问题，深入分析了自动化系统的构建途径，从而希望为我国城市自来水厂成功构建自动化控制系统提供参考，实现自来水厂的节能与降耗。

1 自动化控制系统概述

目前，自动化控制系统包含开环控制系统与闭环控制系统，开环控制系统也称之为顺序控制系统，其是由检测元件与执行机构以及被控对象等组成，通常应用在化工与机械领域。而闭环控制系统也称之为反馈控制系统，此系统主要通过输出量与期望值之间的偏差实现控制。基于给定信号角度分析，自动化控制系统包含程序控制系统、随动控制系统以及恒值控制系统[1]。随着自动化控制系统的发展，其应用价值越来越高，且应用范围也不断拓展，例如在化工、机械制造及办公室自动化等方面的应用，甚至医学与生态方面也可应用自动化控制系统。

步入21世纪后，科学技术成为社会发展的核心动力，并在社会发展中扮演关键角色，不管是国家发展或是社会进步，甚至个人发展，都需要借助科学技术与知识力量，从而才能够立足社会，立足于世界。

2 制水工艺流程与自动化控制系统构成分析

2.1 制水工艺流程 自来水厂的制水工艺流程比较复杂，具体如下：取水→制备和添加药剂→混凝→平流沉淀与过滤沉淀→送水，详细见图1。如今我国城市自来水厂的制水工艺流程应用的为最先进的深度处理工艺，其能够满足国家标准需求。同时，自来水厂的自动化控制仪表设备主要采用分布式的集散控制系统，并且融合互联网控制技术与网络技术，可完成自来水厂制水工艺自动化管控，有效提高自来水厂的制水工作效率与送水速率。

2.2 自来水自动化控制系统 综合分析自来水厂的自动化控制系统中多个控制站，文章选取一级控制站进行研究，重点研究PLC自动化控制系统在控制站的软件与软件方面的设置。其中自来水PLC硬件配置主要由CPU、电源、模拟量一级通讯等组成，由于CPU与电源模块一般设置左端插槽，因而其他相关模块能够随意安装[2]。根据现实情况设置自来水基架拨号，一般选择16进制，但是“0”号主基架的拨码例外，一定要统一设置为“0ff”状态，如图2。

3 自动化控制系统实现节能降耗的方法

3.1 取水泵站自动化控制系统设计方法 通常取水泵站应设计4台取水泵，实现自来水厂原水的有效供应，其是自来水厂控制消耗的關键。由于取水泵消耗电量比较大，因而应将取水泵分成两组，其中运行的变频泵应设置成变频泵组，而变频泵和定速泵要设定成定速组。这样每次运行过程中至少需要开启一台变频器，如果运行的变频泵达到预定时间，同时另一变频泵未运行，就会自动切换到另一变频泵[3]。而自动化控制系统就会依照清水池的水位变化相应的调节水泵运行数量。实现自来水厂取水泵节能降耗的方法如下：①科学调节取水变频泵频率。自来水厂原水变频泵频率要依照清水池水位具体设定值进行调账。通过PLC来调节变频泵频率，而变频泵频率和频率阈值一般用百分比进行表示。其中原水变频泵工作频率应该控制在最小与最大频率区间，并运用SCADA系统完成设定。通过PLC记录变频泵工作停止之前的相应频率，利于变频泵启动之后可以维持之前的工作频率。②定速泵启动数量调节。自来水厂定速泵启动数量应根据变频泵具体工作频率进行设定，同时为有效管控定速泵数量，就应定义两个限定值：其一是一台定速泵在启动后的变频泵频率；其二是一台定速泵在停止之后变频泵的频率。

3.2 添加药剂系统的自动化设计方法 文章主要研究加药系统自动化设计与加氯消毒站自动化程序设计。

①加药系统自动化设计，其目的是控制药物消耗量。自来水厂的加药系统自动化设计目的是管控聚合氯化铝的添加，实现加药系统的节能与降耗。因而自来水厂应设定3台加药计量泵，且计量泵速度应利用PLC进行计算，然后通过通信实现速度的给定有效控制。而聚合氯化铝的加药泵速度PLC设计需要综合分析下述几方面因素：首先，计算聚合氯化铝的投加泵额定相应投加流量，其单位是L/h；其次计算聚合氯化铝的具体浓度，单位是g/L，其主要在配药完成之后利用系统进行自动计算；最后是沉淀池的进水流量，单位是m3/h，是应用PLC进行计算，若是投加浓度和原药浓度以及泵冲程不变，而投加泵频率与沉淀池进水量就会呈现现行关系。另外为确保节能与降耗效果，设计过程中要依照各种原水浊度实现投加比例的科学调节。

②加氯消毒站自动化程序设计。自來水厂中加氯系统主要由气源系统、真空加氯系统、安全防护系统以及电气检测仪表系统等构成。为能够了解加氯是否处于手动或者是自动加氯状态，应在加氯机中设置加氯机手动/自动选取信号。自来水厂的加氯控制设计分成前加氯控制设计与后加氯控制设计，其中前加氯控制设计功能是去除藻类与破坏胶体，因此前加氯通常要依照远水流量的比例进行投加，如果加氯机发生故障，就会在SCADA中发出警报，同时自动切换到备用前加氯机状态。而后加氯控制设计，其功能是确保出厂水中的氯含量控制在合理区域内，能够对清水池与出水管道完成消毒。而控制原理与前加氯控制基本相同，若是加氯机发生故障，也会在SCADA中发挥警报，同时自动切换到备用前加氯机工作状态。

3.3 沉淀池排泥系统的自动化控制设计方法 自来水厂中沉淀池排泥系统包含排泥阀与排泥车。实现沉淀池排泥的节能与降耗核心是保证排泥时排水的科学应用，并且污泥排放过程中尽可能降低不必要排水。①沉淀池排泥阀的管控。自来水厂中沉淀池排泥阀通常是进行周期性排泥，而排泥周期与排泥阀的具体开阀时间要根据实际情况进行设置。其中排泥周期进行设置时，用户要依照原水水质科学设定排泥周期，尽可能降低排泥时间。同时各个排泥阀的具体开阀时间设定时，用户应分析平流沉淀池特点，合理设定相应的开阀时间。②排泥车控制。自来水厂排泥车控制方法如下：因为沉淀池的程度一般为100m，根据沉淀池相关沉淀特点，自来水厂沉淀池进水至出水过程中，池底沉积的厚度规律是由多至小，呈现逐级递减的特点。因而，为在保证排泥车排泥效果的基础上，实现节能与降耗，自来水厂排泥车中行走电机应该选择变速电机，并且沉淀池进水端应该慢速行走，但是沉淀池出水端应该快速行走，或者是排泥车中行走电机选择定速电机，这样排泥车就能够实现节能与降耗。

3.4 送水泵站的自动化控制设计 自来水厂中送水泵房一般设置4台清水泵，主要是2台变频泵与2台定速泵。正常工作过程中是3用1备。但是自来水厂送水泵工作状态下至少一台变频器要运行，若是运行变频泵的设定工作时间到时，同时另一变频泵未运行，这样就会自动切换到另一变频泵。送水泵站系统主要分成两个小组，一组为运行变频泵设计成变频泵组（P401A/C），另一组定速泵（P401B/D）设定成定速。另外变频泵具体工作频率需要依照出水厂压力的设定数值进行相应调整，而定速泵启动数量要依照变频泵的工作频率设定启动台数。送水泵站实现节能与降耗的方法如下：①合理调节加压变频泵工作频率。进行加压变频泵工作频率设计时，应依照SCADA进行设定压力值，并且完成PID恒温控制，通过PLC实现变频泵工作频率的调节。②提高变频泵的工作频率。送水泵站变频泵的工作频率主要根据用户设计的压力值和实际管道压力计进行设定，而PLC可应用PID运算实现变频泵工作频率的调整，如果管道的压力未达到用户所设定的压力，就要相应提高变频泵的工作效率。③降低变频泵的工作效率。PLC应用PID运算实现变频泵工作频率的调节，如果管道压力超过用户设计的压力，就应该合理降低变频泵的工作效率。④定速泵启动台数。送水泵站中定速泵启动台数，主要根据变变频泵的工作频率设定。为加强定速泵工作台数的管控，应定义两个限定值：限定值（Ⅰ）增加一台定速泵时变频泵频率限定值（Ⅱ）：停止一台定速泵时变频泵频率。⑤启动单台送水的定速泵。如果变频泵的工作频率超过了限定值（Ⅰ），同时至少一台定速泵运行，就要启动一台定速泵。

4 总结

目前，我国城市化建设步伐的加快，城市用水需求日益提高，为满足居民日常生活与工作用水需求，提高自来水水质，自来水厂十分重视自动化控制系统的应用。自来水厂应用自动化控制系统实现取水、制备和添加药剂、沉淀以及送水，可提高取水工作效率，减小药耗与能耗，并降低工作强度，有效加强自来水厂的管理水平，显著提高自来水水质，使企业获取最大的经济效益与社会效益。因而，自来水厂要积极推广自动化控制系统的运用。

参考文献：

[1]丁宝忠.自动化控制系统在自来水厂中的应用浅析[J].科技资讯，2014（29）：48.

[2]黄志刚.自来水厂供水控制系统的设计与开发[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2015（03）：61-65.

[3]杜恒，张建坤，张景春，罗建，时献江.基于PROFIBUS-DP网络的PLC控制系统在净水厂中的应用[J].环境工程，2015（S1）：134-137，178.