自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用

摘 要：当前城市自来水厂十分重视自动化控制系统构建，通过合理对制水各个工艺进行自动化控制，不断挖掘水厂的节能降耗潜力，会给企业带来良好的经济效益和社会效益，本文对自动化控制系统在自来水厂节能降耗中的应用进行了阐述，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。

关键词：PLC 自动化控制 节能降耗

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。本文综合分析自来水厂的自动化控制系统中多个控制站，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软件和硬件方面的设置。

1、制水工艺流

当前我国城市自来水厂的制水工艺流程采用最先进的深度处理工艺，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，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。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→前加氯→混凝→平流沉淀与过滤沉淀→后加氯→清水池→补氯→送水。水厂主要的能源消耗包括电量、水量、加药量及消毒氯气消耗量等，为更好地控制能源的消耗，必须对水厂各工艺进行相应的节能控制。

2、自来水厂取水泵节能控制系

2.1取水泵站自动化控制系统设计

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，其是自来水厂能源消耗的关键。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。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。

2.2取水泵节能降耗的控制方法

科学调节取水变频泵频率。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。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整。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。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。

定速泵启动数量调节。需定义两个限定值：（Ⅰ）是一台定速泵在启动后的变频泵频率，（Ⅱ）是一台定速泵在停止之后变频泵的频率。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。

3、加药剂系统的自动化设计方法

3.1加药系统自动化设计

自动化控制的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、其次计算聚合氯化铝的具体浓度、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，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。

3.2加氯消毒站自动化程序设计

自来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。可设2台加氯机，一用一备。当加氯机产生故障时，在SCADA上发出警报，并自动切换至另一台备用前加氯机。

4、沉淀池排泥系统的自动化控制设计

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，且污泥排放过程中尽可降低排水。

4.1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。排泥周期设置时，用户要依照原水水质科学设定排泥周期，尽量降低排泥时间。设定各个排泥阀的具体开阀时间时，用户应分析平流沉淀池特點，合理设定相应的开阀时间。

4.2排泥车控制

因沉淀池一般为100m长，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。为保证排泥车排泥效果，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，且沉淀池进水端应慢速行走，但沉淀池出水端应快速行走，或是排泥车中行走电机选择定速电机，这样排泥车就能实现节能。

5、送水泵站的自动化控制

5.1送水泵站的控制系统设计

自来水厂中送水泵房常设置4台清水泵 2台变频泵与2台定速泵。正常运行中是3用1备。但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依照出水厂压力的设定数值进行调整，而定速泵启动数要依照变频泵的工作频率设定启动台数。

5.2送水泵站节能降耗控制方法

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，就要提高变频泵的工作效率；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，且完成PID恒温控制，通过PLC实现变频泵工作频率的调节；合理确定定速泵启动台数，送水泵站中定速泵启动台数，主要根据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，合理确定启动单台送水的定速泵，如果变频泵的工作频率超过限定值（Ⅰ），同时至少一台定速泵运行，就要启动一台定速泵。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；

6、结束语

随着智能化管理模式的应用和推广，电气自动化控制系统展现极大的商业潜力，主要是因它同时实现高质量、高效率、高安全系数以及低能耗，在满足供水需求的同时，保证供水质量及水厂的经济效益，该技术在自来水厂中具有很好的推广前景。

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）.

作者介绍：邵流坤，1981年7月，男，大学本科，从事水厂自动化技术工作。