自动控制系统在自来水厂中的应用

楚晏妮

摘 要：本文对来水厂的自动控制系统做了简要的介绍，主要阐述了相关的硬件结构、软件设计流程以及水厂主要工艺。利用PID控制器及其他控制指令实现了全厂的自动化控制。通过对通信方式的研究，实现了PLC之间、PLC与工控机的通信。运行结果表明，该控制系统稳定、可靠，满足生产要求。

关键词：自动控制系统;自来水厂;PLC

随着社会的进步和科技的发展，水厂自动控制系统在供水企业远程控制管理水厂，水厂操作人员可以在水厂控制室远程监测厂内水池水位、进出厂流量、出厂压力、水质等信息;远程监测加压泵组、配电设备及其它自动化设备的工作情况;可以远程控制加压泵的启停。水司调度中心工作人员及公司主管领导可以远程监测各水厂的工作情况及水厂操作人员的操作情况。本文对水厂的自动控制系统做简单介绍。

（一）絮凝沉淀

水厂一般使用的絮凝剂是聚合氯化铝，在折板絮凝平流沉淀池的入口处投加。絮凝沉淀是颗粒物在水中作絮凝沉淀的过程。在水中投加混凝剂后，其中悬浮物的胶体及分散颗粒在分子力的相互作用下生成絮状体且在沉降过程中它们互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉速不断增加。在原水水中投加混凝剂后形成的矾花。在平流沉淀池，随着水流放缓，不溶于水的矾花基本上都沉入池底。此处的难点是絮凝剂投加量的控制 ， 控制系统根据进水量、进水浊度、絮凝剂浓度计算出投加量，同时监测投加絮凝剂泵出口的流量计 ，利用 PID 控制器调整絮凝剂泵的频率实现闭循环控制，实时调整投加量。这样即满足生产要求又不会浪费絮凝剂。

（二）滤池过滤、反冲

经沉淀池沉淀后，较大的颗粒已去除，但还无法保证满足国家对出厂水浊度的要求， 此时就需要滤池进一步过滤。本厂采用的是 V 型滤池 ， 当水位在滤料上方 1.2米时过滤可达到最好的效果[1]。因进水流量和滤池阻塞率是随时间变化的，要保证水位的恒定就要实时调整出口阀门的开度，来实现滤池进出水量的平衡。

滤池过滤过程中，水中的悬浮杂质被滤料层截留。过滤池工作一段时间后，由于被截留的污染物穿透滤层，使水质急剧变坏，或由于滤层过滤阻力增大至超过最大允许的阻力，需要利用反向水流（自下而上）对过滤层进行冲洗，从而使滤层再生，滤池重新开始正常工作。滤池的反冲洗需要阀门、水泵、风机等设备配合实现，步骤繁杂，人为操作难度大且易出错， 需要自动控制系统实现准确控制。

（三）消毒杀菌

液氯是迄今为止最常用的方法，其特点是液氯成本低、工艺成熟、效果稳定可靠。次氯酸的强氧化性可有效杀灭水中的微生物，实现消毒杀菌的效果。次氯酸虽有消毒杀菌的作用，其本身也有毒性，因此投加量需要严格控制，过多或过少都会导致水质不达标。

（四）恒压供水

恒压供水能够保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多時供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。具体方式是通过改变变频泵频率保持出水压力恒定的方式调整出水量，满足城市管网用水需求。

以上水厂的主要工艺均要求控制系统能及时采集现场数据，并依据数据调整工艺设备。以 PLC 为基础的精确控制系统可满足实时监控的需求，其自带的 PID 控制器属于闭环控制系统，可以一直对误差进行监视与修正，来实现精确控制的要求。

一、硬件结构

系统由若干现场控制站与中央监控工作站组成。现场控制站由可编程控制器 （PLC） 与其配套设备组成，集中安装在 PLC 控制柜中。用于监控厂区设备 ， 采集、处理、汇总仪表信息。各现场控制站之间交换数据信息，满足控制需要。中控监控工作站由两台监控计算机 ， 一台数据服务器，一台打印机组成。监控计算机主要用于对全厂仪表与设备的监视、集中操作、控制参数设定、历史曲线的生产与查看、故障报警汇总记录等。两台监控计算机互为热备 ， 即使其中有一台无法正常工作，另一台仍可独立运行。数据服务器对数据进行采集、定时存储 ， 根据需要生成、打印报表。

全厂监控网络为环形工业以太网，支持 TCP/IP，UDP/IP 标准协议。为提高传输距离 ， 使用单模光纤传输数据，连接每个工作站的交换机，实现数据长距离稳定传输。网络的环形拓扑结构可保证数据传输时一个方向不通时走另一个方向，可以自动规避部分硬件原因导致的通讯中断，提高运行的稳定性。

二、数据通讯

为了缩短设备仪表与 PLC 间的距离，在厂区不同位置合理设置现场控制站。即节省了资源，也可减少信号因长距离传输所受到的干扰。但是有些数据，如液位、流量等，不止一个现场控制站需要采集，而且这些数据是本站完成控制流程所必须的数据。尤其是在滤池，每个滤格上有自己的 PLC，而控制反冲洗的泵与风机在滤池总站的PLC 上，另外同一时间不能有两个或两个以上的滤格在反冲洗。这就需要 PLC 间进行数据通信，由一个总的PLC 来控制反冲洗流程，通过通信告知各滤格该进行怎样的操作。

现场控制站全部使用的是进口控制器。这每种 PLC都支持 Ethernet/IP 的应用层协议 CIP。CIP 是基于信息的协议，它通过“生产数据”的设备将数据发送到“消费数据”的设备 ， 实现信息的通信 ，CIP 使用的就是这种“生产者 / 消费者”模型。这种模式取代了传统的主/从模式 （ 只支持点对点通信 ）， 支持多信道广播通信 ，可减少网络通信量 ， 提高通信效率。

三、滤池控制

自来水厂里最复杂的工艺就是滤池的过滤与反冲。它既要使用 PID 控制器进行恒液位控制，也需要多个PLC 之间一直进行通信 ，同时滤池反冲洗过程步骤复杂，是对精确控制要求最高的工艺段。

（一） PID 控制器

在工业上， 因不同的厂区甚至某个厂区不同工艺段存在相当大的差异，很难找到一个数学模型来满足精确控制的需求。而为每个工艺建立一个模型则需要很长时间的观察总结， 极大浪费人力与物力。此时就需要一种简单、稳定、适应性强的控制方式， 些正是 PID 控制的优势所在。PID 控制有三个基本参数比例 （P）、积分 （I）、微分 （D）， 使用中一般只需调整这三个基本参数即可。这三个参数的合理设置可满足大多数工业上的精确控制。PID 调节属于闭环控制 ， 可根据现场反馈信息自动调整 ，消除偏差 ， 有相当高的稳定性。

现场控制站利用 PLC 控制设备状态 ，PLC 有相关的PID 指令。控制方程如下 ：

比例调节使偏差值与控制输出成比例关系[2]，控制系统出现偏差时，比例增益立即产生作用，调整偏差。当没有偏差时，比例增益作用消失。提高比例增益，可以加快响应速度，缩短调整时间。但过大的比例会导致系统稳定性下降。积分调节的作用是消除稳态误差。若误差存在，积分调节就持续进行。当误差消失，积分调节停止，输出一个固定值。积分调节一般不独立使用 ，常与比例调节一起组成 PI 控制器。微分调节的输出与偏差的变化速度成正比，对偏差变化的趋势具有预见性，可有效减少超调和最大偏差值。微分是根据变化率进行调节，当偏差值不再变化时，输出为零。微分调节常与另外两种调节方式组合使用，形成 PD 或 PID 控制器。

（二）滤池恒水位

滤池共有 4 格 ， 每格滤池均安装一台液位计 ， 实时监测上传液位信息。如图1所示 ， 每格滤池滤后出水口有一个可以调整开度的气动调节阀 ， 使用 4-20ma信号控制。

在生产过程中，为保证较好的过滤效果，滤池液位要保持恒定。要使滤池液位恒定，最理想的状态是进、出水都保持恒定。但是城市管网对自来水的需求量随时间变化，导致进、出水量不可能保持恒定。另外滤池过滤的作用是将水中的悬浮杂质截留在滤料层中，减小出水浊度。当滤料层中的悬浮杂质增多，滤池的水头损失就会逐渐增大，导致出水阀在相同开度时出水量逐渐减少。这两个因素都会导致滤池液位的不稳定，影响过滤效果。此时使用 PID 控制器就可以比较实际液位与设定的液位，计算出出水调节阀的开度，通过控制阀门调整出水量，使进、出水量相同，达到恒定液位的目的。

（三） 滤池自动反冲洗

当滤池水头损失增加到一定值，滤池的过滤效果会明显变差，此时需要进行反冲洗，将滤料层中的悬浮杂质排出，恢复滤池的过滤功能。滤池自动反冲洗流程参见表1所示。

1、排水阶段：关进水闸，开出水调节阀（100%），将池中的清水滤出，避免反冲时浪费。当液位低于80cm 時关出水调节阀。

2、气洗阶段：开反冲洗排水闸、开第一台反冲洗鼓风机，反冲洗鼓风机正常启动后开反冲洗进气阀。延时 10 秒，开第二台反冲洗鼓风机。同时开进水闸，进行表面冲洗。3min （中控室可调整 ） 后气洗结束。

3、气、水合洗阶段：开第一台反冲洗泵，反冲洗泵正常启动后开反冲洗进水阀。4min（中控室可调整 ）后关反冲洗进气阀，逐台关闭反冲洗鼓风机。

4、水洗阶段：开第二台反冲洗泵，5min（ 中控室可调整 ）后水洗结束，关反冲洗进水阀、逐台关闭反冲洗泵、开进水闸门，恢复过滤状态。

（四） 程序设计如下

1、 运行模式介绍[5]

每个滤格都有 3 种运行模式 ， 分别是维护、停止、运行。当某个滤格设备有问题 ， 需要维修时 ， 将滤格置于维护模式。只有在此模式下才可通过现场控制站的触摸屏控制滤格的某个设备 ， 其他两种模式均由程序自动控制。考虑到此模式下可能正在对滤格设备进行维修 ，程序里不允许对任何滤格进行自动反冲洗。当不使用某个滤格时 ， 可将其切换至停止模式 ， 此时所有闸门、阀门均关闭 ， 也不能进行任何操作。运行模式下滤池正常过滤 ， 自动实现恒水位控制与反冲洗。

2、恒水位控制

滤池处于运行模式，正常过滤时，恒液位控制自动运行。PID 控制器根据液位设定与实际液位计算并控制出水调节阀，调整出水量，保持进出水量平衡。

当管网供水有变化时，取水泵房需根据情况增减一台水泵，或某个滤格刚开始反冲洗时，滤格的进水量会有一些变化，需要较快地调整开度。而多数情况下，格的进水量保持恒定，而滤格的水头损失短时间内变化不大。鉴于此种情况，为减少调节阀动作次数，可以在进出水基本平衡的时候，不再调整阀门开度。根据现场测试，增减泵或反冲洗可引起超过 10cm 的水位波动，PID 控制器的快速调整，一般可在 5 分钟实现水位的恒定。因此当液位值与实际值的差值在 5cm 以内时开始计时，此状态持续保持 5 分钟后屏蔽 PID 程序，不再调整出水调节阀开度。直至液位差值再次超过 5cm。

参考文献：

[1]谢曼等 . 基于可编程控制器的自来水厂滤池自控系统的设计与实现[J]. 可编程控制器与工厂自动化（PLC&FA），2006，（9）：116-119.

[2]段嫦娥 . 变参数 PID 控制器的讨论 [J]. 重工与起重技术 ，2008，（4）：18-20.