生活水处理自动化控制系统改造

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部，河北唐山 063200）

引言

生活水处理系统是把水库来水处理为合格生活用水的一套装置，主要经过原水提升泵，自清洗过滤器，高密度一体化澄清设备，多层滤料过滤器，成品水箱及成品水泵将成品水供入生活水管网。生活水处理系统设计连续出水量为300 m3/h，满足厂区内多个站所5000 多人的生活用水需求。该系统为公司正常运行的生活供水重要供给源，它的稳定运行至关重要。

但是该套系统从一开始施工设计时就存在了很多缺陷和隐患，生活水处理控制系统采用的PLC是西门子200，由于没有扩展功能，输入输出通道受限，导致现场部分仪表数据不能上传，控制逻辑简单无法满足生产需要，与电气配电及变频器装在同一柜内，易受强电流干扰，造成控制系统故障频繁和模块损坏的现象。该系统的频繁故障无法保证生活水的稳定供应，对厂区内的生活生产造成很大影响。为了保证公司的生活用水供应，生活水处理系统的自动化技术改造迫在眉睫。

1 现场设备及控制原理

原水泵：原水提升泵两台，将原水增压送至生活水处理系统，一用一备，自动运行条件下一台泵故障时自动启动另一台泵，根据成品水箱液位控制泵的启停，液位低于1.5 m 时启动泵，高于2.8 m 时停泵。

自清洗过滤器：单台最大处理水量150 m3/h，过滤精度200 µm。用于原水的初步过滤，根据差压开关自动启停。

一体化澄清设备：设备含有3个独立处理单元，每个处理单元的处理能力为100 m3/h，3 个处理单元并联。

多层滤料过滤器：根据机械过滤原理，采用双层滤料，高效去除原水固体微粒，胶体。滤层吸附饱和后，可通过反洗滤料，恢复其过滤功能。本系统设置4 台过滤器，填充滤料：无烟煤（0.8～1.2 mm），石英砂（0.5～1.2 mm），额定流量为75 m3/h·台，反洗流量为240～260 m3/h。

加药设备：加药计量泵6台，用于向水处理系统中加入调节水质所需药剂。

反洗装置：反洗水泵两台一用一备，用于对多滤料过滤器进行反洗，根据水质设定反洗周期。

成品水泵：系统设置3 台成品泵，配备变频器1台，根据送出水压力设定值和变频器频率决定启停泵的数量和运行模式。新启泵以变频模式运行，原运行泵转为工频运行。成品水泵的运行和控制保障管网供水压力的稳定。

2 工艺流程

原水经提升泵进入自清洗过滤器，然后进入高密度澄清一体化设备并加药，再进入多层滤料过滤器，最后进入成品水箱，由成品水泵送入生活水管网。出水口设置浊度分析仪和二氧化氯分析仪，检测出水浊度和余氯，确保产水合格。工艺流程如图1所示。

图1 生活水处理工艺流程图

此系统主要是对原水泵和成品水泵进行自动控制，控制逻辑说明如下。

（1）原水泵控制逻辑说明

原水泵在“远程”状态，上位选择为“自动”，当前原水泵无“故障”状态下，默认启动1#原水泵。当水箱液位低于1.5 m（可根据生产情况设定低液位值）时启泵；当液位高于2.8 m 时停泵。当前运行原水泵为故障时，另一台原水泵在“远程”、“自动”状态自启。当前运行原水泵由“远程”转为“就地”时，另一台原水泵在“远程”、“自动”状态自启。当前运行原水泵运行时间达到30 天时，另一台原水泵在“远程”、“自动”状态自启。

（2）成品泵自动加减泵控制逻辑说明：

自动加泵：（系统默认启泵顺序为1→2→3，此时其他成品泵为远程、自动状态，否则启动另一台满足条件的成品泵）假如当前1#成品泵为变频运行，频率为50 Hz,无法达到设定压力值（设定压力为当前压力＞0.05 MPa），此时1#成品泵降频停止，2#成品泵为自动变频启动，同时1#泵转为自动工频运行，依此类推。自动减泵：假如当前1#成品泵为工频运行，2#成品泵为变频运行，设定压力为当前压力＜0.05 MPa 和当前2#泵频率＜15 Hz 时，1#成品泵直接停泵，同时2#变频泵自动调压，依此类推。

3 改造项目制定与实施方案

3.1 改造方案制定

（1）根据改造项目的技术方案要求绘制新增控制柜的硬件布置图、接线图，以及PLC 柜内所有设备的点号，打印接线线号。

（2）敷设控制柜至现场设备电缆，新增加控制柜的固定、安装。按照绘制的图纸配置PLC 控制系统模块、端子排等柜内硬件设备，重新校线、布线。

（3）根据工艺流程和控制方案制定程序流程图，并且编制PLC程序，制作上位画面（图2）。

（4）现场仪表液位计安装，对仪表电缆进行打点校线并进行接线，对电磁阀进行测试。

（5）下位调试好后，做好通讯，完善主控室上位画面进行上位调试。

（6）上面所有工作完成后，根据生产安排试运行，做好完善工作，最终达到生产工艺要求。

图2 改造后上位画面

3.2 改造实施计划

(1)前期准备工作：按照改造方案编程，控制系统硬件设备、材料领取。与工艺操作人员和电气专业人员核实改造接口，列出需配合完成项目。开工前要办理相关项目安全措施，做好联系确认；上电测试需要生产人员配合试车；建议就地控制先调试，避免影响生产投运；

(2)根据生产安排，申请停机时间，先完成就地控制箱改造工作，保障尽快供水，后完善自动控制系统，达到改造目的。根据控制方案和工艺流程编制PLC程序，并且编制上位画面程序。

(3)停机前计划：需从电气柜内引入总电源220 VAC(需电气人员配合)。打点测试柜内配盘接线情况。下载程序、上位画面与程序通讯，连接变量，实现软控制。现场调试，程序、画面进一步完善。将仪表电缆接头做好，柜内接入下端子。新增水箱液位计安装调试到位。接入电气新增泵操作箱控制线、反馈线。

(4)停机后计划：将原来所有澄清器、过滤罐电磁阀控制线拆除做好标记并接入新控制柜。将原来所有加药泵控制线拆除做好标记并接入新控制柜。拆除原控制柜内现场仪表（液位及压力）接线并做好标识。对所有仪表、电磁阀进行上电测试。接入电气新增7 台泵操作箱控制线、反馈线。电气自动化设备的联调、试运行、程序的进一步修改完善。系统控制柜内电缆编号、线号、标示打印及挂牌。

4 项目实施效果

改造完成后将使自动化控制系统和电气设备进行分离，消除强电干扰，PLC 控制器由S7200 升级为S7300，改造后能使设备提升扩展空间，为今后在生产过程中的工艺扩展做好准备。改善了自动化设备运行环境，提高了自动化设备运行的安全性和稳定性。改造前后情况对比如图3。

图3 改造前后情况对比图

同时对设备的运行环境有很大改善，延长了设备的使用寿命。新增带有反馈的阀门能对阀门状态有所监控，使系统更加稳定，减少故障的发生。增加UPS 使自动化系统的稳定性加固，避免突发断电或电源质量对自动化设备的损坏，可延长自动化设备的使用寿命。水质分析仪表上传至系统，数据实时监控、报警，产水水质有了可靠的保障。完成中控室的远程监控，是系统控制集中化，减少员工的工作量及人员安排。

5 结束语

通过此次改造，我们不仅进一步熟悉学习了生活水处理的工艺原理与控制逻辑，而且通过解决实际问题巩固了自动化专业知识，积累了自动化技术改造方面的工作经验，对以后相关工作的顺利开展具有重要意义。自动化控制系统与电气设备分离，使设备安装符合标准，杜绝干扰故障发生。控制系统升级为西门子300PLC 设备，增加系统可扩展性能与通讯功能，节约人力资源，达到减员增效的目的。此次改造的完成使得生活水处理工艺更加稳定，保证了公司生活水用水安全，对公司产品的质量稳定和经济效益的提高具有重要意义。