城乡供水系统自动化控制方案分析

摘 要：城乡供水系统的现代化、信息化技术不断发展，城乡供水自动化管理建设必须紧跟时代步伐。鉴于此，介绍了一套完整、先进的城乡供水自动化控制系统的建设情况，其采用先进的信息采集及处理、自动化控制、计算机网络通信等技术实现城乡供水工程现代化，保证了全线的供水安全，具有显著的经济效益和社会效益。

关键词：供水自动化;远程控制;PAC;PAM投加

1 项目概况

某项目新建总水厂1座，处理规模28万m3/d;铺设输水干支管道约90 km（干管55 km，支管35 km），管径500～1 400 mm;输送到城乡12座分水厂清水池内。项目完成总水厂生产工艺过程监测、自动化控制及90 km管线监测数据接入系统进行集中控制。生产工艺流程目的是除去原水中的各类杂质，如悬浮物、胶体物、溶解物、球菌、藻类、重金属有机污染物等有害成分，通过混合、反应、沉淀、过滤等系列工艺进行技术处理。处理完成后的水符合国家标准，通过长距离输水管道输送到分水厂，接入城乡供水管网。主要工艺流程图如图1所示。

2 控制方案设计

2.1    调流阀间

蓄水池地理位置较高，原水由重力作用自流到调流阀间。在调流阀间取样采集原水水质参数、调流阀开度信号、电动蝶阀状态，实现设备的远程开度控制及电动蝶阀的远程开关。调流阀自动控制时，采用PID控制方式，可以根据设定的进水流量，自动调节阀门开度，实现自动取水。

2.2    前加氯

前加氯主要用来助凝和杀藻。由于水中耗氯一般比较稳定，且对前加氯的残余氯要求不高，因此采用流量比例法加氯。前加氯的投加量与原水流量的大小成正比。原水流量信号（两路原水流量相加）经过流量比例控制器计算出加氯机的开度，然后控制加氯机的阀门，实时根据取水流量的大小，调节加氯量。

2.3    格栅配水井

4台格栅机的控制设计：液位差和时间周期自动运行，两种方式独立运行，选择一种模式。两组粗格栅机独立运行，各自根据设定的参数开停。输送机与其中任意一台格栅机联动，开机时同时启动，停机时延迟120 s停机。根据液位差和时间周期进行控制，设置开机液位1个0.3 m;时间周期1 h，运行时间10 min;参数均可修改。停机液位差不起作用，自动情况下运行至设定的时间后自动停机。时间控制模式下根据设定的时间自动启停，倒计时为零时自动开机，同时开始下一个周期的计时。开停机流程（输送机联动）：当某台格栅机前后液位差大于设定值或者时间周期倒计时为零时，如果输送机没有运行，提前5 s开输送机，输送机运行后启动格栅机;本次连续运行时间到时自动停机，停机之后判断是否有另外的格栅机运行，如果没有则延时2 min停止输送机，如果有格栅机运行则输送机继续运行。开停机流程（输送机不联动）：当某台格栅机前后液位差大于设定值或者时间周期倒计时为零时自动启动，本次连续运行时间到时自动停机。

2.4    加药间

采集计量泵、投加阀、流量计、液位计、增压泵等的运行工况数据，上传至PLC控制主站，并通过上位机实现设备的远程操作;实现PAC/PAM制备自动化、投加自动化控制。直接设定加药液位与加水液位，PLC系统自动计算需要的水与原液的液位高度比。其主要流程：PLC先打开原液进液阀进行进液，到达计算液位后关闭进液阀门，打开进水阀门稀释，达到计算液位（即设定的溶液池最大高度）之后关闭进水阀门，再开动鼓风机搅拌至设定时间。此时配药过程完成。运行较长时间之后，可结合历史数据绘制加矾曲线，系统按照加矾曲线自动投加。一般根据不同季节设定4条曲线，实际使用时可根据季节变化在电脑上进行选择，每一条曲线的参数在运行过程中可以进行修改完善（有权限限制）。该曲线综合了沉淀池进水流量、原水浊度、原水温度、原水酸碱度值等水質信息，实际投加时先根据流量和浊度从曲线中查找到投加系数，PLC根据投加系数和进水流量、浊度计算投加的药液流量，不断采集沉淀后浊度值，如果浊度值超过目标值，自动修正投加量，修正值在曲线查表计算值的10%以内，避免扰动过大。PAM按照定值投加或者按照比例投加，比例投加就是指投加流量和沉淀池进水流量之间的比例，按得出的比例量动态投加;自动调节计量泵的频率，以实现计算投加量与实际投加量一致。

2.5    沉淀池

沉淀池内排泥阀通过阀岛进行控制，阀岛与子站ECU101之间通过Profibus DP总线实现控制，控制方式如下：

（1）反应区排泥过程根据进水流量、进水浊度的累积值或时间周期控制排泥阀，使絮凝沉淀池排泥阀定时控制其开关进行顺序排泥。（2）排泥阀排泥时间、排泥周期可调整。（3）絮凝池排泥阀排泥时间可独立设置，沉淀池排泥时间统一设定。

2.6    后加氯

在后加氯中，由于清水池进水量在变化（如果在沉淀池出口投加，中间还要经过滤池过滤，滞后时间变长，投加量会增加，控制效果会不可靠），氯耗值也会变化，但是余氯值要求控制精确稳定，因此要求采用前馈+余氯负反馈的复合控制方案。该方案是流量比例控制与余氯PID控制的有机给合。在复合控制过程中，余氯分析仪的余氯信号经PLC作为一个过程变量输入控制器，控制器通过比较过程变量与余氯设定值产生的误差，由PID方程计算出单位投加量，再根据进水量计算出加氯量，从而控制加氯机的阀门开度进行投加。该控制方案能根据进水量快速调节加氯机开度，同时又能够根据反馈的余氯值对加氯量进行调整，具有响应速度快和控制效果较好的特点。后加氯方案中需要有配套的余氯分析仪进行数据实时采集才能实现复合环自动投加，一般主要还是采用比例投加方式。

2.7    砂滤池

每格滤池子站的控制运行方案设计：

（1）调整清水阀的开度，使滤池保持恒水位运行。（2）实时监控滤池和滤池设备的运行状态（如阀门开度、液位、浊度等）;遇到故障时发出警报，向调度监控中心发出故障请求。（3）当滤池设备发生故障时，应关闭进水阀门，停止该格滤池的运行;如果清水阀处于正常状态，优先进入过滤状态。（4）根据过滤时间、滤池水头损失、出水浊度设定值等参数，确定是否需进行反冲洗，并向PLC主站发出反冲洗请求。（5）在冲洗过程中，根据PLC主站的调度命令和滤格内水位情况，控制相应的阀门动作，配合主PLC完成自动反冲洗过程。（6）收到开始反冲洗的命令后，首先检测与冲洗过程相关的设备或元器件是否正常，若设备或元器件故障不允许进行反冲洗，报告执行中断信息。在冲洗过程中，任何与反冲洗过程有关的设备或元器件出现异常时，应根据不同的故障情况采取相应措施，故障严重时立即停运反冲洗水泵和鼓风机，终止反冲洗过程，发出警报。（7）冲洗结束后，根据时间周期及初滤水浊度控制初滤水排放。（8）滤池可以处于过滤、反冲洗、停止状态;每种状态之间可以转换。过滤状态时滤池根据进水量对清水阀进行自动调节，实现恒水位过滤，在过滤过程中可以设定为仅过滤状态，在该状态时滤池只过滤不反冲洗;反冲洗状态时，对阀门进行开关，配合主PLC实现自动冲洗，冲洗结束自动进入过滤。

2.8    清水池

清水池安装超声波液位计，监测清水池蓄水水位状况。水位参数可作为反馈信号提供前端自动控制的参数输入。根据清水池高度分为低、中、高3个水位。监测水位状态处于系统设定的低水位或高水位时，自动触发报警信号，然后程序联动调整生产水过程效率，使得清水池处于最优的恒定液位状态。

2.9    补氯

在后加氯不能满足出厂水余氯值的情况下，需要进行补氯。其主要采用比例法进行投加，与前加氯不同的是，采用出廠水流量进行比例控制，比例系数根据出厂时的余氯值与设定的目标余氯的差值来确定。原理与前加氯相同。

2.10    供水管线

为了保证90 km的供水管道能正常输送水，沿线设置了多个压力监测、流量监测点及调流调压阀控制，建设减压池、检查井、计量井、分水井监测系统等设施。

（1）减压池监测系统：总干管桩号5+000设减压池，减压池前、后端安装漏水传感器，通过一体化测控装置采集压力参数、漏水状态，通过交换机接入光纤将数据传输至总水厂。调度中心对现地一体化测控装置进行远程控制。为保证供水线路压力稳定，采用恒水位控制方式。一体化测控终端为核心设备，需要采集压力变送器4～20 mA模拟量数据、漏水传感器的I/O状态量，还需采集电磁流量计的瞬时流量和累积流量数据，并对调流调压阀目标开度进行远程控制。（2）检查井监测系统：检查井安装压力传感器、漏水传感器，通过一体化测控终端采集监测全线压力数据，发生异常情况，及时报警给调度人员处理，保证正常供水。同时，检查井监测系统可对检修阀进行远程控制。（3）计量井、分水井监测系统：计量井对管线需要流量监测的点位进行数据采集，就近接入分水井中的PLC，选用管道式电磁流量计，计量沿线监测点水流量，满足水量分配和中心调度要求。

2.11    分水厂

通过对每个水厂的水质监测，保证把合格的水输送到分水厂清水池。通过对进水厂前调流调压阀的控制，实现动态分配供水量。

3 结语

城乡供水系统自动化控制方案系统性较强，涉及多学科、多领域知识，并具有规模庞大、结构复杂、业务性强、自动化功能强、安全要求高等特点，是一种信息技术含量较高的自动化控制系统，能够实现城乡精准计量供水，为安全供水提供有力的技术保障。

收稿日期：2021-01-20

作者简介：蒋天亮（1979—），男，广东连山人，工程师，研究方向：城乡供水行业自动化系统技术方案设计，项目实施、项目过程管理。