惠阳水厂自动化控制系统

叶剑波

（惠州水务集团惠阳水务有限公司，广东惠州 516200）

1 水厂自动化控制系统的发展现状

水厂自动化控制系统从一开始的分散控制，即仅有现场仪表检查、现场分部控制的独立控制系统，不断发展。如今，随着可编程逻辑控制器（PLC）的广泛应用，其具有的高可靠性、逻辑性、可编程性和网络通讯功能等强大优点，水厂以PLC 为主控设备建立了一套集中监测、分散控制的监控一体化的自动化控制系统：由中控监控计算机作为上位机，互联网通讯连接现场PLC 主站及现场控制单元。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC 的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年，随着PLC 网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破，取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由功能划分改为以距离划分，可在中控室内监视水厂运行的全过程。

2 自动化控制系统的设计

惠阳水厂设计供水规模40万 m3/d，一期工程净水规模20万 m3/d，二期扩建规模20万 m3/d，肩负着惠阳中心城镇的供水重任。随着水厂供水规模的扩大，为实现全厂生产工艺的自动化，满足现代化供水管理要求，惠阳水厂在原有自动化控制水平上，重新打造一套以PLC 控制为基础的现场分散控制、中心集成管理的集散型自动化控制系统。惠阳水厂作为一座现代化水厂，其生产工艺具有以下特点：各生产工艺相对独立，车间分布明显，单体设备数量多；由于净水工艺流程具有连续性，各车间信息量大，由中控室对厂区进行管控调度；采集数据量大，整个系统数字量和模拟量的输入、输出量多，涉及的检测信息量大，如：压力、流量、液位、PH 值、余氯、电流、电压等；各车间距离远、设备相对分散。

根据集中管理，分散控制的原则，厂区构筑物布置等诸多因素的条件下，本次工程的自控系统要求分为3层结构。①水厂监控操作中心，由水厂操作员站、工程师站、数据服务器、工业以太网交换机等组成。水厂监控操作中心（中控室）作为整个水厂的生产控制和调度监视中心。②PLC 控制站，由分散在各主要构筑物内的现场PLC 监控主站组成，PLC 主站通过工业以太网交换机连入全厂环形全双工100 Mbps快速光纤以太网。每个控制站对应控制其区域的各种生产设备、采集反馈信息。控制站根据工艺进行划分，有加药间PLC 站、脱水车间PLC 站、沉淀池PLC 站、反冲洗泵房站PLC 站、送水泵房PLC 站、低压配电间PLC 站。③现场控制设备，由现场控制柜、高低压电气柜上智能单元、专用工艺设备附带的智能控制器等组成，主要有滤池控制台、刮泥机控制柜、排水池控制柜、排泥池控制柜等。

水厂的自动化控制系统采用的核心部件可编程逻辑控制器（PLC）为施耐德旗下的Modicom 可编程逻辑控制器，根据水厂各个控制站的不同需求，使用不同型号的PLC。对于水厂的各种现场控制柜，例如滤池控制台、排水池控制柜等，主要功能是对现场设备进行控制，以及采集各类仪表信息，这类现场控制柜采用的PLC 型号为Modicom M340。M340的高性能机架I/O 并行总线和高速通讯总线，针对水厂现场仪表实时监测的特点，确保了水厂数据的快速传输。M340的数字量输入/输出和模拟量输入/输出模块，可根据水厂控制单元多、采集数据大的特点，任意组合。而对于更高等级的PLC 控制站，例如加药间PLC 站、反冲洗泵房站PLC 站等，作为对现场控制站、现场设备的信息采集和控制的区域主站，使用的是性能更高等级的M580型号的PLC，具有更高等级的应用程序执行速度和数据存储容量，确保向上位机的信息反馈。

为保证厂区信息传输的可靠性和稳定性，厂区采用光纤环网的数据传输模式，保证信息的时效性和不间断性。并且使用型号为SICOM3000-2GX8T 千兆光交换机，以达到光纤环网的传输模式的要求，使用其电口采集现场PLC 数据，转换光口传输给下一环网链点，最终传到中控系统上位机。

3 滤池恒水位控制系统

3.1 滤池基本情况

滤池是净水工艺流程中的决定水质的其中一个关键部分，其主要是利用石英砂对待滤水进行过滤，控制设备主要为阀门，如进水闸板阀、排水闸板阀、滤后出水蝶阀、气水反冲蝶阀等，重要的一点是滤池的阀门均为气动阀，空压系统提供0.4～1.0 MPa 压力的气源提供给各类阀门动作。厂区滤池数量多（一期10格滤池，二期12格滤池），为保证水厂净水工艺正常运行，当局部出现故障后不影响整个滤池自动运行及调节，每格滤池均设置1个PLC 现场控制台，并在一、二期各设置一PLC 主站连入光纤环网中。每格滤池的控制台由M340作为控制模块，单独处理一格滤池的控制及信息采集、反馈，建立相对独立、简单的系统。PLC 柜外形为台式结构，台面上有手动/自动模式切换以及开/停设备的操作装置。

3.2 恒水位系统

滤池过滤水位保持恒定是水处理生产环节的重要控制内容，滤池恒水位的过滤要求是保证待滤水流量与滤后水流量基本恒定。而滤池水位的变化是受进水量的变化、滤层阻塞值、过滤周期、待滤水浊度等因素影响的。滤池的其中一项重要功能为当滤池正常过滤时，根据滤池水位自动调节滤后出水阀开度，保证滤池水位在一恒定水位进行过滤，其控制过程为PID（比例-积分-微分系统）调节，控制模式分两种：一种是手动模式下恒水位调节，由M340实现；另一种是自动模式下恒水位调节，由PID 调节器实现。因此用PID 闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水调节阀的开度，把影响水量变化的条件转化为对滤池水位的控制。每个滤池的水位和出水阀开度信号传送至滤池控制台的PLC 内，根据PID 运算后得出的出水阀开度信号传送给出水阀。

在恒水位系统中，各组成执行机构如下：①模拟量输入/输出模块BMXAMM0600：采集现场信号传输至PLC 的CPU 模块，经过处理后，输出信号控制执行部件动作。②虹润NHR PID 调节器：采用微分先行的控制算法，与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位等物理量的测量显示，并配合各种执行器电磁、电动阀进行PID 调节和控制。③出水调节阀：采用气动方式驱动的蝶阀，配备DC24V 二位五通电磁阀作为动作单元。为反馈阀门实际位置，配备阀门定位器，可输入/输出4-20 mA的模拟量电信号，用于反馈调节阀门位置。④液位计：超声波液位计（一体式）输出4-20 mA 的模拟量信号。

3.3 调节原理

滤池PLC 操作台可进行手动/自动模式切换，手动模式下由操作台上旋钮开关控制各阀门开闭，自动模式下则由PLC 处理控制阀门开闭，手动、自动模式下均可实现恒水位运行。恒水位调节本质为一闭环控制系统。

根据滤池尺寸大小、石英砂滤层厚度、最大限位水位等条件，设置合适水位设定值为一恒定参数。手动模式下，液位计检测当前水位并转换为4-20 mA 信号，输入给PID 调节器，当前测量值与设定值比较后，再经过调节器内部设定的参数进行整定处理，输出4-20 mA 信号给出水阀定位器，控制气源大小，调节出水阀开度，使滤池水位变化直到与设定值偏差越来越小。同样，在自动模式下，液位计采集当前液位，经过调节器传给PLC，PID 调节器输出端断开，改为PLC 模拟量输出，由PLC 内部PID 控制块编程实现PID 调节。

4 恒压供水系统

水厂恒压供水是净水工艺的重要一环，送水水压的稳定和调节直接影响到管网，为提高生产效率及安全性，改善工艺条件，恒压供水系统的建立对于现代化水厂是必不可少的。恒压供水的自动调节系统的组成主要有：控制模块M580型号PLC、变频器、变频泵、定速泵以及现场仪表。

4.1 调节原理

M580作为控制模块，使用其内部编程PID 控制块作为恒压供水的调节核心。变频器采用的是新风光JD-BP33系列变频器，自带控制模块（即CPU 与控制端子），RS485接口及开闭环工作模式。压力变送器输出4～20 mA 模拟电信号。送水水泵配备3 台1150 kW 变频泵与变频器配套使用，以及2台900 kW定速电机、1台1120 kW 定速电机。恒压供水的系统主要由3台变频泵调节出水管道压力。

中控室人员可将出水压力通过计算机人机界面输入到PLC，PLC 将当前测量出水压力与设定压力做比较，经过计算整定，输出模拟信号给变频器，输出的4～20 mA 信号对应变频器0～50 Hz 频率，调节水泵转速，达到出水压力与设定压力值偏差变小，实现闭环控制。

4.2 后期改造

由于供水压力的调节受很多因素影响，例如白天/晚上的供水量高低峰差异，季节性供水量差异，城镇建设供水量日益增长，管网突发应急事件等因素，基于变频调压的恒压供水系统可改造成，基于变频调压与定速启动结合的恒压供水系统。设定压力设定值（Pset），当前压力值（Pout）[1]。当Pout＜Pset时，PID调节器（PLC）调大变频器频率，当变频器频率调至最大值时，当前压力仍然小于设定压力，则延时启动定速泵，并将变频器频率调至合适值。当Pout≥Pset时，PID 调节器（PLC）调小变频器频率，当变频器频率调至最小值时，当前压力仍然大于设定压力，则延时停止定速泵，并将变频器频率调至合适值。

由于采用加减泵的方式进行恒压供水，为避免频繁启停水泵，造成对水泵电机及厂区电网的影响，在使用这种模式恒压供水的时候，需要考虑以下因素：①上、下限频率的持续时间，本系统增减水泵是以频率是否达到上限/下限作为参考条件，当供水水压不稳定时会造成短时间内压力波动，因此需要设置频率达到上限/下限的持续时间，才能判断当前供水压力是否真的是高于/低于压力设定值，而不是因为水压不稳定造成误判，减少水泵频繁启停。②自动启停时，需要对水泵的启停做安全启停条件处理，确保PLC对各种阀门到位信号，控制柜电流、电压采集，故障保护等信号为水泵启停的条件。

4.3 泵房节能设想

由于泵房水泵电机配备多样，电机是主要的用能设备，当前泵房共有6台流量、功率、类型不同的水泵，在保证供水量的前提下，可以根据供水量设置不同机组搭配方式进行供水，计算出电机最小负荷，达到节能目的。

变频泵工作在高效频率区间范围：1#、2#、3#机组为变频泵，送水流量5 760 m3/h，额定功率1 150 kW。变频泵的投入运行，可根据需要调节供水量，达到节能效果。为达到变频泵效益最大，需要设置变频器输出频率在高效区间，影响因素是变压器负荷率，变频泵变压器使用的是KTMU 12 NA 1600 型油式变压器，按照最佳经济运行状态，变压器负荷率应在70%～80%，即容量为Srt，范围1 120～1 280 kVA，考虑电机经过变频器电容补偿后，取功率因数为cosφ=0.9，变频电机额定功率为P=1150 kW，变频器频率上下限位0～50 Hz，设频率为f，经过式计算得频率范围为43.8 Hz≤f≤50.0 Hz。由于变频泵主要功能为实现水量调节，若以50 Hz 额定功率长时间运行，则与定速泵作用相似，水量调节效果和节能效果不大，因此选择以43.8 Hz 频率为基础调节。

4#、5#、6#号机组为定速泵，4#水泵送水流量6 516 m3/h，额定功率1 120 kW，5#、6#水泵送水流量5 760 m3/h，额定功率900 kW。其区别在于4#机组相对于5#、6#号机组，水泵流量、电机功率较大。流量差值约800 m3/h，功率差值为220 kW。可以利用水泵的参数差值，实现节能效果：变频泵工作在最佳频率范围的最小值时，需要调小流量，PLC 控制系统自动选择并切换4#机组水泵电机。当变频泵工作在最佳频率范围的最大值时，需要增大流量，PLC 控制系统自动选择切换至5#/6#机组水泵电机。保证变频泵工作在经济运行区内，选择最优的定速泵配合使用，实现节能效果。

5 结束语

水厂自动化工艺复杂多样，每项自动化控制工艺需要结合各个水厂的净水工艺和管理要求，才能发挥自动化控制系统的最大效益。文章主要针对水厂的自动化控制方向，以及滤池恒水位、恒压供水的调节过程原理作简单介绍。整个方案安全可靠、经济适用，适合管理和维护。水厂自动化控制系统工艺发展迅速，需要我们不断学习研究，相信通过各个水厂的努力，可以把水厂自动化系统发挥得更好，建立较完善供水的体系。