水廠自動化系統設計

李 煒

(太原供水設計研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概況

該水廠供水規模3 萬m3/d，建(構)筑物包括廠外加壓泵站、安全及控流閥間、格柵配水車間、沉淀池車間、清水池、變配電間、加氯加藥間、泥沙處理車間、綜合樓等，以上內容全部納入自動化設計范圍。全廠自動化系統包括以下內容，以實現生產管理和工藝過程的自動化控制和管理現代化的要求。

1.1 儀表

明確儀表的選型原則，根據工藝過程和自動化控制要求確定儀表種類和數量，繪制儀表工藝流程圖。過程儀表安裝在工藝過程現場，分析儀表安裝在儀表間內。為了確保分析儀表的正常工作，配備超濾系統，對進入分析儀表的取樣水進行處理。

某些與控制過程關系不密切的水質參數則采用實驗分析儀表進行測試，實驗分析儀表不包含在本次自動化設計中。

1.2 生產過程控制

根據工藝設計確定控制方案;根據現場構筑物的位置及工藝過程設置監控主站;編寫控制描述;統計被控設備及測控點數。

2 儀表配置

儀表應適用于對工藝流程進行控制。儀表的設計應為控制體系提供支持，使工廠操作員能夠對工廠和主要設備、處理過程進行監視和控制。能夠在以下流程單元獲取處理水樣本:進廠水、泥沙濃縮儲存、沉淀池出水、后加氯點、出廠水。

根據工程方案，進廠水取樣點設置在調流及安全閥間前、進水流量計之后，通過取樣泵加壓進入進廠水儀表檢測區，進水儀表檢測區布置在調流及安全閥間內。

出廠水取樣點設置在清水池后總管，通過引流管引入出廠水儀表檢測區。

其他過程儀表根據工藝設計體現的運行要求進行配置。

3 自控系統

3.1 系統結構

自動控制系統分為3 個層次:第1 層，設備監控，包括可編程序邏輯控制器(PLC);第2 層，現場人機界面(HMI);第3 層，管理層。

第1 層，采用可編程序邏輯控制器(PLC)類設備作為主控制器，對流程進行自動控制，對過程參數、設備工況進行自動檢測，實現生產現場的無人值守。

第2 層，操作人員可在現場控制站使用觸摸屏作為就地人機交互接口，對設備進行就地集中控制。

第3 層，管理系統。位于中控室內，由0#工業交換機為核心組成光纖以太環網拓撲結構。其由工控制算機、服務器和有通訊功能的可編程控制器等組成。

3.2 控制站設置

根據工藝流程和構筑物位置分布，設置以下管理、監視及控制站:中央監控主站(0#PLC)、預處理控制站(1#PLC)、二級處理控制站(2#PLC)、加氯加藥控制站(3#PLC)、污泥處理控制站(4#PLC)、加壓泵房控制站(5#PLC)。

中央監控計算機及現場控制站組成廠區工控網，實現對現場儀表、現場設備、實時生產過程的監控。廠區工業控制網采用以太光纖網，保證網絡的可靠性、安全性。全系統構成一個完整的無縫的分級網絡結構體系。

現場應備用一定量的控制設備，當發生故障時，可以及時更換以保證系統盡快正常運行。

1)中央監控主站(0#PLC)。中央監控主站設置在中控室，配置如下:a.實時監控工業計算機2 臺。b.用于與現場PLC 子站相連的工業網絡通訊接口適配器。c.報表打印機和事故報警打印機，互為備用。d.不間斷電源(UPS)。e.投影儀系統。f.便攜式編程終端。g.調度及信息發布控制計算機。h.2 臺中央操作計算機及1 臺工程師站計算機。i.供水管網遠程數據GPRS DTU。中央操作計算機作為中控室人機接口，配置良好的人機界面。

2)預處理控制站(1#PLC)。1#PLC 站設置變配電間。監控范圍為:格柵配水車間、安全及控流閥間、進水檢測儀表、變配電間低壓表計等。

3)二級處理控制站(2#PLC)。2#PLC 站設置在沉淀池車間。監控范圍為:沉淀池車間、清水池、出廠水流量計井、出水檢測儀表等。

4)加氯加藥控制站(3#PLC)。3#PLC 站設置在加氯、加藥間。監控范圍為:加氯間、加藥間等。

5)泥沙處理控制站(4#PLC)。4#PLC 站設置在泥沙處理車間。監控范圍為:泥沙處理車間、泥沙濃縮池、平衡池。脫水系統配套控制裝置，通過開放協議的網絡接口通過4#工業交換機接入全廠控制網絡。

6)加壓泵房控制站(5#PLC)。5#PLC 站設置在廠外泵站變配電間。監控范圍為:廠外加壓泵房、廠外變配電間等。

7)現場控制站配置。現場控制站通常情況下由PLC 對設備進行自動控制，特殊情況下也可由操作人員通過就地控制箱進行人為干預。也可通過上位監控計算機對監控界面的相關參數進行修改，實現對現場設備的控制。現場控制站使用的控制設備應實現結構模塊式、通訊接口多樣化，滿足日后擴展要求。

3.3 控制描述

1)中央集中監控。本工程采用集散型監控管理系統。在控制室設置實時計算機監控系統，監控系統、通訊系統為熱備冗余系統，2 臺監控計算機以雙冗余模式運行同時作為服務器，接收、處理所有的上傳數據，集中管理、控制水廠現場PLC，提供清晰、友善的人機界面，完成生產管理的日報、月報、年報，也可以在中央控制室集中控制水廠的運行。主備轉換時，系統無數據丟失。系統同時設置了數據服務器與廠信息管理系統相連，在廠長室、副廠長室、總工室等有關部室可設置計算機顯示終端。監控系統開放、靈活，可以對系統進行監測、控制，具有動態畫面顯示功能、報警、報表輸出功能、趨勢預測功能、歷史數據存儲功能。軟件應采用全中文操作模式，能夠組態中文顯示畫面等功能。具有使用方便、簡單易學、軟件組態靈活的特性，應該確保用戶可快速開發出實用、可靠、有效的自動控制系統。

2)報警。所有報警均被鎖定，直到操作員對其進行確認為止。如果報警是通過指示燈的方式顯示的，那么該指示燈將保持閃爍，直到被確認為止;報警被清除之前，將保持穩定。報警為就地報警。閥門和設備狀態采用統一的符號和顏色;其狀態通過指示燈或彩色電腦屏幕進行表示。至少提供以下的報警:過程旋轉元件的高扭矩狀況。過程水池和其他開面水道中的高水位。藥物儲罐、儲池中的高、低液位。高、低給藥速度。泵井的高、低水位。原水和過程處理水的超標值。工廠出水的pH、余氯、濁度超標值。泵機和過程電動機的脫扣或運行故障。氯儲存、計量和注入室中的氯氣檢測。氯稱重裝置低重量。閥門運行故障。對于能夠關閉設備或系統的所有控制系統聯鎖，為其提供報警功能。

3)進水處理。進水經調流閥及安全閥進入格柵配水井，以備后期沉淀及加藥處理。進水經取樣泵至調流及安全閥間供進水儀表檢測，取樣點在進水流量計至調流閥之間的兩處管段。前加氯點在安全及控流閥間內。采集進出水瞬時流量、累計流量。累計流量主要通過現場總線進行采集。流量配比前加氯量，通過網絡傳送加氯量信號至加藥控制站。設置雙控電磁閥控制加氯管進行前加氯控制。采集并控制活塞式調流閥、蓄能罐式液控安全閥的啟閉;采集并控制調流閥開度。檢測進水的pH/T、濁度計等檢測儀表的參數信號。

4)源水及清水提升控制。廠外加壓泵站源水設置了4 臺75 kW離心泵，其中2 臺變頻，2 臺正轉、2 臺反轉，出口為電動法蘭式蝶閥;清水設置2 臺250 kW 離心管道泵，1 用1 備。采集單管出水壓力信號。通過總線采集電機保護裝置信號。進行電動機監視，控制離心泵運行。采集其自動、運行、故障等信號。通過壓力、溫度和其他參數對泵機進行控制。采集總管壓力。通過總管壓力和其他參數對機組進行調度。調度過程中根據回路母線結構分配運行機組。

5)加氯系統。前、后加氯系統均采用全自動柜式加氯機，通過水射器進行管道投加。因此加氯間屬爆炸氣體危險環境區域，配備有處理量Q=2 000 kg/hr 漏氯吸收裝置1 套，所有儀表、設備均為本安隔爆型設備，并滿足相關標準規范要求。完成采集漏氯報警器的狀態，檢測氯氣泄漏，按工藝要求聯動漏氯吸收裝置、軸流風機并聲光報警。檢測加氯機運行狀態。對氯瓶稱重進行檢測，并設低限報警，實現自動切換，保證不間斷供氯;根據1#PLC加氯量控制信號對前加氯機形成閉環控制。根據4#PLC 余氯信號，按照復合環方式控制后加氯機加氯。

6)加藥系統。本廠包含PAC 投加及PAM 投加兩套相互獨立的加藥系統。PAC 投加范圍Q=3×150 L/h，PAM 投加范圍Q=3×300 L/h。a.PAC 投加。實現配藥全自動控制，控制體系包括儲液池液位計、投配池液位計、投加藥電動球閥、投配藥電動球閥、藥電磁流量計、水電磁流量計、原液提升耐腐蝕泵、羅茨鼓風機。實現投加全自動控制，控制體系包括計量泵、投配池液位計、沉淀池出水濁度。采集全系統藥泵、管路閥門、鼓風機的運行狀態。對投加泵的運行時間進行統計。當有1 臺泵發生故障或運行時間達到設定時間時，自動切換備用泵運行。定時啟停鼓風機。b.PAM 投加。PAM 投加為全自動制備系統，主要考慮采集制備系統、螺桿泵等設備狀態。整機啟停PAM 投加系統。

7)出水控制。采集清水池液位。液位通過在排空管上進行靜壓測量的方式獲得。這是清水池的最低點，管道中的流量不會對測量造成影響，且常規狀態下沒有流量。在沖刷操作的過程中(該操作非常罕見，一般每5 年～10 年進行一次)，測量值將會是錯誤的。清水池液位被用于自動控制泵機的啟動保護。采集后加氯取樣點的余氯信號，經微調、計算，通過網絡傳送加氯量信號至加藥控制站。采集流出管線配置的電磁流量計信號，累計流量主要通過現場總線進行采集。實現對出水水質、壓力的監測。水質參數檢測pH、濁度、余氯。

8)污泥處理。斜管沉淀池排泥水至2 座泥沙濃縮池濃縮排除上清液后，經由平衡池由污泥泵將污泥送入脫水設備，脫水設備采用2 臺臥式螺旋沉降離心機，一用一備。由藥劑泵投藥后進行脫水，脫水后制成泥餅外運。脫水系統全套設備及控制集成由廠商提供，廠區自控系統集成商完成配合條件的滿足。監控濃縮池中心傳動濃縮機。監控濃縮池液位，聯動濃縮機低液位保護。監控平衡池進料泵及攪拌機。監控平衡池液位，聯動攪拌機低液位保護。由脫水系統提供開放協議的網絡接口，實現脫水系統與全廠控制網絡連接。以下功能由脫水系統配套控制柜實現集成:對絮凝劑流量、污泥流量進行檢測。根據平衡池液位控制進料泵啟停。采集污泥流量、絮凝劑流量等參數，控制藥液及污泥投加。采集儲泥斗料位，控制系統及輸送機運行。實現自動卸餅。采集污泥泵、藥劑泵、軸流風機、絮凝劑制備系統、輸送機等設備的運行狀態，控制污泥泵、藥劑泵、軸流風機、絮凝劑制備系統、輸送機等設備的運行。提供開放協議的網絡接口，負責調通與全廠控制網絡的通訊。

［1］王江榮，蘇 新.給排水設計手冊——電氣與自控［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002:612-640.

［2］肖建章.自動控制技術［M］.北京:中國勞動社會保障出版社，2004:20-21.