基于WinCC的現代化水廠自控系統的設計與應用

高絹絹

【摘 要】德州市第四水廠一期規模為10萬噸/天，生產工藝為常規處理—臭氧+生物活性炭深度處理，生產水質達到了直飲水水質標準，且污泥處理過程采用了先進工藝，保護了生態環境。本文闡述了水廠自控系統的構成，對生產流程中重點環節的自控過程進行了說明，并對組態軟件WInCC進行了詳細介紹。

【關鍵詞】深度水處理 WinCC PLC

1 項目簡介

德州市第四水廠于2014年5月建成通水，第一期規模為10萬噸/天。第四水廠是一座現代化水廠，為了滿足人們對環境保護和飲用水質量的需求，其工藝流程除取水、加藥、平流沉淀、V型濾池、加氯、配送水等常規工藝環節，還增加了臭氧+生物活性炭深度處理工藝以及污泥濃縮處理等控制環節。該水廠對所有工藝環節都實現了自動控制和對系統主要參數的在線監測；污泥濃縮處理系統對濾池反沖洗水進行回收濃縮處理，節約水資源，保護水體不受污染，符合現代化水廠的要求。

2 自控系統構成

目前國內采用的自動控制系統結構，就其形式可劃分為SCADA系統、DCS系統、IPC+PLC系統、總線式工業計算機構成的系統[1]。根據德州第四水廠的工藝特點以及主要構筑物的結構，設計采用了由工業計算機（IPC）和可編程序控制器（PLC）組成的IPC+PLC分布控制系統。

系統設置6套PLC-300總站分布于加氯間、臭氧控制間、污泥處理間、加藥間、濾站和送水泵房，位于污泥處理間的3#PLC控制總站同時監測平流沉淀池刮泥機的PLC-300子站。每個PLC-300總站都備有3KVA30min不間斷電源（UPS）。中心機房設置有上位監控計算機、主服務器和網絡交換機，并配有6KVA30min不間斷電源（UPS）。控制系統主干網絡采用主流100Mb/s的環型光纖工業以太網，每個控制總站配置具有環網管理功能的2光口6電口的100Mb/s工業光纖交換機。在加氯間、臭氧控制間、污泥脫水間、加藥間、濾站和送水泵房配有6臺HMI_Touch，可供現場人員了解現場數據和全廠概況。

自控系統基于組態軟件WinCC開發平臺，使用CP5611通訊卡通過PROFIBUS連接西門子S7-300 進行數據通訊，實現數據采集、設備控制、實時曲線顯示、歷史記錄、故障報警等功能，可以在中央監控室對整個生產工藝流程進行實時監控，實現了真正意義上的監控管一體化。

3 生產過程控制要點

3.1 加氯系統

加氯系統采用真空加氯機，采用前加氯結合后加氯的殺菌處理工藝。前加氯系統的投加方式根據進水流量采用比例控制，凈水工通過計算機給控制系統設定加氯比例系數，自動控制系統按這個設定比例自動控制加氯機投加氯氣，當進水流量變化時，系統會自動調整加氯量，自動保持系統按比例投加氯氣。后加氯系統的投加方式采用余氯結合流量閉環反饋控制，凈水工通過計算機給控制系統輸入出廠水余氯指標系數，例如每立方清水余氯含量要求保持在0.5mg，通過余氯分析儀檢測到清水中余氯實際含量后送給自動控制系統進行比較運算，控制后加氯機投加氯氣，使出廠清水中余氯含量恒定保持在0.5mg[2]。

3.2 加藥系統

凈水廠目前使用的凈水藥劑為聚合氯化鐵鋁藥液，加藥控制過程是通過控制計量泵的頻率及沖程來控制加藥量，加藥系統采用針對藥基數的PID閉環控制方式。藥基數是指在千噸水中需投加藥液的量，其值應該根據在原水中投加絮凝劑，經過平流沉淀處理后水的濁度控制在10NTU 以內來標定。濾前濁度過小將造成藥劑浪費，相反濁度過大則會加重濾池負荷，導致濾池頻繁反沖，浪費水源。系統將該值作為控制過程的目標設定值，通過PID調節算法調節計量泵頻率及沖程大小，將實際藥基數控制在目標值允許范圍以內，保證平流沉淀池出水水質穩定。

3.3 臭氧投加

前預臭氧投加基數為0.5～1.5mg/L，投加過程根據進水流量進行比例控制。主臭氧接觸池出水要求余臭氧濃度為0.2～0.4mg/L，后臭氧根據進水量、出水余臭氧采用PID閉環控制臭氧投加量。臭氧發生器是臭氧系統的核心設備，通過控制臭氧發生器的出口調節閥開度來調節出口流量，保證所需的臭氧量等于實際產生量。

3.4 濾站

該站主要監控10格炭濾池和8格砂濾池的過濾、反沖洗過程及相關參數。

3.4.1 濾池過濾

炭濾池和砂濾池采用恒定水位控制原理，濾池的清水閥為無級可調比例閥（開啟度為0～100%），根據濾池的液位、水頭損失值、清水閥現有開度的反饋信號通過PID閉環控制系統自動調整閥門的開度，從而確保濾池恒水位過濾。

3.4.2 濾池反沖

炭濾池根據水頭損失、反沖周期及人工強制3個條件按優先權進行氣水兩階段反沖。砂濾池根據水頭損失、反沖周期及人工強制3個條件按優先權進行氣水三階段反沖。

濾池反沖洗的3種控制方式有：①強制反沖；②根據水頭損失PLC系統自動反沖；③根據過濾時間系統自動反沖。優先原則是：第①種方式最為優先，第②種方式次之，最后為第③種。

3.5 送水泵房

將檢測到的出水管網上的壓力信號送入PID調節器，經運算后得出一調節參數，送給變頻器，變頻器通過控制水泵的轉速來調節供水量，使供水管網上的壓力保持在給定壓力范圍內；當用水量超過一臺泵的供水能力后，通過PLC控制器加泵。根據實際用水量的大小由PLC控制變頻器對水泵進行調速及增減水泵數量，實現恒壓供水。

3.6 污泥處理

平流沉淀池的排泥水和濾池沖洗水集中到到污泥調節池里等待處理，當系統檢測到調節池液位達到設定上限時，開啟三臺潛水泵將調節池內污水輸送至濃縮池，為防止污泥沉積池底同時開啟池內攪拌機。PLC控制系統根據進入濃縮池的污泥流量值計算出需要投加絮凝劑PAM的量，自動開啟PAM計量泵，通過導泥管與排泥水混合，在機械濃縮機的慢速攪拌過程中，泥水逐漸分離，上清液回收再利用，絮凝泥團沉入池底并被刮泥機集中到池底中央，再通過抽吸泵將泥團抽到儲泥池等待處理。

通過送泥泵將儲泥池中的濃縮污泥輸送至離心脫水機，PLC系統根據送泥量調節PAM投加泵的頻率來控制PAM的加入量，污泥與絮凝劑在進入脫水機之前經過混凝器的攪拌形成團絮凝體，經過脫水機的離心作用，快速形成含固量在30%～35%的泥餅，泥餅經烘干后進行掩埋處理。

4 組態軟件應用[3]

上位監控系統用WinCC6.0組態軟件開發，因為本系統下位機選用的是西門子S7-300系列及編程工具為STEP7，與WinCC同為德國SIEMENS公司研發產品，WinCC本身就提供S7-300的驅動軟件，使PLC與上位機的聯接非常容易，利于系統的開發設計。

工控組態軟件WinCC是一個集成人機界面系統和監控管理系統。它提供了適用于工業的圖形顯示、消息歸檔，以及報表的功能模塊。高性能的過程耦合，快速的畫面更新以及可靠的數據使其具有高度的實用性。WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案，可以集成通過ODBC和SQL方式的歸檔數據訪問，以及通過OLE210和ActiveX控件的對象和文檔的鏈接.

WinCC組態軟件包括五個功能模塊，即通訊組態、變量組態、控制組態、圖形組態和報表組態。整個監控系統所需要完成的功能就是讀取計算機內部關于工業現場的實時數據，根據用戶的要求，鏈接組態系統提供的功能模塊，最終生成一個針對特定工業現場的、符合用戶要求的監控系統，實現對工業現場運行情況的管理控制。

該監控系統人機界面能直觀、生動呈現整個水生產過程中的工藝，動畫形式多樣、直觀、逼真，且與各種型號的PLC通訊簡單。該中控室監控計算機監控系統完成的功能主要有：

（1）遠程控制各PLC現場子站，實時接收PLC采集的各種數據，建立檢測參數數據庫；處理并顯示各種數據。

（2）監測整個生產工藝流程和各細部的動態模擬圖形。該系統實現了水廠整體工藝流程、各主要工藝設備運行狀態、過程控制及各生產環節生產數據的實時采集與現實。

（3）從檢測項目中，按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。能夠了解生產參數的動態情況，便于生產調度管理。

（4）重要設備主要參數的工況及事故報警、打印制表。包括工藝數據報警、設備故障報警、系統故障報警，并根據不同的報警信息提供不同的報警畫面。

（5）編制和打印生產日、月、年統計報表。對各種數據進行實時存儲。

5 運行結果

德州市第四水廠運行兩年來，提高了水質處理的效率和水平，減輕了運行人員的勞動強度，提高了水廠運行的安全和可靠性。使用了基于WinCC組態軟件的監控系統具有運行穩定、操作界面直觀友好、易于管理和維護等完善的特點，完全實現了預期的功能，生產管理更為科學有效，為水廠的安全運行提供了可靠的保障。

參考文獻：

[1]劉增環，張博，吳宏圖.高可靠性水廠自動化控制系統[J].自動化儀表，2012，07.

[2]錢莉莉.楊樹浦水廠自動化控制系統的設計與應用[J].凈水技術，2009，03.

[3]劉華波.組態軟件WinCC及其應用[M].北京：機械工業出版社，2009，07.