自動化控制系統在自來水廠節能降耗中的應用

梁超

摘要： 隨著城市化建設步伐的加快，我國城市供水面臨著嚴峻挑戰。而科學技術的進步，許多控制設備成功應用在自來水廠建設領域。基于低碳環境下，為能實現自來水節能降耗目標，自來水廠應用自動化控制系統可有效滿足需求。本文重點對自動化控制系統在自來水廠節能降耗中的應用進行探究。

Abstract： With the acceleration of urbanization， urban water supply in China is faced with severe challenges. While with the progress of science and technology， many control equipment has been successfully applied in the field of water plant construction. Based on low-carbon environment， in order to achieve energy-saving tap water target， water plant automatic control system can effectively meet the demand. This paper focuses on the application of automatic control system in the water plant energy saving and consumption reduction.

關鍵詞： 自動化控制系統；自來水廠；節能降耗

Key words： automatic control system；water plant；energy saving and consumption reduction

中圖分類號：TU991.62 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0140-03

0 引言

近些年，我國城市供水需求的日益增加，及自動化水平提高與運用范圍的有效拓展，城市自來水廠十分重視自動化控制系統構建。目前，自動化控制系統有效運用在自來水廠中，所展現的節能降耗優勢更加明顯。文章著重研究了自來水廠中，自動化控制系統的節能與降耗方法，同時根據我國城市供水實際問題，深入分析了自動化系統的構建途徑，從而希望為我國城市自來水廠成功構建自動化控制系統提供參考，實現自來水廠的節能與降耗。

1 自動化控制系統概述

目前，自動化控制系統包含開環控制系統與閉環控制系統，開環控制系統也稱之為順序控制系統，其是由檢測元件與執行機構以及被控對象等組成，通常應用在化工與機械領域。而閉環控制系統也稱之為反饋控制系統，此系統主要通過輸出量與期望值之間的偏差實現控制。基于給定信號角度分析，自動化控制系統包含程序控制系統、隨動控制系統以及恒值控制系統[1]。隨著自動化控制系統的發展，其應用價值越來越高，且應用范圍也不斷拓展，例如在化工、機械制造及辦公室自動化等方面的應用，甚至醫學與生態方面也可應用自動化控制系統。

步入21世紀后，科學技術成為社會發展的核心動力，并在社會發展中扮演關鍵角色，不管是國家發展或是社會進步，甚至個人發展，都需要借助科學技術與知識力量，從而才能夠立足社會，立足于世界。

2 制水工藝流程與自動化控制系統構成分析

2.1 制水工藝流程 自來水廠的制水工藝流程比較復雜，具體如下：取水→制備和添加藥劑→混凝→平流沉淀與過濾沉淀→送水，詳細見圖1。如今我國城市自來水廠的制水工藝流程應用的為最先進的深度處理工藝，其能夠滿足國家標準需求。同時，自來水廠的自動化控制儀表設備主要采用分布式的集散控制系統，并且融合互聯網控制技術與網絡技術，可完成自來水廠制水工藝自動化管控，有效提高自來水廠的制水工作效率與送水速率。

2.2 自來水自動化控制系統 綜合分析自來水廠的自動化控制系統中多個控制站，文章選取一級控制站進行研究，重點研究PLC自動化控制系統在控制站的軟件與軟件方面的設置。其中自來水PLC硬件配置主要由CPU、電源、模擬量一級通訊等組成，由于CPU與電源模塊一般設置左端插槽，因而其他相關模塊能夠隨意安裝[2]。根據現實情況設置自來水基架撥號，一般選擇16進制，但是“0”號主基架的撥碼例外，一定要統一設置為“0ff”狀態，如圖2。

3 自動化控制系統實現節能降耗的方法

3.1 取水泵站自動化控制系統設計方法 通常取水泵站應設計4臺取水泵，實現自來水廠原水的有效供應，其是自來水廠控制消耗的關鍵。由于取水泵消耗電量比較大，因而應將取水泵分成兩組，其中運行的變頻泵應設置成變頻泵組，而變頻泵和定速泵要設定成定速組。這樣每次運行過程中至少需要開啟一臺變頻器，如果運行的變頻泵達到預定時間，同時另一變頻泵未運行，就會自動切換到另一變頻泵[3]。而自動化控制系統就會依照清水池的水位變化相應的調節水泵運行數量。實現自來水廠取水泵節能降耗的方法如下：①科學調節取水變頻泵頻率。自來水廠原水變頻泵頻率要依照清水池水位具體設定值進行調賬。通過PLC來調節變頻泵頻率，而變頻泵頻率和頻率閾值一般用百分比進行表示。其中原水變頻泵工作頻率應該控制在最小與最大頻率區間，并運用SCADA系統完成設定。通過PLC記錄變頻泵工作停止之前的相應頻率，利于變頻泵啟動之后可以維持之前的工作頻率。②定速泵啟動數量調節。自來水廠定速泵啟動數量應根據變頻泵具體工作頻率進行設定，同時為有效管控定速泵數量，就應定義兩個限定值：其一是一臺定速泵在啟動后的變頻泵頻率；其二是一臺定速泵在停止之后變頻泵的頻率。

3.2 添加藥劑系統的自動化設計方法 文章主要研究加藥系統自動化設計與加氯消毒站自動化程序設計。

①加藥系統自動化設計，其目的是控制藥物消耗量。自來水廠的加藥系統自動化設計目的是管控聚合氯化鋁的添加，實現加藥系統的節能與降耗。因而自來水廠應設定3臺加藥計量泵，且計量泵速度應利用PLC進行計算，然后通過通信實現速度的給定有效控制。而聚合氯化鋁的加藥泵速度PLC設計需要綜合分析下述幾方面因素：首先，計算聚合氯化鋁的投加泵額定相應投加流量，其單位是L/h；其次計算聚合氯化鋁的具體濃度，單位是g/L，其主要在配藥完成之后利用系統進行自動計算；最后是沉淀池的進水流量，單位是m3/h，是應用PLC進行計算，若是投加濃度和原藥濃度以及泵沖程不變，而投加泵頻率與沉淀池進水量就會呈現現行關系。另外為確保節能與降耗效果，設計過程中要依照各種原水濁度實現投加比例的科學調節。

②加氯消毒站自動化程序設計。自來水廠中加氯系統主要由氣源系統、真空加氯系統、安全防護系統以及電氣檢測儀表系統等構成。為能夠了解加氯是否處于手動或者是自動加氯狀態，應在加氯機中設置加氯機手動/自動選取信號。自來水廠的加氯控制設計分成前加氯控制設計與后加氯控制設計，其中前加氯控制設計功能是去除藻類與破壞膠體，因此前加氯通常要依照遠水流量的比例進行投加，如果加氯機發生故障，就會在SCADA中發出警報，同時自動切換到備用前加氯機狀態。而后加氯控制設計，其功能是確保出廠水中的氯含量控制在合理區域內，能夠對清水池與出水管道完成消毒。而控制原理與前加氯控制基本相同，若是加氯機發生故障，也會在SCADA中發揮警報，同時自動切換到備用前加氯機工作狀態。

3.3 沉淀池排泥系統的自動化控制設計方法 自來水廠中沉淀池排泥系統包含排泥閥與排泥車。實現沉淀池排泥的節能與降耗核心是保證排泥時排水的科學應用，并且污泥排放過程中盡可能降低不必要排水。①沉淀池排泥閥的管控。自來水廠中沉淀池排泥閥通常是進行周期性排泥，而排泥周期與排泥閥的具體開閥時間要根據實際情況進行設置。其中排泥周期進行設置時，用戶要依照原水水質科學設定排泥周期，盡可能降低排泥時間。同時各個排泥閥的具體開閥時間設定時，用戶應分析平流沉淀池特點，合理設定相應的開閥時間。②排泥車控制。自來水廠排泥車控制方法如下：因為沉淀池的程度一般為100m，根據沉淀池相關沉淀特點，自來水廠沉淀池進水至出水過程中，池底沉積的厚度規律是由多至小，呈現逐級遞減的特點。因而，為在保證排泥車排泥效果的基礎上，實現節能與降耗，自來水廠排泥車中行走電機應該選擇變速電機，并且沉淀池進水端應該慢速行走，但是沉淀池出水端應該快速行走，或者是排泥車中行走電機選擇定速電機，這樣排泥車就能夠實現節能與降耗。

3.4 送水泵站的自動化控制設計 自來水廠中送水泵房一般設置4臺清水泵，主要是2臺變頻泵與2臺定速泵。正常工作過程中是3用1備。但是自來水廠送水泵工作狀態下至少一臺變頻器要運行，若是運行變頻泵的設定工作時間到時，同時另一變頻泵未運行，這樣就會自動切換到另一變頻泵。送水泵站系統主要分成兩個小組，一組為運行變頻泵設計成變頻泵組（P401A/C），另一組定速泵（P401B/D）設定成定速。另外變頻泵具體工作頻率需要依照出水廠壓力的設定數值進行相應調整，而定速泵啟動數量要依照變頻泵的工作頻率設定啟動臺數。送水泵站實現節能與降耗的方法如下：①合理調節加壓變頻泵工作頻率。進行加壓變頻泵工作頻率設計時，應依照SCADA進行設定壓力值，并且完成PID恒溫控制，通過PLC實現變頻泵工作頻率的調節。②提高變頻泵的工作頻率。送水泵站變頻泵的工作頻率主要根據用戶設計的壓力值和實際管道壓力計進行設定，而PLC可應用PID運算實現變頻泵工作頻率的調整，如果管道的壓力未達到用戶所設定的壓力，就要相應提高變頻泵的工作效率。③降低變頻泵的工作效率。PLC應用PID運算實現變頻泵工作頻率的調節，如果管道壓力超過用戶設計的壓力，就應該合理降低變頻泵的工作效率。④定速泵啟動臺數。送水泵站中定速泵啟動臺數，主要根據變變頻泵的工作頻率設定。為加強定速泵工作臺數的管控，應定義兩個限定值：限定值（Ⅰ）增加一臺定速泵時變頻泵頻率限定值（Ⅱ）：停止一臺定速泵時變頻泵頻率。⑤啟動單臺送水的定速泵。如果變頻泵的工作頻率超過了限定值（Ⅰ），同時至少一臺定速泵運行，就要啟動一臺定速泵。

4 總結

目前，我國城市化建設步伐的加快，城市用水需求日益提高，為滿足居民日常生活與工作用水需求，提高自來水水質，自來水廠十分重視自動化控制系統的應用。自來水廠應用自動化控制系統實現取水、制備和添加藥劑、沉淀以及送水，可提高取水工作效率，減小藥耗與能耗，并降低工作強度，有效加強自來水廠的管理水平，顯著提高自來水水質，使企業獲取最大的經濟效益與社會效益。因而，自來水廠要積極推廣自動化控制系統的運用。

參考文獻：

[1]丁寶忠.自動化控制系統在自來水廠中的應用淺析[J].科技資訊，2014（29）：48.

[2]黃志剛.自來水廠供水控制系統的設計與開發[J].佛山科學技術學院學報（自然科學版），2015（03）：61-65.

[3]杜恒，張建坤，張景春，羅建，時獻江.基于PROFIBUS-DP網絡的PLC控制系統在凈水廠中的應用[J].環境工程，2015（S1）：134-137，178.