生活水處理自動化控制系統改造

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司能源與環境部，河北唐山 063200）

引言

生活水處理系統是把水庫來水處理為合格生活用水的一套裝置，主要經過原水提升泵，自清洗過濾器，高密度一體化澄清設備，多層濾料過濾器，成品水箱及成品水泵將成品水供入生活水管網。生活水處理系統設計連續出水量為300 m3/h，滿足廠區內多個站所5000 多人的生活用水需求。該系統為公司正常運行的生活供水重要供給源，它的穩定運行至關重要。

但是該套系統從一開始施工設計時就存在了很多缺陷和隱患，生活水處理控制系統采用的PLC是西門子200，由于沒有擴展功能，輸入輸出通道受限，導致現場部分儀表數據不能上傳，控制邏輯簡單無法滿足生產需要，與電氣配電及變頻器裝在同一柜內，易受強電流干擾，造成控制系統故障頻繁和模塊損壞的現象。該系統的頻繁故障無法保證生活水的穩定供應，對廠區內的生活生產造成很大影響。為了保證公司的生活用水供應，生活水處理系統的自動化技術改造迫在眉睫。

1 現場設備及控制原理

原水泵：原水提升泵兩臺，將原水增壓送至生活水處理系統，一用一備，自動運行條件下一臺泵故障時自動啟動另一臺泵，根據成品水箱液位控制泵的啟停，液位低于1.5 m 時啟動泵，高于2.8 m 時停泵。

自清洗過濾器：單臺最大處理水量150 m3/h，過濾精度200 μm。用于原水的初步過濾，根據差壓開關自動啟停。

一體化澄清設備：設備含有3個獨立處理單元，每個處理單元的處理能力為100 m3/h，3 個處理單元并聯。

多層濾料過濾器：根據機械過濾原理，采用雙層濾料，高效去除原水固體微粒，膠體。濾層吸附飽和后，可通過反洗濾料，恢復其過濾功能。本系統設置4 臺過濾器，填充濾料：無煙煤（0.8～1.2 mm），石英砂（0.5～1.2 mm），額定流量為75 m3/h·臺，反洗流量為240～260 m3/h。

加藥設備：加藥計量泵6臺，用于向水處理系統中加入調節水質所需藥劑。

反洗裝置：反洗水泵兩臺一用一備，用于對多濾料過濾器進行反洗，根據水質設定反洗周期。

成品水泵：系統設置3 臺成品泵，配備變頻器1臺，根據送出水壓力設定值和變頻器頻率決定啟停泵的數量和運行模式。新啟泵以變頻模式運行，原運行泵轉為工頻運行。成品水泵的運行和控制保障管網供水壓力的穩定。

2 工藝流程

原水經提升泵進入自清洗過濾器，然后進入高密度澄清一體化設備并加藥，再進入多層濾料過濾器，最后進入成品水箱，由成品水泵送入生活水管網。出水口設置濁度分析儀和二氧化氯分析儀，檢測出水濁度和余氯，確保產水合格。工藝流程如圖1所示。

圖1 生活水處理工藝流程圖

此系統主要是對原水泵和成品水泵進行自動控制，控制邏輯說明如下。

（1）原水泵控制邏輯說明

原水泵在“遠程”狀態，上位選擇為“自動”，當前原水泵無“故障”狀態下，默認啟動1#原水泵。當水箱液位低于1.5 m（可根據生產情況設定低液位值）時啟泵；當液位高于2.8 m 時停泵。當前運行原水泵為故障時，另一臺原水泵在“遠程”、“自動”狀態自啟。當前運行原水泵由“遠程”轉為“就地”時，另一臺原水泵在“遠程”、“自動”狀態自啟。當前運行原水泵運行時間達到30 天時，另一臺原水泵在“遠程”、“自動”狀態自啟。

（2）成品泵自動加減泵控制邏輯說明：

自動加泵：（系統默認啟泵順序為1→2→3，此時其他成品泵為遠程、自動狀態，否則啟動另一臺滿足條件的成品泵）假如當前1#成品泵為變頻運行，頻率為50 Hz,無法達到設定壓力值（設定壓力為當前壓力＞0.05 MPa），此時1#成品泵降頻停止，2#成品泵為自動變頻啟動，同時1#泵轉為自動工頻運行，依此類推。自動減泵：假如當前1#成品泵為工頻運行，2#成品泵為變頻運行，設定壓力為當前壓力＜0.05 MPa 和當前2#泵頻率＜15 Hz 時，1#成品泵直接停泵，同時2#變頻泵自動調壓，依此類推。

3 改造項目制定與實施方案

3.1 改造方案制定

（1）根據改造項目的技術方案要求繪制新增控制柜的硬件布置圖、接線圖，以及PLC 柜內所有設備的點號，打印接線線號。

（2）敷設控制柜至現場設備電纜，新增加控制柜的固定、安裝。按照繪制的圖紙配置PLC 控制系統模塊、端子排等柜內硬件設備，重新校線、布線。

（3）根據工藝流程和控制方案制定程序流程圖，并且編制PLC程序，制作上位畫面（圖2）。

（4）現場儀表液位計安裝，對儀表電纜進行打點校線并進行接線，對電磁閥進行測試。

（5）下位調試好后，做好通訊，完善主控室上位畫面進行上位調試。

（6）上面所有工作完成后，根據生產安排試運行，做好完善工作，最終達到生產工藝要求。

圖2 改造后上位畫面

3.2 改造實施計劃

(1)前期準備工作：按照改造方案編程，控制系統硬件設備、材料領取。與工藝操作人員和電氣專業人員核實改造接口，列出需配合完成項目。開工前要辦理相關項目安全措施，做好聯系確認；上電測試需要生產人員配合試車；建議就地控制先調試，避免影響生產投運；

(2)根據生產安排，申請停機時間，先完成就地控制箱改造工作，保障盡快供水，后完善自動控制系統，達到改造目的。根據控制方案和工藝流程編制PLC程序，并且編制上位畫面程序。

(3)停機前計劃：需從電氣柜內引入總電源220 VAC(需電氣人員配合)。打點測試柜內配盤接線情況。下載程序、上位畫面與程序通訊，連接變量，實現軟控制。現場調試，程序、畫面進一步完善。將儀表電纜接頭做好，柜內接入下端子。新增水箱液位計安裝調試到位。接入電氣新增泵操作箱控制線、反饋線。

(4)停機后計劃：將原來所有澄清器、過濾罐電磁閥控制線拆除做好標記并接入新控制柜。將原來所有加藥泵控制線拆除做好標記并接入新控制柜。拆除原控制柜內現場儀表（液位及壓力）接線并做好標識。對所有儀表、電磁閥進行上電測試。接入電氣新增7 臺泵操作箱控制線、反饋線。電氣自動化設備的聯調、試運行、程序的進一步修改完善。系統控制柜內電纜編號、線號、標示打印及掛牌。

4 項目實施效果

改造完成后將使自動化控制系統和電氣設備進行分離，消除強電干擾，PLC 控制器由S7200 升級為S7300，改造后能使設備提升擴展空間，為今后在生產過程中的工藝擴展做好準備。改善了自動化設備運行環境，提高了自動化設備運行的安全性和穩定性。改造前后情況對比如圖3。

圖3 改造前后情況對比圖

同時對設備的運行環境有很大改善，延長了設備的使用壽命。新增帶有反饋的閥門能對閥門狀態有所監控，使系統更加穩定，減少故障的發生。增加UPS 使自動化系統的穩定性加固，避免突發斷電或電源質量對自動化設備的損壞，可延長自動化設備的使用壽命。水質分析儀表上傳至系統，數據實時監控、報警，產水水質有了可靠的保障。完成中控室的遠程監控，是系統控制集中化，減少員工的工作量及人員安排。

5 結束語

通過此次改造，我們不僅進一步熟悉學習了生活水處理的工藝原理與控制邏輯，而且通過解決實際問題鞏固了自動化專業知識，積累了自動化技術改造方面的工作經驗，對以后相關工作的順利開展具有重要意義。自動化控制系統與電氣設備分離，使設備安裝符合標準，杜絕干擾故障發生。控制系統升級為西門子300PLC 設備，增加系統可擴展性能與通訊功能，節約人力資源，達到減員增效的目的。此次改造的完成使得生活水處理工藝更加穩定，保證了公司生活水用水安全，對公司產品的質量穩定和經濟效益的提高具有重要意義。