惠陽水廠自動化控制系統

葉劍波

（惠州水務集團惠陽水務有限公司，廣東惠州 516200）

1 水廠自動化控制系統的發展現狀

水廠自動化控制系統從一開始的分散控制，即僅有現場儀表檢查、現場分部控制的獨立控制系統，不斷發展。如今，隨著可編程邏輯控制器（PLC）的廣泛應用，其具有的高可靠性、邏輯性、可編程性和網絡通訊功能等強大優點，水廠以PLC 為主控設備建立了一套集中監測、分散控制的監控一體化的自動化控制系統：由中控監控計算機作為上位機，互聯網通訊連接現場PLC 主站及現場控制單元。開始建立的系統，各分站以功能劃分，站內設有監控計算機，這是針對當時PLC 的通訊能力不夠強大，控制系統可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出現故障或網絡中斷后，未出故障的分站還可以在局部區域內實現自動控制。近幾年，隨著PLC 網絡通訊能力的增強和控制及電氣執行機構可靠性的提高，這一模式逐漸被打破，取消了各分站內的監控計算機，各分站的控制區域由功能劃分改為以距離劃分，可在中控室內監視水廠運行的全過程。

2 自動化控制系統的設計

惠陽水廠設計供水規模40萬 m3/d，一期工程凈水規模20萬 m3/d，二期擴建規模20萬 m3/d，肩負著惠陽中心城鎮的供水重任。隨著水廠供水規模的擴大，為實現全廠生產工藝的自動化，滿足現代化供水管理要求，惠陽水廠在原有自動化控制水平上，重新打造一套以PLC 控制為基礎的現場分散控制、中心集成管理的集散型自動化控制系統。惠陽水廠作為一座現代化水廠，其生產工藝具有以下特點：各生產工藝相對獨立，車間分布明顯，單體設備數量多；由于凈水工藝流程具有連續性，各車間信息量大，由中控室對廠區進行管控調度；采集數據量大，整個系統數字量和模擬量的輸入、輸出量多，涉及的檢測信息量大，如：壓力、流量、液位、PH 值、余氯、電流、電壓等；各車間距離遠、設備相對分散。

根據集中管理，分散控制的原則，廠區構筑物布置等諸多因素的條件下，本次工程的自控系統要求分為3層結構。①水廠監控操作中心，由水廠操作員站、工程師站、數據服務器、工業以太網交換機等組成。水廠監控操作中心（中控室）作為整個水廠的生產控制和調度監視中心。②PLC 控制站，由分散在各主要構筑物內的現場PLC 監控主站組成，PLC 主站通過工業以太網交換機連入全廠環形全雙工100 Mbps快速光纖以太網。每個控制站對應控制其區域的各種生產設備、采集反饋信息。控制站根據工藝進行劃分，有加藥間PLC 站、脫水車間PLC 站、沉淀池PLC 站、反沖洗泵房站PLC 站、送水泵房PLC 站、低壓配電間PLC 站。③現場控制設備，由現場控制柜、高低壓電氣柜上智能單元、專用工藝設備附帶的智能控制器等組成，主要有濾池控制臺、刮泥機控制柜、排水池控制柜、排泥池控制柜等。

水廠的自動化控制系統采用的核心部件可編程邏輯控制器（PLC）為施耐德旗下的Modicom 可編程邏輯控制器，根據水廠各個控制站的不同需求，使用不同型號的PLC。對于水廠的各種現場控制柜，例如濾池控制臺、排水池控制柜等，主要功能是對現場設備進行控制，以及采集各類儀表信息，這類現場控制柜采用的PLC 型號為Modicom M340。M340的高性能機架I/O 并行總線和高速通訊總線，針對水廠現場儀表實時監測的特點，確保了水廠數據的快速傳輸。M340的數字量輸入/輸出和模擬量輸入/輸出模塊，可根據水廠控制單元多、采集數據大的特點，任意組合。而對于更高等級的PLC 控制站，例如加藥間PLC 站、反沖洗泵房站PLC 站等，作為對現場控制站、現場設備的信息采集和控制的區域主站，使用的是性能更高等級的M580型號的PLC，具有更高等級的應用程序執行速度和數據存儲容量，確保向上位機的信息反饋。

為保證廠區信息傳輸的可靠性和穩定性，廠區采用光纖環網的數據傳輸模式，保證信息的時效性和不間斷性。并且使用型號為SICOM3000-2GX8T 千兆光交換機，以達到光纖環網的傳輸模式的要求，使用其電口采集現場PLC 數據，轉換光口傳輸給下一環網鏈點，最終傳到中控系統上位機。

3 濾池恒水位控制系統

3.1 濾池基本情況

濾池是凈水工藝流程中的決定水質的其中一個關鍵部分，其主要是利用石英砂對待濾水進行過濾，控制設備主要為閥門，如進水閘板閥、排水閘板閥、濾后出水蝶閥、氣水反沖蝶閥等，重要的一點是濾池的閥門均為氣動閥，空壓系統提供0.4～1.0 MPa 壓力的氣源提供給各類閥門動作。廠區濾池數量多（一期10格濾池，二期12格濾池），為保證水廠凈水工藝正常運行，當局部出現故障后不影響整個濾池自動運行及調節，每格濾池均設置1個PLC 現場控制臺，并在一、二期各設置一PLC 主站連入光纖環網中。每格濾池的控制臺由M340作為控制模塊，單獨處理一格濾池的控制及信息采集、反饋，建立相對獨立、簡單的系統。PLC 柜外形為臺式結構，臺面上有手動/自動模式切換以及開/停設備的操作裝置。

3.2 恒水位系統

濾池過濾水位保持恒定是水處理生產環節的重要控制內容，濾池恒水位的過濾要求是保證待濾水流量與濾后水流量基本恒定。而濾池水位的變化是受進水量的變化、濾層阻塞值、過濾周期、待濾水濁度等因素影響的。濾池的其中一項重要功能為當濾池正常過濾時，根據濾池水位自動調節濾后出水閥開度，保證濾池水位在一恒定水位進行過濾，其控制過程為PID（比例-積分-微分系統）調節，控制模式分兩種：一種是手動模式下恒水位調節，由M340實現；另一種是自動模式下恒水位調節，由PID 調節器實現。因此用PID 閉環控制可以根據水位的變化實時控制清水調節閥的開度，把影響水量變化的條件轉化為對濾池水位的控制。每個濾池的水位和出水閥開度信號傳送至濾池控制臺的PLC 內，根據PID 運算后得出的出水閥開度信號傳送給出水閥。

在恒水位系統中，各組成執行機構如下：①模擬量輸入/輸出模塊BMXAMM0600：采集現場信號傳輸至PLC 的CPU 模塊，經過處理后，輸出信號控制執行部件動作。②虹潤NHR PID 調節器：采用微分先行的控制算法，與各類傳感器、變送器配合使用，實現對溫度、壓力、液位等物理量的測量顯示，并配合各種執行器電磁、電動閥進行PID 調節和控制。③出水調節閥：采用氣動方式驅動的蝶閥，配備DC24V 二位五通電磁閥作為動作單元。為反饋閥門實際位置，配備閥門定位器，可輸入/輸出4-20 mA的模擬量電信號，用于反饋調節閥門位置。④液位計：超聲波液位計（一體式）輸出4-20 mA 的模擬量信號。

3.3 調節原理

濾池PLC 操作臺可進行手動/自動模式切換，手動模式下由操作臺上旋鈕開關控制各閥門開閉，自動模式下則由PLC 處理控制閥門開閉，手動、自動模式下均可實現恒水位運行。恒水位調節本質為一閉環控制系統。

根據濾池尺寸大小、石英砂濾層厚度、最大限位水位等條件，設置合適水位設定值為一恒定參數。手動模式下，液位計檢測當前水位并轉換為4-20 mA 信號，輸入給PID 調節器，當前測量值與設定值比較后，再經過調節器內部設定的參數進行整定處理，輸出4-20 mA 信號給出水閥定位器，控制氣源大小，調節出水閥開度，使濾池水位變化直到與設定值偏差越來越小。同樣，在自動模式下，液位計采集當前液位，經過調節器傳給PLC，PID 調節器輸出端斷開，改為PLC 模擬量輸出，由PLC 內部PID 控制塊編程實現PID 調節。

4 恒壓供水系統

水廠恒壓供水是凈水工藝的重要一環，送水水壓的穩定和調節直接影響到管網，為提高生產效率及安全性，改善工藝條件，恒壓供水系統的建立對于現代化水廠是必不可少的。恒壓供水的自動調節系統的組成主要有：控制模塊M580型號PLC、變頻器、變頻泵、定速泵以及現場儀表。

4.1 調節原理

M580作為控制模塊，使用其內部編程PID 控制塊作為恒壓供水的調節核心。變頻器采用的是新風光JD-BP33系列變頻器，自帶控制模塊（即CPU 與控制端子），RS485接口及開閉環工作模式。壓力變送器輸出4～20 mA 模擬電信號。送水水泵配備3 臺1150 kW 變頻泵與變頻器配套使用，以及2臺900 kW定速電機、1臺1120 kW 定速電機。恒壓供水的系統主要由3臺變頻泵調節出水管道壓力。

中控室人員可將出水壓力通過計算機人機界面輸入到PLC，PLC 將當前測量出水壓力與設定壓力做比較，經過計算整定，輸出模擬信號給變頻器，輸出的4～20 mA 信號對應變頻器0～50 Hz 頻率，調節水泵轉速，達到出水壓力與設定壓力值偏差變小，實現閉環控制。

4.2 后期改造

由于供水壓力的調節受很多因素影響，例如白天/晚上的供水量高低峰差異，季節性供水量差異，城鎮建設供水量日益增長，管網突發應急事件等因素，基于變頻調壓的恒壓供水系統可改造成，基于變頻調壓與定速啟動結合的恒壓供水系統。設定壓力設定值（Pset），當前壓力值（Pout）[1]。當Pout＜Pset時，PID調節器（PLC）調大變頻器頻率，當變頻器頻率調至最大值時，當前壓力仍然小于設定壓力，則延時啟動定速泵，并將變頻器頻率調至合適值。當Pout≥Pset時，PID 調節器（PLC）調小變頻器頻率，當變頻器頻率調至最小值時，當前壓力仍然大于設定壓力，則延時停止定速泵，并將變頻器頻率調至合適值。

由于采用加減泵的方式進行恒壓供水，為避免頻繁啟停水泵，造成對水泵電機及廠區電網的影響，在使用這種模式恒壓供水的時候，需要考慮以下因素：①上、下限頻率的持續時間，本系統增減水泵是以頻率是否達到上限/下限作為參考條件，當供水水壓不穩定時會造成短時間內壓力波動，因此需要設置頻率達到上限/下限的持續時間，才能判斷當前供水壓力是否真的是高于/低于壓力設定值，而不是因為水壓不穩定造成誤判，減少水泵頻繁啟停。②自動啟停時，需要對水泵的啟停做安全啟停條件處理，確保PLC對各種閥門到位信號，控制柜電流、電壓采集，故障保護等信號為水泵啟停的條件。

4.3 泵房節能設想

由于泵房水泵電機配備多樣，電機是主要的用能設備，當前泵房共有6臺流量、功率、類型不同的水泵，在保證供水量的前提下，可以根據供水量設置不同機組搭配方式進行供水，計算出電機最小負荷，達到節能目的。

變頻泵工作在高效頻率區間范圍：1#、2#、3#機組為變頻泵，送水流量5 760 m3/h，額定功率1 150 kW。變頻泵的投入運行，可根據需要調節供水量，達到節能效果。為達到變頻泵效益最大，需要設置變頻器輸出頻率在高效區間，影響因素是變壓器負荷率，變頻泵變壓器使用的是KTMU 12 NA 1600 型油式變壓器，按照最佳經濟運行狀態，變壓器負荷率應在70%～80%，即容量為Srt，范圍1 120～1 280 kVA，考慮電機經過變頻器電容補償后，取功率因數為cosφ=0.9，變頻電機額定功率為P=1150 kW，變頻器頻率上下限位0～50 Hz，設頻率為f，經過式計算得頻率范圍為43.8 Hz≤f≤50.0 Hz。由于變頻泵主要功能為實現水量調節，若以50 Hz 額定功率長時間運行，則與定速泵作用相似，水量調節效果和節能效果不大，因此選擇以43.8 Hz 頻率為基礎調節。

4#、5#、6#號機組為定速泵，4#水泵送水流量6 516 m3/h，額定功率1 120 kW，5#、6#水泵送水流量5 760 m3/h，額定功率900 kW。其區別在于4#機組相對于5#、6#號機組，水泵流量、電機功率較大。流量差值約800 m3/h，功率差值為220 kW。可以利用水泵的參數差值，實現節能效果：變頻泵工作在最佳頻率范圍的最小值時，需要調小流量，PLC 控制系統自動選擇并切換4#機組水泵電機。當變頻泵工作在最佳頻率范圍的最大值時，需要增大流量，PLC 控制系統自動選擇切換至5#/6#機組水泵電機。保證變頻泵工作在經濟運行區內，選擇最優的定速泵配合使用，實現節能效果。

5 結束語

水廠自動化工藝復雜多樣，每項自動化控制工藝需要結合各個水廠的凈水工藝和管理要求，才能發揮自動化控制系統的最大效益。文章主要針對水廠的自動化控制方向，以及濾池恒水位、恒壓供水的調節過程原理作簡單介紹。整個方案安全可靠、經濟適用，適合管理和維護。水廠自動化控制系統工藝發展迅速，需要我們不斷學習研究，相信通過各個水廠的努力，可以把水廠自動化系統發揮得更好，建立較完善供水的體系。