楊舜杰

（上海自來(lái)水市北公司滬北供水管理所，上海200063）

1 水廠控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

上海某水廠工程控制系統(tǒng)由中央控制室的一套主站系統(tǒng)、廠區(qū)六個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成，系統(tǒng)采用“分級(jí)控制”策略，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)三級(jí)控制，依次為基本級(jí)（配電柜）、就地級(jí)（現(xiàn)場(chǎng)分控站）和中央級(jí)（水廠中控室），是一個(gè)多級(jí)控制系統(tǒng)。中央控制室監(jiān)控系統(tǒng)操作平臺(tái)是Windows2000，采用Intouch組態(tài)軟件作為系統(tǒng)的SCADA軟件環(huán)境，并配以成熟的切合水廠生產(chǎn)工藝要求的應(yīng)用軟件以及PLC控制應(yīng)用軟件，監(jiān)控整個(gè)水廠生產(chǎn)過(guò)程。現(xiàn)場(chǎng)PLC站自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)所轄區(qū)域各儀表檢測(cè)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀況，并通過(guò)中間繼電器或現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的工藝設(shè)備進(jìn)行開(kāi)停、流量變化等控制。

2 原水泵房分控站詳細(xì)設(shè)計(jì)

原水泵房位于黃浦江畔，距離黃浦江不足20 m，是該水廠的取水頭部。泵房設(shè)二層，上層布置變配電間、值班控制室以及移動(dòng)式格柵，下層布置潛水泵井筒、出水管、閘門(mén)以及總出水渠。原水泵房分控站系統(tǒng)用于采集該泵站的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等，根據(jù)工藝要求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或直接I/O對(duì)水泵等上述設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原水泵房分控站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

泵的控制通過(guò)控制高壓控制柜的多功能保護(hù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，多功能保護(hù)器的主要功能是對(duì)水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟?？刂?、低壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等。PLC控制器可通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)向多功能保護(hù)器發(fā)送啟停信號(hào)來(lái)啟動(dòng)或停止水泵電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)，PLC控制器可通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)向多功能保護(hù)器請(qǐng)求電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

3 加藥間分控站詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 加藥間混凝劑投加工藝簡(jiǎn)介及控制系統(tǒng)組成

混凝劑從原液池通過(guò)管道進(jìn)入溶液池，在溶液池與水混合調(diào)配成符合水處理工藝要求的低濃度溶液，再經(jīng)計(jì)量泵投加到投藥點(diǎn)。在硬件組成上，系統(tǒng)采用美國(guó)RockWell公司生產(chǎn)的SLC505系列PLC，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)各種現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和上位機(jī)控制指令的執(zhí)行。工藝流程如圖2所示。

采用狀態(tài)機(jī)的思想將整個(gè)工藝過(guò)程分成若干個(gè)狀態(tài)，構(gòu)造出三個(gè)功能模塊用于實(shí)現(xiàn)各階段功能。功能模塊分別為：①溶液池配藥模塊；②溶液池調(diào)度模塊；③自動(dòng)投藥模塊。各模塊根據(jù)相關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)間的切換，然后根據(jù)所處的狀態(tài)確定各個(gè)輸出。

溶液池配藥模塊控制每個(gè)溶液池進(jìn)藥進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和攪拌器的開(kāi)停。溶液池調(diào)度模塊一方面判斷何時(shí)啟動(dòng)某一溶液池的配藥過(guò)程并及時(shí)向溶液池配藥模塊發(fā)出配藥指令；另一方面控制溶液池的出藥閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)兩溶液池的交替使用功能。自動(dòng)投藥模塊是該投藥系統(tǒng)的核心，它采用模糊控制技術(shù)，以沉淀池出水濁度偏差作為輸入變量，計(jì)量泵的頻率作為輸出變量；目標(biāo)是通過(guò)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的分析，對(duì)計(jì)量泵的頻率進(jìn)行控制從而在投藥點(diǎn)實(shí)現(xiàn)混凝劑投加量的合理投加。

3.2 溶液池配藥控制模塊

溶液池配藥工藝如圖3所示，1#和2#原液池用來(lái)存放混凝劑。設(shè)置兩個(gè)原液池是為了保證原液池維護(hù)修理時(shí)不會(huì)影響凈水的正常進(jìn)行。具體使用哪個(gè)原液池需要人工選擇。1#和2#溶液池用來(lái)存放配置好的混凝劑，它們也是進(jìn)行混凝劑配制的場(chǎng)所。某一溶液池進(jìn)行配置前須先關(guān)閉切換閥并根據(jù)目標(biāo)溶液的濃度計(jì)算所需加注混凝劑原液量。配制時(shí)，首先打開(kāi)相應(yīng)的進(jìn)藥閥，待進(jìn)藥閥開(kāi)到位時(shí)啟動(dòng)提升泵，混凝劑在提升泵作用下通過(guò)管道流進(jìn)溶液池，開(kāi)始加注；加注量達(dá)到預(yù)先計(jì)算的值后，關(guān)閉提升泵，關(guān)閉進(jìn)藥閥并打開(kāi)進(jìn)水閥，開(kāi)始加水；加水至池滿(mǎn)后關(guān)閉進(jìn)水閥，完成一池混凝劑的配制過(guò)程。

圖2 混凝劑投加工藝示意圖

為了保證凈水過(guò)程的連續(xù)性，設(shè)置了兩個(gè)溶液池交替使用。由于混凝劑長(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，影響混凝劑的使用效果，因此一池的配制應(yīng)該在另一池將要用完時(shí)進(jìn)行，并保證另一池在用完前完成整個(gè)配制過(guò)程，即必須合理調(diào)度。

圖3 溶液池配藥工藝示意圖

3.3 溶液池配藥調(diào)度模塊

溶液池調(diào)度過(guò)程中狀態(tài)設(shè)置及各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。當(dāng)配藥系統(tǒng)控制模式選擇自動(dòng)時(shí)，兩溶液池開(kāi)始配藥的時(shí)間和投入使用的時(shí)間是由溶液池調(diào)度模塊控制的。本模塊這樣決定何時(shí)啟動(dòng)一溶液池的自動(dòng)配藥過(guò)程或?qū)⒁粋溆萌芤撼赝度胧褂茫寒?dāng)一溶液池在使用中而另一溶液池在備用時(shí)，正被使用的溶液池液位會(huì)不斷下降，當(dāng)它被用光時(shí)，PLC打開(kāi)備用溶液池的切換閥，將其切換到使用狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉已空溶液池的切換閥，將其切換到空置狀態(tài)；然后，當(dāng)正被使用的溶液池液位下降到某一特定液位時(shí)啟動(dòng)空置溶液池的自動(dòng)配藥過(guò)程。該特定液位應(yīng)該能保證空置溶液池配藥完畢后使用中的溶液池藥液不會(huì)被用光，又能保證配好的藥液在使用前不會(huì)水解，具體值在調(diào)試時(shí)根據(jù)實(shí)際情況確定。為保證設(shè)備的安全性及控制程序的易實(shí)現(xiàn)性，操作人員在操作時(shí)應(yīng)保證在配藥過(guò)程中不進(jìn)行控制模式的切換。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)為初始狀態(tài)，在程序執(zhí)行的第一個(gè)周期內(nèi)會(huì)根據(jù)當(dāng)前是自動(dòng)模式或手動(dòng)模式進(jìn)行狀態(tài)切換。若為自動(dòng)模式則根據(jù)目前兩溶液池切換閥的狀態(tài)和溶液池液位進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；若為手動(dòng)模式，則轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)如果操作人員進(jìn)行了手動(dòng)及自動(dòng)模式的切換，那么無(wú)論系統(tǒng)處于何種狀態(tài)下都將先切換到初始狀態(tài)，然后再按圖4中的關(guān)系進(jìn)行狀態(tài)切換。

3.4 溶液池投藥控制模塊

溶液池投藥控制模塊由輸入輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)儀器儀表和模糊控制器組成。其中輸入、輸出接口是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)連接的橋梁，輸入接口主要與現(xiàn)場(chǎng)各種檢測(cè)儀器儀表連接，把檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識(shí)別處理的數(shù)字信號(hào)，輸出接口把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的模擬信號(hào)，該系統(tǒng)采用Rock－Well公司生產(chǎn)的SLC505系列PLC內(nèi)含模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）功能，已很好地解決了接口問(wèn)題；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置，本系統(tǒng)采用計(jì)量泵沖程控制器，可以將輸入的固定頻率的電源轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電源輸出，供給投藥計(jì)量泵電機(jī)，從而調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，控制混凝劑的投加。

4 濾池分控站詳細(xì)設(shè)計(jì)

在混凝沉淀之后，要對(duì)水進(jìn)行過(guò)濾處理。濾池過(guò)濾系統(tǒng)通過(guò)分控站PLC的PID功能自動(dòng)調(diào)節(jié)出水閥門(mén)開(kāi)度，濾池水位儀的檢測(cè)作為后饋，從而實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位過(guò)濾。恒水位過(guò)濾的目的不僅保證過(guò)濾的效果，而且保證濾后水流量盡量穩(wěn)定，便于后氯投加。反沖洗是濾池單元操作的最重要工作之一。該控制單元控制濾池的水質(zhì)周期，按一定周期自動(dòng)開(kāi)啟反沖洗閥門(mén)、反沖風(fēng)機(jī)和水泵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反沖洗。

系統(tǒng)包括有一個(gè)濾池PLC主站和8個(gè)濾格PLC子站；在中央控制室設(shè)有工程師站，通過(guò)組態(tài)軟件Intouch完成實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)功能；工程師站與PLC主站之間的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet/Ip）來(lái)完成；PLC主站和各PLC子站之間的通信通過(guò)ControlNet實(shí)現(xiàn)，主站與子站間的距離最大不超過(guò)1 km。系統(tǒng)采用美國(guó)AB公司生產(chǎn)的ControlLogix系列PLC和FlexLogix系列PLC。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 溶液池調(diào)度狀態(tài)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖5 濾池控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 排泥水處理分控站詳細(xì)設(shè)計(jì)

5.1 排泥水處理控制系統(tǒng)功能組成

由排泥水處理工藝流程圖6可知，控制系統(tǒng)需完成如下幾個(gè)功能：排泥水截留池自動(dòng)控制；自動(dòng)排放濃縮池的濃縮污泥；平衡池的污泥量自動(dòng)控制；自動(dòng)配制PAM溶液；對(duì)離心脫水機(jī)的PAM加注進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖6 排泥水處理工藝流程

5.2 截留池的運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)

截留池主要用來(lái)收集沉淀池排泥水和離心脫水機(jī)的分離水，而后由輸送泵將排泥水從截留池輸送至濃縮池。水廠采用了智能化泵吸—虹吸排泥方式，排泥時(shí)間和排泥水量都隨原水的濁度和泥沙沉降特性而變化。在截留池中安裝一個(gè)液位儀，一個(gè)攪拌器（用于均勻池中的泥水濃度，不使泥沙沉淀下來(lái)）。通過(guò)截留池液位的高和低來(lái)控制輸送泵和控制池中攪拌器的開(kāi)和停。為了對(duì)進(jìn)入濃縮池的排泥水量進(jìn)行控制，在排泥水輸送管道上安裝了一個(gè)流量計(jì)，用來(lái)反映進(jìn)入濃縮池的排泥水水量，并且采用變頻器實(shí)施對(duì)輸送泵的流量控制，達(dá)到對(duì)濃縮池進(jìn)水流量的控制。

沉淀池排泥水經(jīng)管道流入截留池，池中液位開(kāi)始上升。PLC接收來(lái)自截留池液位儀的信號(hào)，當(dāng)達(dá)到某一高度后，PLC發(fā)出指令，開(kāi)啟輸送泵，排泥水由輸送泵送至濃縮池，輸送量則由流量計(jì)顯示并反饋到PLC，PLC可通過(guò)變頻器對(duì)輸送泵進(jìn)行流量控制。

5.3 濃縮池的運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)

濃縮池一旦進(jìn)水即開(kāi)始運(yùn)行。池中的濃度計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)池中某點(diǎn)位污泥濃度的變化，信號(hào)隨時(shí)反饋給PLC。當(dāng)達(dá)到某一濃度后，PLC發(fā)出指令開(kāi)啟濃縮池至平衡池的排泥泵，較高濃度的濃縮污泥就被送入平衡池積蓄起來(lái)。沉淀池停止排泥之后，截留池的水位會(huì)慢慢下降，PLC收到截留池低液位信號(hào)后發(fā)出指令，停止輸送泵運(yùn)作，濃縮池也停止運(yùn)行。但排泥泵的運(yùn)行會(huì)降低濃縮池內(nèi)污泥濃度，PLC在收到濃縮池濃度計(jì)的低濃度信號(hào)后即發(fā)出指令，停止排泥泵運(yùn)行。

5.4 平衡池的運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)

平衡池的運(yùn)行主要通過(guò)對(duì)濃縮池排泥泵的限定設(shè)置以及對(duì)離心機(jī)進(jìn)料污泥泵的限定設(shè)置來(lái)控制。在實(shí)際運(yùn)作中，設(shè)置排泥泵的啟動(dòng)液位為3.0 m，停止為3.5 m。這樣，整個(gè)排泥水的收集、濃縮、積蓄就在PLC控制下周而復(fù)始，自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)人操作。

5.5 離心脫水機(jī)及加藥量的自控

離心脫水機(jī)的作用是將濃縮污泥進(jìn)行固液分離，是固液分離好壞的關(guān)鍵脫水機(jī)械。要使泥與水能很好地分離，除了離心機(jī)的轉(zhuǎn)速、差速控制因素之外，PAM投加量的自動(dòng)控制是至關(guān)重要的。投加量的控制涉及到進(jìn)泥量、進(jìn)泥濃度、加注量和加注率的選定。對(duì)這些問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路是：①對(duì)進(jìn)泥濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在平衡池中安裝了一個(gè)污泥濃度計(jì)，以顯示進(jìn)入離心機(jī)的濃縮污泥濃度；②對(duì)進(jìn)泥量進(jìn)行監(jiān)控，在進(jìn)泥管道上安裝一個(gè)流量計(jì)，在污泥泵上加一個(gè)變頻器控制，以控制進(jìn)泥量；③加注量則采用計(jì)量加注泵來(lái)控制PAM絮凝劑的加注，PAM絮凝劑則完全由PAM自動(dòng)配制系統(tǒng)供應(yīng)，這樣能完美地實(shí)施離心脫水機(jī)和加藥量的自動(dòng)控制。

PLC收到離心機(jī)開(kāi)啟信號(hào)后，延時(shí)發(fā)出指令，自動(dòng)開(kāi)啟離心機(jī)進(jìn)泥泵、PAM加注計(jì)量泵和螺旋輸送器，并接受來(lái)自進(jìn)泥流量計(jì)和加注計(jì)量泵的信號(hào)。根據(jù)平衡池污泥濃度計(jì)的數(shù)值、進(jìn)泥流量計(jì)的數(shù)值、PAM配制濃度、最佳加注率，就可以確定計(jì)量投加泵的流量，并通過(guò)PLC設(shè)置。這樣PLC自動(dòng)控制PAM加注泵變頻器的設(shè)定頻率值以控制投加量，離心脫水機(jī)對(duì)濃縮污泥的固液分離就可自動(dòng)進(jìn)行。

在實(shí)際運(yùn)行中，PAM投加量的確定須依據(jù)進(jìn)泥量和進(jìn)泥濃度而定，加注率一般設(shè)定在1.0～1.5 kg/t干泥。

對(duì)所有泵都配有報(bào)警裝置和備用泵并通過(guò)PLC控制，一旦運(yùn)行泵發(fā)生故障，報(bào)警信號(hào)發(fā)至PLC，則PLC會(huì)自動(dòng)控制切換備用泵運(yùn)行，以保證在對(duì)故障泵進(jìn)行維修時(shí)不影響系統(tǒng)的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，采用PLC作為中央控制，配以液位儀、濃度計(jì)、流量計(jì)作為一級(jí)儀表組合，自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況，并將監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)送到PLC。PLC發(fā)出指令，指令會(huì)通過(guò)中間開(kāi)關(guān)繼電器和變頻器，對(duì)系統(tǒng)的泵等設(shè)備進(jìn)行開(kāi)停、流量變化等控制，以達(dá)到運(yùn)行的高度自動(dòng)化。通過(guò)PLC上的觸摸屏，也可以隨時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以達(dá)到最佳運(yùn)行條件。