楊舜杰

（上海自來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)六個現(xiàn)場控制站組成，系統(tǒng)采用“分級控制”策略，現(xiàn)場設(shè)備設(shè)三級控制，依次為基本級（配電柜）、就地級（現(xiàn)場分控站）和中央級（水廠中控室），是一個多級控制系統(tǒng)。中央控制室監(jiān)控系統(tǒng)操作平臺是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)控整個水廠生產(chǎn)過程?，F(xiàn)場PLC站自動連續(xù)監(jiān)測所轄區(qū)域各儀表檢測參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀況，并通過中間繼電器或現(xiàn)場工業(yè)總線，對系統(tǒng)的工藝設(shè)備進(jìn)行開停、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式格柵，下層布置潛水泵井筒、出水管、閘門以及總出水渠。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)工藝要求通過網(wǎng)絡(luò)或直接I/O對水泵等上述設(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

泵的控制通過控制高壓控制柜的多功能保護(hù)器來實(shí)現(xiàn)，多功能保護(hù)器的主要功能是對水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟停控制、低壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)等。PLC控制器可通過PROFIBUS現(xiàn)場總線向多功能保護(hù)器發(fā)送啟停信號來啟動或停止水泵電機(jī)的運(yùn)行，同時，PLC控制器可通過PROFIBUS總線向多功能保護(hù)器請求電壓、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介及控制系統(tǒng)組成

混凝劑從原液池通過管道進(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RockWell公司生產(chǎn)的SLC505系列PLC，用于實(shí)現(xiàn)對各種現(xiàn)場采集信號的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)的思想將整個工藝過程分成若干個狀態(tài)，構(gòu)造出三個功能模塊用于實(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自動投藥模塊。各模塊根據(jù)相關(guān)輸入信號進(jìn)行狀態(tài)間的切換，然后根據(jù)所處的狀態(tài)確定各個輸出。

溶液池配藥模塊控制每個溶液池進(jìn)藥進(jìn)水閥門的開關(guān)和攪拌器的開停。溶液池調(diào)度模塊一方面判斷何時啟動某一溶液池的配藥過程并及時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，實(shí)現(xiàn)兩溶液池的交替使用功能。自動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)是通過對水質(zhì)參數(shù)的分析，對計(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#原液池用來存放混凝劑。設(shè)置兩個原液池是為了保證原液池維護(hù)修理時不會影響凈水的正常進(jìn)行。具體使用哪個原液池需要人工選擇。1#和2#溶液池用來存放配置好的混凝劑，它們也是進(jìn)行混凝劑配制的場所。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，首先打開相應(yīng)的進(jìn)藥閥，待進(jìn)藥閥開到位時啟動提升泵，混凝劑在提升泵作用下通過管道流進(jìn)溶液池，開始加注；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)藥閥并打開進(jìn)水閥，開始加水；加水至池滿后關(guān)閉進(jìn)水閥，完成一池混凝劑的配制過程。

圖2 混凝劑投加工藝示意圖

為了保證凈水過程的連續(xù)性，設(shè)置了兩個溶液池交替使用。由于混凝劑長時間放置會發(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進(jìn)行，并保證另一池在用完前完成整個配制過程，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)控制模式選擇自動時，兩溶液池開始配藥的時間和投入使用的時間是由溶液池調(diào)度模塊控制的。本模塊這樣決定何時啟動一溶液池的自動配藥過程或?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，正被使用的溶液池液位會不斷下降，當(dāng)它被用光時，PLC打開備用溶液池的切換閥，將其切換到使用狀態(tài)，同時關(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啟動空置溶液池的自動配藥過程。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被用光，又能保證配好的藥液在使用前不會水解，具體值在調(diào)試時根據(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，操作人員在操作時應(yīng)保證在配藥過程中不進(jìn)行控制模式的切換。系統(tǒng)開始運(yùn)行時為初始狀態(tài)，在程序執(zhí)行的第一個周期內(nèi)會根據(jù)當(dāng)前是自動模式或手動模式進(jìn)行狀態(tài)切換。若為自動模式則根據(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；若為手動模式，則轉(zhuǎn)換到手動模式狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時如果操作人員進(jìn)行了手動及自動模式的切換，那么無論系統(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)場各種檢測儀器儀表連接，把檢測信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識別處理的數(shù)字信號，輸出接口把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的模擬信號，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題；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是模糊控制器向被控對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，要對水進(jìn)行過濾處理。濾池過濾系統(tǒng)通過分控站PLC的PID功能自動調(diào)節(jié)出水閥門開度，濾池水位儀的檢測作為后饋，從而實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位過濾。恒水位過濾的目的不僅保證過濾的效果，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，按一定周期自動開啟反沖洗閥門、反沖風(fēng)機(jī)和水泵，實(shí)現(xiàn)自動反沖洗。

系統(tǒng)包括有一個濾池PLC主站和8個濾格PLC子站；在中央控制室設(shè)有工程師站，通過組態(tài)軟件Intouch完成實(shí)時控制和監(jiān)測功能；工程師站與PLC主站之間的數(shù)據(jù)傳遞通過工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet/Ip）來完成；PLC主站和各PLC子站之間的通信通過ControlNet實(shí)現(xiàn)，主站與子站間的距離最大不超過1 km。系統(tǒng)采用美國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)需完成如下幾個功能：排泥水截留池自動控制；自動排放濃縮池的濃縮污泥；平衡池的污泥量自動控制；自動配制PAM溶液；對離心脫水機(jī)的PAM加注進(jìn)行自動控制。

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液位儀，一個攪拌器（用于均勻池中的泥水濃度，不使泥沙沉淀下來）。通過截留池液位的高和低來控制輸送泵和控制池中攪拌器的開和停。為了對進(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流量計(jì)，用來反映進(jìn)入濃縮池的排泥水水量，并且采用變頻器實(shí)施對輸送泵的流量控制，達(dá)到對濃縮池進(jìn)水流量的控制。

沉淀池排泥水經(jīng)管道流入截留池，池中液位開始上升。PLC接收來自截留池液位儀的信號，當(dāng)達(dá)到某一高度后，PLC發(fā)出指令，開啟輸送泵，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可通過變頻器對輸送泵進(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)水即開始運(yùn)行。池中的濃度計(jì)連續(xù)監(jiān)測池中某點(diǎn)位污泥濃度的變化，信號隨時反饋給PLC。當(dāng)達(dá)到某一濃度后，PLC發(fā)出指令開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。沉淀池停止排泥之后，截留池的水位會慢慢下降，PLC收到截留池低液位信號后發(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)行主要通過對濃縮池排泥泵的限定設(shè)置以及對離心機(jī)進(jìn)料污泥泵的限定設(shè)置來控制。在實(shí)際運(yùn)作中，設(shè)置排泥泵的啟動液位為3.0 m，停止為3.5 m。這樣，整個排泥水的收集、濃縮、積蓄就在PLC控制下周而復(fù)始，自動運(yùn)行，無人操作。

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。對這些問題的設(shè)計(jì)思路是：①對進(jìn)泥濃度進(jìn)行監(jiān)測，在平衡池中安裝了一個污泥濃度計(jì)，以顯示進(jìn)入離心機(jī)的濃縮污泥濃度；②對進(jìn)泥量進(jìn)行監(jiān)控，在進(jìn)泥管道上安裝一個流量計(jì)，在污泥泵上加一個變頻器控制，以控制進(jìn)泥量；③加注量則采用計(jì)量加注泵來控制PAM絮凝劑的加注，PAM絮凝劑則完全由PAM自動配制系統(tǒng)供應(yīng)，這樣能完美地實(shí)施離心脫水機(jī)和加藥量的自動控制。

PLC收到離心機(jī)開啟信號后，延時發(fā)出指令，自動開啟離心機(jī)進(jìn)泥泵、PAM加注計(jì)量泵和螺旋輸送器，并接受來自進(jìn)泥流量計(jì)和加注計(jì)量泵的信號。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PLC設(shè)置。這樣PLC自動控制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)對濃縮污泥的固液分離就可自動進(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。

對所有泵都配有報警裝置和備用泵并通過PLC控制，一旦運(yùn)行泵發(fā)生故障，報警信號發(fā)至PLC，則PLC會自動控制切換備用泵運(yùn)行，以保證在對故障泵進(jìn)行維修時不影響系統(tǒng)的連續(xù)自動運(yùn)行。

6 結(jié)束語

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)作為一級儀表組合，自動連續(xù)監(jiān)測運(yùn)行狀況，并將監(jiān)測值實(shí)時送到PLC。PLC發(fā)出指令，指令會通過中間開關(guān)繼電器和變頻器，對系統(tǒng)的泵等設(shè)備進(jìn)行開停、流量變化等控制，以達(dá)到運(yùn)行的高度自動化。通過PLC上的觸摸屏，也可以隨時對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以達(dá)到最佳運(yùn)行條件。