張斌

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)的設(shè)計及實施

張斌

（天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

以某凈水廠V型濾池為例，詳細闡述了濾池自控系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程，說明自動化控制系統(tǒng)的控制水平直接決定著凈水廠的生產(chǎn)效率和出水水質(zhì)。

凈水廠；V型濾池；自控系統(tǒng)；恒水位等速控制；自動反沖洗控制

1 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城鎮(zhèn)化的發(fā)展和人口數(shù)量的增加，對城市安全供水能力和相應(yīng)要求都有所提高，為了緩解不斷增加的城市安全供水壓力，全面提高供水水質(zhì)及供水水量，各地紛紛開始建設(shè)凈水廠。濾池是地表凈水廠水處理的核心工藝處理工序，其生產(chǎn)運行的效果直接影響水廠的生產(chǎn)效率和出水水質(zhì)的指標。濾池技術(shù)發(fā)展至今，種類繁多，有無閥濾池、雙閥濾池、普通快濾池、V型均質(zhì)濾池等，其中V型均質(zhì)濾池由于其進水槽形狀呈V字形而得名，是快濾池的一種，采用均勻的石英砂濾層，分布較粗厚，具有出水水質(zhì)好、運行周期長、濾速高、自動化程度高等特點，近年來應(yīng)用越來越廣泛，因此，設(shè)計和實施好凈水廠V型濾池的自動化控制系統(tǒng)，對提高水廠運行效率和產(chǎn)品水質(zhì)有著極其重要的作用，本文就以某凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)為例，詳細闡述其自控系統(tǒng)的設(shè)計和實施過程。

2 V型濾池生產(chǎn)控制任務(wù)

2.1工藝要求

一般新建凈水廠根據(jù)生產(chǎn)水量要求，每一期按照6個或者8個V型濾格池規(guī)模建設(shè)，每格安裝有1個超聲波液位計、1個阻塞儀，1個濁度儀，每個濾池單元格均有各自的進水閥、出水閥、反沖進氣閥、排氣閥、反沖進水閥、反沖排水閥。公用部分用于氣沖的鼓風機有3臺（兩用一備），用于水沖的3臺反沖洗泵（兩用一備），2臺空氣壓縮機（一用一備），1臺干燥器，濾池控制模型圖如圖1所示。

圖1濾池控制模型圖

待濾水從上級平流沉淀池進入濾池的各單元濾格，經(jīng)石英沙恒速過濾后，再進入清水池。過濾的工藝要求每個濾格內(nèi)的水位保持在濾料上方1.2m處，經(jīng)過大量實踐證明，在這個水位上，過濾的效果最好。為實現(xiàn)等速恒水位過濾，就需要根據(jù)濾池水位的變化來調(diào)節(jié)出水閥的開啟度以控制濾池出水量的大小。而當濾池的運行達到滿足反沖洗的約束條件時，就需要進行反沖洗來清潔濾沙。反沖洗是通過控制濾池進水閥、出水閥、反沖進氣閥、排氣閥、反沖進水閥、排污閥并運行反沖水泵、空壓機等設(shè)備來實現(xiàn)的。

因此，濾池控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是過濾時的等速恒液位控制和清潔過濾砂時的反沖洗控制，過濾和反沖洗不斷循環(huán)交替進行。

2.2對控制系統(tǒng)的性能指標要求

（1）實現(xiàn)自動恒水位過濾，誤差:±10mm；

（2）根據(jù)下列約束條件之一，能正確地實現(xiàn)自動反沖洗:①過濾時間達到反沖洗設(shè)定周期（如48hour）仍未反沖洗的；②過濾水頭損失值到達設(shè)定值（150）且延時時間（15min）已到，仍未反沖洗的；③出水濁度達到設(shè)定值且延時時間（5min鐘）已到，仍未反沖洗的；④強制反沖洗按鈕被觸發(fā)；

（3）反沖洗周期、反沖洗過程中各步驟的時間均可通過程序設(shè)定，滿足工藝及實際操縱要求。

（4）能直觀顯示濾池過濾水位、水頭損失及出水閥開啟度，同時顯示反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門等的開關(guān)狀態(tài)。

（5）對反沖洗設(shè)備、本地濾池閥門及反沖洗過程既可以實現(xiàn)全自動控制，也可以進行手動控制。

3自控系統(tǒng)的構(gòu)成

水廠設(shè)有中心控制室，設(shè)監(jiān)控計算機和工程師計算機各一臺，上位機軟件采用WinCC7.0，下位機編程軟件為Step7 V5.5 Pro，PLC控制主機選用S7-300系列的315-2PN／DP CPU，系統(tǒng)按照分散控制、集中管理的原則進行布置和配置，共設(shè)計了3個PLC就地控制站即PLC1、PLC2和PLC3，按照控制功能劃分，PLC1主要監(jiān)控粗、細格柵機及平流沉淀池部分現(xiàn)場設(shè)備及在線儀表，PLC2主要監(jiān)控各個濾池的閥門及液位、濁度、阻塞儀等現(xiàn)場設(shè)備及在線儀表，PLC3主要監(jiān)控空氣壓縮機、自用水泵、反洗水泵、送水泵及在線儀表。中心控制室和下面PLC1到PLC3就地控制站之間的通訊主干網(wǎng)通過4芯多模光纖組成工業(yè)快速以太網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)，其余被控設(shè)備按照就近原則直接接入最近的控制站即可進入系統(tǒng)。

為了節(jié)省電纜和控制方便，每個濾池布置1面閥島箱，通過閥島自帶的Profibus-DP接口接入PLC2的控制網(wǎng)絡(luò)中。由于反沖洗水泵及空壓機按照就近原則均已接入PLC3系統(tǒng)中，為實現(xiàn)濾池的反沖洗控制過程，在PLC2中就需要實現(xiàn)對反沖洗水泵、空壓機及相關(guān)閥門的控制，在以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過在PLC2和PLC3之間建立以太網(wǎng)通訊方式直接從PLC3系統(tǒng)中將需要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行雙向傳輸，實現(xiàn)讀寫相應(yīng)數(shù)據(jù)塊完成反沖洗過程。每個閥島箱配置1塊觸摸屏以便于就地進行操作，閥島箱選用最新推出的EX600系列模塊，其具體配置及PLC2濾池自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

每個濾池的6個閥門和液位計、濁度儀、阻塞儀及出口調(diào)節(jié)閥的自動控制均通過以上模塊來實現(xiàn)濾池的等速恒水位過濾及反沖洗控制過程。

4系統(tǒng)控制過程方法

要滿足水處理工藝要求必須完成V型濾池運行的自動控制，自動控制包括兩個方面:一是自動控制等速恒水位過濾，簡稱過濾控制；二是每個濾池單元格按照工藝處理要求而設(shè)計的反沖洗條件，對于滿足反沖洗條件的濾池單元格自動運行反沖洗控制過程，并在反沖洗結(jié)束后能自動恢復(fù)到正常過濾狀態(tài)，簡稱反沖洗控制。

4.1濾池等速恒水位控制

在自動過濾狀態(tài)下，濾池在過濾過程中，PLC依據(jù)超聲波液位計測得的濾池水位的變化，通過將水位作為反饋量，用PID動態(tài)調(diào)整濾池出水閥的開度，以保證濾池水位在過濾過程中相對穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過程不受濾料堵塞程度和濾池進水量變化的影響。只要調(diào)試好PID運行參數(shù)，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)運行，濾池液位完全可控制在±10mm波動范圍以內(nèi)，在加藥系統(tǒng)的輔助下，保證出廠水水質(zhì)指標達到規(guī)定要求，上位機設(shè)定和調(diào)節(jié)界面如圖3所示。

圖3上位機設(shè)定和調(diào)節(jié)界面圖

4.2濾池反沖洗控制

依據(jù)凈水廠控制工藝的要求，確定每個濾池單元格的最大過濾時間，在濾池單元格開始過濾時開始計時，①當過濾時間大于設(shè)定的最大過濾時間時，立即觸發(fā)該濾池的反沖洗請求；②依據(jù)過濾水頭損失值到達設(shè)定值并到達設(shè)定的延時時間之后，立即觸發(fā)該濾格的反沖洗請求；③依據(jù)出水濁度達到設(shè)定值且到達定設(shè)定的延時時間之后，立即觸發(fā)該濾格的反沖洗請求；④由操作人員通過鼠標或鍵盤發(fā)出強制反沖洗命令。PLC2 CPU根據(jù)每個濾池單元格發(fā)出的反沖洗請求的先后順序來自動安排排隊（先進先出的原則），依次完成各個濾池單元格的反沖洗任務(wù)，直至隊列為空為止。每個濾格的反沖洗均完成以下階段內(nèi)容，每階段可按照季節(jié)不同，可隨時調(diào)節(jié)各個處理階段的時間長短，以滿足實際控制需要。

（1）準備階段

關(guān)閉進水閥，繼續(xù)過濾將濾池內(nèi)水位降至排水堰頂，以節(jié)約用水，減少排水量。

（2）氣洗階段

程序設(shè)定時間，其作用是打碎濾池表面的泥層，將雜質(zhì)從濾料顆粒上剝離脫落，同時進行表面掃洗除去上浮的部分泥漿，并置換污水，在氣洗階段啟動空壓機，并部分打開排污閥，進行液池表洗。

（3）氣水混沖洗階段

進一步剝離濾料上的固體懸浮物，并及時將部分污物沖出濾層，同時表面掃洗，加強水的橫向流動及時排除懸浮固體。氣沖混沖階段，繼續(xù)運行空壓機，并線開啟1臺反沖洗水泵，同時打開反沖洗閥。

（4）水沖洗階段

關(guān)閉空壓機，單獨進行水沖、漂洗，同時進行表面的掃洗，加強置換污水，此階段關(guān)閉氣沖閥。

（5）結(jié)束階段

停止水漂洗，打開進水閥，關(guān)閉排污閥，當濾池水位上升達到一定值時，打開PID調(diào)節(jié)器，由PID依據(jù)濾池液位自動調(diào)節(jié)濾池出水閥的開度，直接進入恒水位等速過濾階段。

5結(jié)束語

全自動等速恒水位過濾和全自動反沖洗控制對濾池的運行效率有著直接影響，本控制系統(tǒng)以S7-300 PLC控制器為核心，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建了凈水廠V型濾池自控系統(tǒng)，編制了濾池正常自動生產(chǎn)和反沖洗控制程序，該系統(tǒng)自投入運行后，自控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，等速恒水位過濾誤差控制水平良好，自動排隊反沖洗正常，完全實現(xiàn)了濾池全自動化控制和無人值守，最大程度降低了操作人員的勞動強度，不僅提高了生產(chǎn)效率，保證了濾池的出水水質(zhì)，也降低了水廠能耗，給水廠帶來了非?？捎^的經(jīng)濟效益。

［1］陳宏景.V型濾池新工藝的應(yīng)用［J］.福建建設(shè)科技，2006.

［2］濾池氣水沖洗設(shè)計規(guī)程［S］.中國工程建設(shè)標準化協(xié)會，2010.

［3］崔 堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］.機械工業(yè)出版社，2005.

Design and implementation of automatic control system for type V water filter pool in water purification plant

ZHANG Bin
（Tianshui Electric Drive Research Institute Co.，Ltd.，Tianshui 741020，China）

Taking a type V water filter pool in water purification plant as an example，the design and implementation process of the automatic control system for the type V water filter pool is detailed.It is illustrated and proved that the control level of the automatic control system directly determines the production efficiency of the water purification plant and the quality of the output water.

water purification plant；type V water filter pool；automatic control system；constant water level and constant speed control；automatic backwashing control

TP273

B

張 斌（1971-），男，漢族，甘肅天水人，就職于天水電氣傳動研究所有限責任公司，從事自動化控制方面的研究設(shè)計工作。

2016-05-15

1005—7277（2016）03—0048—03