蔣維慎

（廣西綠城水務(wù)股份有限公司）

自動(dòng)控制技術(shù)在河南水廠30萬(wàn)t氣水反沖濾池的應(yīng)用

蔣維慎

（廣西綠城水務(wù)股份有限公司）

本文總結(jié)了自動(dòng)控制技術(shù)在河南水廠改造擴(kuò)建的氣水反沖濾池使用經(jīng)驗(yàn)，并提出控制參數(shù)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)值及在使用中遇到問(wèn)題和解決途徑。

氣水反沖濾池；PLC；現(xiàn)場(chǎng)控制站；儀表

引言

河南水廠改擴(kuò)建工程于2013年開始動(dòng)工，2015年8月過(guò)濾能力為30萬(wàn)t的氣水反沖濾池投入使用。該濾池共有14格子濾池，均采用自動(dòng)控制模式運(yùn)行，因此自動(dòng)控制技術(shù)在濾池自動(dòng)運(yùn)行上的順利應(yīng)用尤為重要。

1 氣水反沖濾池及反沖洗站自動(dòng)控制說(shuō)明

1.1 氣水反沖濾池及反沖洗站工藝總述

濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)在此工藝流程中需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)濾速和完成自動(dòng)反沖洗及參數(shù)采集顯示的功能。濾池子站與反沖泵房主站通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，主站主要用來(lái)控制鼓風(fēng)機(jī)、反沖泵空壓機(jī)及其他設(shè)備，子站主要用來(lái)監(jiān)控各濾池的運(yùn)行狀態(tài)，控制濾池水位，判斷是否需要反沖洗。

1.2 工藝過(guò)程

原水經(jīng)過(guò)沉淀后成為待濾水進(jìn)入配水總渠-單格進(jìn)水閘門-V形槽-石英砂濾層-礫石承托層-長(zhǎng)柄濾頭-單格集水渠-清水出水閥（可調(diào)）出水穩(wěn)流井-清水總渠-出水總渠進(jìn)入清水池，濾池采用恒水位等速過(guò)濾運(yùn)行方式，每格濾池設(shè)有液位計(jì)采集液位，用以對(duì)各濾格清水閥開啟度進(jìn)行控制，使濾池水位保持相對(duì)恒定。當(dāng)濾池運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著濾出懸浮物在濾層間堆積，濾料水阻力逐漸增大，此時(shí)雖然濾后水濁度不會(huì)發(fā)生大的變化，但如果不及時(shí)反沖洗，水阻力也會(huì)增大，造成過(guò)濾水氣阻，出水水質(zhì)變差，濾料污染，濾速下降，因此必需要對(duì)濾池進(jìn)行反沖洗。在進(jìn)行反沖洗時(shí)，首先打開濾池的氣洗閥，啟動(dòng)兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)（其中一臺(tái)為工頻運(yùn)行，一臺(tái)為變頻運(yùn)行），對(duì)濾池進(jìn)行氣沖洗；氣沖洗完成后，啟動(dòng)兩臺(tái)水泵（其中一臺(tái)為工頻運(yùn)行，一臺(tái)為變頻運(yùn)行），對(duì)濾池進(jìn)行氣水聯(lián)合沖洗；最后關(guān)閉兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，僅開啟兩臺(tái)水泵對(duì)濾池進(jìn)行水沖洗。反沖洗水配水由濾后水匯集到吸水井，自DN600反沖洗管進(jìn)入濾池水渠，通過(guò)出水管道將水流從下往上均勻分布通過(guò)濾池。氣水反沖濾池濾料上部設(shè)有排水槽，反沖洗水經(jīng)過(guò)排水槽排水。濾池反沖完成后關(guān)閉氣沖閥、反沖閥、排水閥，打開初濾閥排放初濾水，打開余氣閥排氣，結(jié)束排放初濾水后，恢復(fù)運(yùn)行。

2 每格濾池配備子站和控制儀表、控制設(shè)備及變量

2.1 子站變量

濾池共有14個(gè)濾格，每個(gè)濾格均采用一個(gè)I/O子站對(duì)各個(gè)閥門、參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，共14個(gè)子站，每個(gè)子站配有一臺(tái)觸摸屏，觸摸屏功能：模擬顯示各濾格的工作狀況及反沖洗的狀態(tài)，顯示設(shè)備報(bào)警狀況，顯示工藝參數(shù)，各儀表參數(shù)等，每個(gè)子站均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)本格濾池檢測(cè)、調(diào)節(jié)、反沖洗控制功能。子站檢測(cè)和控制參數(shù)有：

模擬量：濾池液位，水頭損失，清水閥開度，清水閥設(shè)定值。

離散量：進(jìn)水閥，排水閥，氣沖閥，水沖閥，排氣閥，初濾閥。

子站可顯示狀態(tài)：通信狀態(tài)，故障復(fù)位，強(qiáng)制沖洗，過(guò)濾時(shí)間。

2.2 控制回路部分

氣水反沖濾池正常過(guò)濾控制和反沖洗控制兩大控制模塊，濾池14個(gè)濾格子站共用一個(gè)PLC來(lái)控制反沖洗水泵和鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備，稱為公共PLC放置反沖泵房。遠(yuǎn)程I/O子站通過(guò)光纖入接入反沖泵房公共PLC，通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊。在公共PLC站可實(shí)現(xiàn)1-7，8-14號(hào)或者1-14號(hào)濾池一次性反沖洗工作，同時(shí)可以顯示濾池子站所有參數(shù)，鼓風(fēng)機(jī)、反沖泵運(yùn)行參數(shù)并可以完成每個(gè)參數(shù)修改設(shè)定。

2.3 子站接入的儀表

子站接入儀表有絮凝沉淀池濁度儀，濾后水濁度儀，濾后水余氯儀，清水池水位等儀表，以上儀表的4～20mA信號(hào)直接線到1號(hào)濾池子站，通過(guò)隔離器與其他子站通訊。

3 濾池控制工作模式

濾池控制模式分為兩部分：①濾池正常工作時(shí)檢測(cè)、控制模式；②濾池反沖洗時(shí)控制模式。

3.1 濾池正常工作時(shí)的控制過(guò)程

濾池正常過(guò)濾工作時(shí)，由各濾格的PLC控制進(jìn)水閥打開，在自動(dòng)過(guò)濾狀態(tài)下進(jìn)水閥全開，由于濾池正常過(guò)濾時(shí)要求水位恒定，而在進(jìn)水閥全開時(shí)，必須調(diào)節(jié)清水閥的開度調(diào)節(jié)濾速以維持水位恒定。當(dāng)濾格的PLC在接收到來(lái)自濾池液位計(jì)的4～20mA模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID（閉環(huán)控制）運(yùn)算后，可以確定出清水閥的開啟度，從而由各濾格PLC輸出4～20mA模擬量信號(hào)對(duì)各濾格清水閥開啟度進(jìn)行控制，使濾池水位保持相對(duì)恒定。而在手動(dòng)控制狀態(tài)下清水閥開度可調(diào)，不受濾池液位的干擾。

3.2 濾池正常工作時(shí)的系統(tǒng)警報(bào)設(shè)置

子站在濾池工作時(shí)隨時(shí)監(jiān)控濾池參數(shù)，同時(shí)也可以對(duì)接入儀表參數(shù)進(jìn)行顯示報(bào)警，如清水池液位過(guò)高、濾后水濁度接近警示值。清水池液位過(guò)高根據(jù)溢流口標(biāo)高計(jì)算設(shè)定為3.85m，濾后水濁度報(bào)警設(shè)定為：0.8NTU，鼓風(fēng)機(jī)、反沖泵在運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)故障也會(huì)報(bào)警。當(dāng)報(bào)警啟動(dòng)后，子站畫面顯示報(bào)警并觸發(fā)鈴聲提示值班人員處理。

4 濾池反沖洗的控制

濾池的反沖洗控制可分為兩部分：反沖洗啟動(dòng)控制和反沖洗過(guò)程控制。

4.1 反沖洗啟動(dòng)設(shè)定有四個(gè)條件

（1）過(guò)濾周期：根據(jù)工藝要求，在計(jì)算機(jī)或觸摸屏上設(shè)定最大過(guò)濾時(shí)間48h，濾池開始過(guò)濾時(shí)，各濾格PLC開時(shí)計(jì)時(shí)，并將實(shí)際過(guò)濾時(shí)間與設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行比較，若實(shí)際過(guò)濾時(shí)間大于設(shè)定的時(shí)間，則濾格PLC向公共PLC發(fā)出沖洗請(qǐng)求信號(hào)。

（2）水頭損失值：在觸摸屏或中控室計(jì)算機(jī)上設(shè)定最大水頭損失值。當(dāng)濾池過(guò)濾時(shí)，壓差計(jì)連續(xù)測(cè)得該格濾池的水頭損失值，PLC將該值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若該值大于或等于設(shè)定值，則濾格PLC向公共ULC發(fā)出反沖洗請(qǐng)求，目前強(qiáng)制反沖洗的水頭損失設(shè)為3.2m。

（3）濾后水濁度超標(biāo)，根據(jù)國(guó)家衛(wèi)生飲用水規(guī)范要求及廠內(nèi)質(zhì)量管理體系要求，出廠水和濾后水濁度不能超過(guò)1NTU，因此我們將濾后水濁度設(shè)定為0.8NTU即可進(jìn)行1-14號(hào)池強(qiáng)制反沖洗。

（4）人工請(qǐng)求沖洗：由人工通過(guò)上位機(jī)或主站公共PLC，子站觸摸屏上的強(qiáng)制反沖洗功能鍵來(lái)下達(dá)反沖洗指令。

當(dāng)四個(gè)條件滿足一個(gè)時(shí)，反沖洗工作啟動(dòng)。

4.2 氣水反沖濾池反沖洗過(guò)程控制方式

采用“氣沖洗4min——?dú)?水混合沖洗6min——水沖洗4min”的沖洗方式，這個(gè)沖洗時(shí)間能有效控制反沖洗水量，又能保證反沖洗質(zhì)量，確保濾后水水質(zhì)。

（1）反沖洗控制過(guò)程

反沖洗的控制過(guò)程如圖1。

圖1

（2）當(dāng)反沖洗啟動(dòng)時(shí)，濾格子站PLC發(fā)出指令，進(jìn)水閥門關(guān)閉，停止待濾水進(jìn)水，清水閥打開至80%，待50s后濾池水位落下，反沖洗排水閥打開，同時(shí)關(guān)閉濾池的清水閥，開啟氣沖閥。

（3）PLC總站先后開啟兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，其中一臺(tái)是變頻控制，運(yùn)行頻率設(shè)定為40Hz，壓縮空氣進(jìn)入濾池底部空間，開始?xì)鉀_洗，沖洗時(shí)間可設(shè)定為4min。

（4）氣沖4min后，公共PLC控制兩臺(tái)反沖水泵啟動(dòng)運(yùn)行，其中一臺(tái)是變頻控制，運(yùn)行頻率設(shè)定為40Hz，濾格子站PLC控制水沖閥打開，對(duì)濾池進(jìn)行氣水混合沖洗。時(shí)間約6min。6min后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)及氣沖閥，開啟排氣閥，排除配氣系統(tǒng)積氣后，關(guān)閉排氣閥。打開下一個(gè)待反沖濾池的氣閥進(jìn)入下一個(gè)濾池沖洗程序。

（5）單獨(dú)進(jìn)行水沖洗，兩臺(tái)沖反沖洗水泵保持開啟狀態(tài)，將濾床內(nèi)的空氣和泥水排走，以免造成氣阻。水沖洗時(shí)間約4min，關(guān)閉反沖洗閥和排水閥。

（6）打開待濾水進(jìn)水閥門，為確保濾后水質(zhì)打開初濾水閥門20s進(jìn)行排水后關(guān)閉，當(dāng)濾池水位回升至適當(dāng)高度時(shí)在計(jì)算機(jī)或觸摸屏上設(shè)定一高度值，（目前設(shè)定是0.5m）由液位計(jì)檢測(cè)實(shí)際高度，當(dāng)兩者相等時(shí)再打開濾后水出水閥，結(jié)束反沖洗過(guò)程。

4.3 反沖洗泵和鼓風(fēng)機(jī)的控制

采用軟啟動(dòng)控制和變頻控制，軟啟動(dòng)可與公共沖洗PLC通過(guò)MODBUS通訊可以讀取鼓風(fēng)機(jī)電流等相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)控制時(shí)，由PLC根據(jù)工藝過(guò)程輸出信號(hào)控制啟動(dòng)和停止。反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)采取兩用一備的方式，其中其中優(yōu)先啟動(dòng)變頻機(jī)組，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備有故障自動(dòng)跳轉(zhuǎn)另一臺(tái)設(shè)備運(yùn)行。

5 調(diào)試中存在問(wèn)題及解決方法

5.1 增加上位機(jī)對(duì)濾池進(jìn)行控制

氣水反沖濾池投入運(yùn)行后，值班人需要值守舊制水系統(tǒng)，對(duì)新濾池運(yùn)行檢查只能定時(shí)巡檢，不能時(shí)時(shí)監(jiān)控到濾池運(yùn)行狀態(tài)，在濾池反沖洗時(shí)還必需有值班人員前往監(jiān)控以防反沖洗程序出現(xiàn)錯(cuò)誤得不到及時(shí)處理。為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池參數(shù)的觀察和運(yùn)行控制，我廠要求廠家另外做子程序?qū)⒎礇_泵房的公共PLC控制主站通過(guò)以太網(wǎng)跟調(diào)度上位機(jī)通訊。上位機(jī)可以完成工藝的動(dòng)態(tài)顯示，時(shí)時(shí)檢測(cè)到濾池運(yùn)行情況。值班人員在調(diào)度值班室能觀察到濾池的運(yùn)行情況，并進(jìn)行反沖洗的遠(yuǎn)程控制，有效地降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度并提高濾池的生產(chǎn)效率。

5.2 反沖過(guò)程修改

原反沖過(guò)程設(shè)計(jì)如下：運(yùn)行一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)單獨(dú)氣洗2min，氣水同時(shí)反沖洗運(yùn)行兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)和一臺(tái)水泵4min，清水漂洗運(yùn)行兩臺(tái)反沖泵6min。原設(shè)計(jì)的時(shí)間不合理，不能確保濾池持續(xù)進(jìn)行反沖洗且現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)氣沖的時(shí)間和強(qiáng)度不夠，而水清洗4min后清洗效果已經(jīng)很好，清水反沖時(shí)間長(zhǎng)造成浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)將沖洗程序改為運(yùn)行兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)單獨(dú)氣洗4min，運(yùn)行兩臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)兩臺(tái)水泵氣水同時(shí)反沖洗6min，運(yùn)行兩臺(tái)反沖泵清水漂洗4min。為了避免跑沙將變頻機(jī)組頻率設(shè)定為40Hz，經(jīng)過(guò)測(cè)試反沖強(qiáng)度為 4.6L/m2·s，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的 4.6～5.0L/m2·s。

5.3 反沖模式控制優(yōu)化

（1）原來(lái)主站PLC設(shè)計(jì)僅能一次性控制1～14號(hào)濾池清洗，對(duì)水廠一次性廠用水損耗過(guò)大，清水池水位下降很快，不利于水位調(diào)節(jié)和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)修改，主站PLC可以控制1～7號(hào)，8～14號(hào)，1～14號(hào)樓濾池清洗。

（2）按照設(shè)計(jì)，反沖開始時(shí)，濾格內(nèi)的清水將被排走，造成浪費(fèi)。我們將反沖程序改為反沖開始后關(guān)閉進(jìn)水閥后，將清水閥開度增大到80%，時(shí)間設(shè)計(jì)為50s，濾格的水過(guò)濾后進(jìn)入清水池，不造成浪費(fèi)。根據(jù)這樣計(jì)算，每天可以節(jié)約約670m3的沉淀水，每月可以節(jié)約大約2萬(wàn)m3的沉淀水，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）初濾水的排放。原設(shè)計(jì)初濾水排放只有10s，初段的濾后水濁度接近0.8NTU，不利于水質(zhì)控制，將初濾水排放設(shè)計(jì)為20s，初段的濾后水濁度接近0.4NTU，有利于水質(zhì)控制。

6 待解決及需注意的問(wèn)題

（1）目前測(cè)試，濾格的濾速大都為7.25m/h左右，達(dá)不到設(shè)計(jì)濾速7.75m/h，但是在PLC總站、上位機(jī)無(wú)法通過(guò)設(shè)定液位高度來(lái)調(diào)節(jié)濾速，希望在下一步工作中得到優(yōu)化。

（2）變頻的鼓風(fēng)機(jī)、反沖泵設(shè)備還不能在上位機(jī)完成調(diào)速設(shè)定，濾池反沖進(jìn)程時(shí)間沒(méi)有在上位機(jī)上顯示，不能明確反沖洗進(jìn)行了多長(zhǎng)時(shí)間。

（3）反沖洗時(shí)間的設(shè)定要等距，否則反沖洗不能連續(xù)進(jìn)行。如：氣沖洗和水沖洗時(shí)間要相同，氣水混合沖洗時(shí)間可調(diào)。

TP273

A

1004-7344（2016）07-0237-02

2016-2-18