[摘 要]文章介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代水廠自動(dòng)化控制的現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)代水廠的自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)及各個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在降低供水過(guò)程中的能耗，同時(shí)加強(qiáng)水廠運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的供水效率。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)代化；水廠；自動(dòng)化控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）12–0006–03

Structural Design of Modern Water Plant Automation Integrated Control System

LI Jiasheng

[Abstract]The article introduces the current situation of automation control in modern water plants at home and abroad， analyzes the overall structure， hardware design， and design of various subsystems of the automation comprehensive control system in modern water plants， aiming to reduce energy consumption in the water supply process and strengthen the water supply efficiency in the operation process of water plants.

[Keywords]modernization； waterworks； automated control； system design

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代水廠自動(dòng)化控制的現(xiàn)狀

近10年來(lái)，隨著電子信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域經(jīng)歷了較大的變革。自動(dòng)化感應(yīng)部件及其控制系統(tǒng)，尤其是各類高精度檢測(cè)傳感器的研發(fā)與應(yīng)用，已成為推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力之一。同時(shí)，控制理論與自動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新，為工業(yè)自動(dòng)化提供了理論基礎(chǔ)。

在此背景下，現(xiàn)代水廠運(yùn)營(yíng)模式發(fā)生深刻變革，廣泛采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效管理。歐美多座水處理廠已實(shí)施計(jì)算機(jī)化數(shù)據(jù)記錄與運(yùn)行控制，部分實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、無(wú)人值守。具體而言，美國(guó)愛(ài)荷華水廠自20世紀(jì)70年代起探索微機(jī)自動(dòng)控制加藥技術(shù)。俄羅斯莫斯科水廠與日本東京朝霞水廠亦采用先進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)施多環(huán)路控制，展現(xiàn)了高度自動(dòng)化管理水平。

得益于國(guó)家現(xiàn)代化與全球經(jīng)濟(jì)一體化，我國(guó)水廠建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)張，技術(shù)水平顯著提升。然而，水廠自動(dòng)化發(fā)展不均衡問(wèn)題突出，中小型城市尤為滯后，部分水廠尚未涉足自動(dòng)化。相較于其他行業(yè)，水廠自動(dòng)化技術(shù)普及程度有待加強(qiáng)，根源在于未充分挖掘自動(dòng)化技術(shù)潛力。雖引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，但缺乏有效應(yīng)用與維護(hù)，制約了自動(dòng)化水平的提升，影響了整體經(jīng)濟(jì)效益與可持續(xù)發(fā)展。因此，需強(qiáng)化技術(shù)引進(jìn)與本土化創(chuàng)新，推動(dòng)水廠自動(dòng)化技術(shù)普及與深度應(yīng)用。

2 現(xiàn)代水廠的自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，基于PLC完成自動(dòng)控制系統(tǒng)的建設(shè)，目前已成為現(xiàn)代水廠在發(fā)展過(guò)程中使用非常廣泛的一種技術(shù)。該系統(tǒng)主要利用分布式的控制結(jié)構(gòu)，按照不同的層級(jí)對(duì)其進(jìn)行管理，主要包含設(shè)備層、控制層及監(jiān)管層（信息層）等內(nèi)容。設(shè)備層的主要控制對(duì)象是變頻器及水泵機(jī)組，包括各種傳感器等；控制層則主要是對(duì)整體的控制核心包括制水工藝進(jìn)行相應(yīng)的把控；監(jiān)管層涵蓋整體的操作監(jiān)控系統(tǒng)，包括信息管理系統(tǒng)。

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 PLC系統(tǒng)的選型及設(shè)計(jì)

在PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件選型過(guò)程中，需依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備、傳感器及儀器儀表等數(shù)據(jù)采集與控制方式開(kāi)展工作。水廠PLC系統(tǒng)需處理大量模擬量與開(kāi)關(guān)量，并預(yù)留足夠點(diǎn)位以便日后擴(kuò)充。擴(kuò)展模塊數(shù)量與機(jī)架擴(kuò)展形式需根據(jù)PLC的CPU程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與備用空間規(guī)模綜合估算。選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮編程語(yǔ)言豐富、指令集兼容性強(qiáng)的品牌型號(hào)。

自來(lái)水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)建設(shè)中，為增強(qiáng)關(guān)鍵工藝段自控能力，除選擇可靠性高、技術(shù)先進(jìn)的PLC品牌外，PLC冗余設(shè)計(jì)亦至關(guān)重要。可采用熱備冗余方式，即主系統(tǒng)與熱備系統(tǒng)有效聯(lián)機(jī)并運(yùn)行相同控制程序。熱備系統(tǒng)在未激活時(shí)不參與系統(tǒng)控制，僅進(jìn)行數(shù)據(jù)同步采集。主系統(tǒng)故障時(shí)，熱備系統(tǒng)可迅速接管，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。自來(lái)水廠冗余控制多采用多CPU并聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過(guò)光纖或高速以太網(wǎng)互聯(lián)，主系統(tǒng)故障排除后可自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

2.1.2 PLC柜電源的冗余設(shè)計(jì)

在針對(duì)PLC柜的電源進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)時(shí)，其整體的進(jìn)線電源利用的是雙路供電的模式，這兩路進(jìn)線電源需要分別設(shè)置在低壓電器柜聯(lián)絡(luò)柜的兩側(cè)位置，連接好主用及備用進(jìn)線端，ATS的出線端則需要連接好UPS進(jìn)線，UPS的出線作為PLC柜的進(jìn)線電源，這樣的連接方法能夠提升PLC進(jìn)線電源本身的可靠性。但考慮到UPS出現(xiàn)故障后，其旁路功能失效的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，極易導(dǎo)致PLC柜直接出現(xiàn)失電的現(xiàn)象，所以為了更好地解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC柜電源時(shí)，可以選擇在UPS出線端的位置加裝上電源切換裝置。在進(jìn)行切換的過(guò)程中，時(shí)間甚至能夠控制為毫秒級(jí)別，這一功能可確保在UPS出現(xiàn)故障問(wèn)題后，PLC柜依然可以準(zhǔn)確地對(duì)供電進(jìn)行切換，通過(guò)無(wú)源繼電器將信號(hào)輸出，PLC系統(tǒng)在采集到失電信號(hào)之后可第一時(shí)間完成報(bào)警，方便工作人員準(zhǔn)確介入，對(duì)故障進(jìn)行排查，保障后續(xù)的生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 水源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了更好地提升水源的自動(dòng)化控制程度，一些水廠開(kāi)始選擇利用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)打造出整體的控制體系，利用遠(yuǎn)程遙控水泵啟停的方式推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水源的自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制。而為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制這一目標(biāo)，同時(shí)確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，可以直接用運(yùn)營(yíng)商專線來(lái)實(shí)現(xiàn)水源和水廠之間的內(nèi)網(wǎng)連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的細(xì)節(jié)調(diào)控，獲取水源在運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)狀態(tài)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方式的應(yīng)用能夠更好地提升對(duì)水源的整體監(jiān)控，獲取一系列的數(shù)據(jù)，如出水壓力和瞬時(shí)流量、水泵溫度等。

2.2.2 水泵運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水泵機(jī)組的電機(jī)溫度信號(hào)主要由溫度巡檢儀來(lái)進(jìn)行采集并完成匯總，最終通過(guò)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)進(jìn)行上傳，自控系統(tǒng)則能夠根據(jù)泵組及電機(jī)廠家所提供的相關(guān)參數(shù)，合理地對(duì)溫度告警值進(jìn)行設(shè)置。在整個(gè)水泵機(jī)組中，振動(dòng)信號(hào)及電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)都是由專用的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器及采集模塊等進(jìn)行采集，最終上傳到中控室系統(tǒng)中，而水泵運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)則能夠根據(jù)所采集到的信號(hào)提供可視化的界面，一旦發(fā)現(xiàn)存在振動(dòng)不平衡的現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)內(nèi)嵌的專家知識(shí)庫(kù)提前做好相應(yīng)的預(yù)警。例如，若出現(xiàn)了軸承磨損等一系列的告警信息，工作人員可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且在水泵出現(xiàn)更大的故障之前就介入到維護(hù)保養(yǎng)階段，降低故障發(fā)生的概率。而且在構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)的過(guò)程中，使用PLC控制系統(tǒng)還能夠?qū)γ恳慌_(tái)水泵的電量及出口流量和水泵前后壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的采集，依據(jù)能耗計(jì)算公式來(lái)計(jì)算泵組的千噸水單耗，同時(shí)在生產(chǎn)記錄中進(jìn)行標(biāo)注，為后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

2.2.3 供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)的過(guò)程中，其自動(dòng)控制功能主要包含分時(shí)段恒壓變頻供水及泵閥聯(lián)動(dòng)控制和水泵機(jī)組自動(dòng)切換運(yùn)行等內(nèi)容。供水系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)，必須能自動(dòng)地對(duì)水泵的運(yùn)行數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)可以直接切換成不同的工作狀態(tài)，以此來(lái)適應(yīng)不同的用水量，確保整個(gè)供水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的智能化及安全性，以及減少人工方面所產(chǎn)生的干預(yù)，降低工作過(guò)程中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率。PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效應(yīng)用，其核心在于對(duì)出廠總管的壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以做到相應(yīng)的采集，同時(shí)生成水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，而且引入了PID調(diào)節(jié)技術(shù)能夠利用更加現(xiàn)代化的變頻器技術(shù)，對(duì)整個(gè)水泵機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。若水廠中的水泵出口是電動(dòng)閥，則應(yīng)考慮使用泵閥聯(lián)動(dòng)控制的方式，在這時(shí)一定要注意好泵閥的開(kāi)關(guān)順序，防止出現(xiàn)水錘效應(yīng)對(duì)泵組造成一定的損傷。當(dāng)水泵突然出現(xiàn)失電或故障停機(jī)的問(wèn)題時(shí)，電動(dòng)閥應(yīng)立刻做出相應(yīng)的響應(yīng)并關(guān)閉，當(dāng)開(kāi)放的過(guò)程中閥門(mén)因?yàn)楣收蠠o(wú)法開(kāi)啟時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)綜合泵出口壓力及流量數(shù)據(jù)等內(nèi)容及時(shí)做出提示警告，最后由相關(guān)人員來(lái)判斷需要以怎樣的方式對(duì)其進(jìn)行處置。

2.2.4 加氯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氯消毒是水廠在運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)過(guò)程中非常重要的工序之一，可確保最終水質(zhì)的安全性。目前使用較廣泛的消毒材料是次氯酸鈉，在水廠中，氯消毒的添加方式一般包含兩種，即人工添加及自動(dòng)控制添加。隨著科技的不斷發(fā)展，氯消毒也需要依托于自動(dòng)投加來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，因?yàn)檫@樣能夠更好地控制添加量的精準(zhǔn)性。在水廠的加濾間中安裝PLC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化升級(jí)，同時(shí)配備數(shù)字計(jì)量泵及出口電磁流量計(jì)，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠結(jié)合進(jìn)水流量所反饋的具體數(shù)值對(duì)加藥頻率和加藥量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的投加。相較于人工手段來(lái)說(shuō)，其會(huì)更具科學(xué)性。而且自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠采集不同工藝段的具體出水余氯數(shù)值形成閉環(huán)系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)加藥過(guò)量或加氯控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)把自動(dòng)狀態(tài)切換成手動(dòng)加藥的狀態(tài)，確保最終水質(zhì)的安全性。

2.2.5 配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)

高壓配電間及低壓配電間中的開(kāi)關(guān)柜多功能智能電量表及繼保通訊柜的相關(guān)數(shù)據(jù)，都需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)以通信電纜有線方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行采集及獲取。整個(gè)自控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中完全可以通過(guò)電量采集的方式，對(duì)各個(gè)工藝單元的具體生產(chǎn)耗能進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，這樣做能夠優(yōu)化整體的生產(chǎn)工藝流程，淘汰那些本身存在著高能耗問(wèn)題的生產(chǎn)設(shè)備，為整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行提供更加強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。而且能夠?qū)λ杉降恼麄€(gè)系統(tǒng)故障問(wèn)題進(jìn)行綜合性的匯總，在生產(chǎn)系統(tǒng)中做出相應(yīng)的報(bào)警或彈窗，方便生產(chǎn)人員及時(shí)地對(duì)存在的安全隱患進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代水廠自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)的構(gòu)建對(duì)于提升供水效率與水質(zhì)安全性至關(guān)重要。研究結(jié)果表明，采用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠顯著提升水廠的自動(dòng)化水平，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，降低能耗，同時(shí)加強(qiáng)供水效率與水質(zhì)安全性。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，現(xiàn)代水廠自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)將進(jìn)一步完善與發(fā)展，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供更加安全的供水保障。

參考文獻(xiàn)

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