——振華水廠改造工程實例分析報告

陳牧民 呂躍進 李殊粱
（開平供水集團股份有限公司 529300）

　　摘　要：本文介紹了振華水廠自動化控制系統的組成與功能，著重論述了改造前后凈水工藝控制方式的變化，并就自動化生產運行一年來的實踐經驗提出對中小型水廠自動化技術改造的一些體會。
　　關鍵詞：中小型水廠 技術改造 自動化控制 體會

一、振華水廠簡介

　　振華水廠于1994年底投產，規模：6萬立方米／日，屬中型水廠，擔負著開平市城區大部的自來水供應，其供水水質及安全性對整個城區都有著重要的影響。
　　工藝流程：

　　該廠生產控制方式為現場手動控制方式，投藥、加氯的準確度、連續性，濾池反沖洗、二級泵站供水的安全可靠性都受到相當大的制約。為適應《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》要求及人們對水質和供水安全性要求的提高，1999年5月我水司與有關高校科研人員及自控專業公司合作對該水廠進行了自動化改造。經改造后的生產實踐證明，效果相當不錯，說明中型水廠自動化改造是必要和可行的，具有一定的推廣價值。

二、自控系統改造設計思路

2.1 系統組成
　　本自動控制系統主要由中央控制室兩臺計算機（Pentium Ⅱ/450，內存96M）、模擬屏及現場兩套PLC（SIMATIC S7－300，CPU314）組成，控制規模DI160點、DO96點、AI24點和AO12點。采用DCS（Distribute Control System）系統，為中央控制室集中監控、PLC分散控制和現場操作臺手動控制的三級控制。PLC軟硬件主要由西門子公司提供，使用 Windows NT 4.0操作系統構成C／S結構，分別以STEP7和WinCCV4.0為編程與監控軟件。整個系統采用MPI多點接口網絡，PLC框架采用內部總線，PLC與計算機之間采用RS－485通訊接口，兩套PLC站通過專用雙絞線聯接，如圖1所示。

　　其中，二級泵站PLC監控泵站電機、水泵、真空泵及閥門工作狀態，監測調速泵頻率、運行時間、電流、電壓、電源有功功率、耗電量、機泵閥開關量狀態及出廠水水質指標；而中控室PLC同時監控加礬、加氯、過濾、反沖洗和反沖洗水池補水系統的設備運行工況，監測混合SCD值、濾后水余氯及原水水質指標。
2.2系統功能
　　監視功能
　　模擬屏以直觀的表達方式，通過色彩和動態顯示數據，形象表示出制水生產全過程。監控計算機可以對生產進行全面監控，并對投藥、加氯、濾池及送水泵站各系統以立體圖和平面圖表現相應的工藝流程、設備運行工況以及儀表參數。此外還具有歷史數據分析和報表系統功能，自動生成7種不同類型生產報表，并可隨時進行修正和打印。
　　自動控制
　　自動控制分為人工和自動方式，前者是把輸出模擬量固化，后者則通過預設參數實現優化控制，控制單元對設備檢測部份傳來的信號進行運算，將結果送至設備執行部分。
　　故障診斷
　　PLC外部控制電路和Ⅰ／O接線系統的故障檢測診斷，由用戶程序找出最佳矛盾邏輯狀態組，及時發現故障點，開啟報警并記錄。通過啟動“報警置位”功能復位，消除故障。
2.3 改造后凈水工藝控制方式
　　（1）加礬系統
　　改造前采用重力與泵壓聯合投加：礬液從高位礬池流入礬泵，經提升至高度與礬池項約相平的緩沖罐，然后應用重力投加。受原水管道壓力變化影響，在水質水量發生變化時，憑經驗人為調節造成滯后和不準確。
　　改造后，加礬系統采用隔膜可控容積計量泵、變頻調速電機和美國 Mition RoySC5200－E4WJOOO游動電流檢測儀（簡稱SCD儀），見圖2。其中，以原水流量為前饋量控制電機頻率，流量越大，頻率越大，轉速也就越高，確保原水流量發生階躍變化時控制系統響應速度和穩定性；以SCD儀檢測混合SCD值為反饋量控制計量泵沖程。水廠集中采用中控室PLC內部PID控制器，實現PID控制算法。

　　加礬系統在原水流量計和SCD儀的自動監測下，實現頻率和沖程雙點調節，最大限度擴展控制范圍，適應了原水水量和水質大幅度變化，并可克服原水管道壓力變化影響，保證了混凝效果。
　　（2）加氯系統
　　改造前只有濾后加氯，投加量偏差多少依據一小時后檢測耗氯量、余氯值來估計，再手動改變加氯機開度，調節氯氣流量，調節粗糙，反饋過慢，致使加氯不夠可靠。
　　改造后，濾后加氯采用復合環控制，并增加反應前加氯系統。
　　反應前加氯按原水流量比例投加，屬開環控制。濾后加氯以原水流量為前饋量，以濾后水余氯為反饋量進行投加，屬閉環控制。
　　應當說明的是濾后加氯流量信號仍取之于原水流量，是因為原水流量與濾后水流量不等情況很少，且有余氯儀檢測反饋。這種前后反饋復合環控制加氯技術保證后加氯系統穩定性和可靠性，也適應水量和水質變化。
　　（3）濾池系統
　　原系統過濾時靠肉眼判斷濾池水位高度，手動調節進水閥和濾水閥門，造成水位忽升忽降且各濾池水位高度不一，濾速不均。
　　改造后，保持進水閥全開，以超聲波水位儀和角度轉換器分別監測濾池水位和濾水闊開度，執行PID指令后，送出開度控制信號，實現恒水位過濾。如圖3所示。

　　過濾到一定周期進行自動反沖洗。為簡單起見，反沖洗省去按阻塞值條件控制，當過濾能力下降并形成一定水頭差，值班人易發現水位突破恒定水位并不斷上升，由此進行強制反沖洗。另外，反沖洗水池自動補水，以液位計反饋液位高度信號控制水泵啟停，同時保留原靠浮球到達限位作為水泵停止信號的控制，兩者并用確保反沖洗水池滿水后水泵自動停止，以免事故發生。
　　（4）二級泵站系統
　　改造前，四臺型號一致大泵和一臺小泵都是定這泵。手動控制出水閥門開度來調節供水壓力，浪費能量且不適應管網壓力變化。改造后，利用壓力變送器的壓力反饋，一號大泵進行變頻調速，達到恒壓力供水目標，如圖4所示。
　　變頻器最佳輸出頻率范圍為40Hz至49Hz，當達到設定極限50Hz時，變頻器會自動跳閘，并發出警報。在實踐中，以一號變頻調速泵與其它定速泵的不同并聯組合，使變頻調速在最佳變頻范圍進行工作。

三、運行效果及體會

3.1 運行效果
　　（1）加礬和加氯兩套系統均實現了優化控制，確保了水質的提高。出廠水濁度一般在1.0NTU以下，余氯值在0.4～0.7mg/L之間，達到Ⅰ類水司水質標準，其它指標均符合或優于國標。另外，自控監測儀表一般都有靈敏度高、準確性好和易于維護的優點。
　　（2）自動化控制，大大降低了工人的勞動強度，提高工作效率。同時，也提高了凈水生產的穩定性、連續性與供水的安全性，符合供水行業現代化生產技術的發展要求。
　　（3）降低了能耗、藥耗。
　　利用調速泵與定速泵不同并聯組合來適應不同供水需求，在滿足管網壓力逐時變化前提下提高效率，節約了電能。我們對調速大泵和一臺定速大泵并聯運行與兩臺定速大泵并聯運行作出比較，節能約為10％左右。不僅節約電能，而且經統計節約礬藥約10％。
　　如表1所示。

　　3.1  體會
　　中小型水廠規模小，自動化改造的投資成本相對較高，因而需要在保持技術先進的前提下尋求自控系統的可行性簡化。如用集成在CPU內的MPI進行簡單聯網，以STEP7用戶接口簡單組態等。
　　對中小型水廠自動化技術改造在我國尚屬嘗試階段，應用不多，本項目注重設計與實際情況的緊密結合。例如，本廠的原水進水采用計量堰計量時一般會出現水面波動較大的現象，我們通過設置擋板以消除計量堰水面紊動，確保水位和流量信號檢測準確；反沖洗水池抽水泵真空判斷原以在真空表內設定固定真空值為準，為適應清水池水位大幅度變化要求，特改用在真空管路內水位提升浮球取得真空形成信號等。另外，進口自動監測儀表需穩定安全的工作環境才能正常發揮作用。對此我們在相關儀表前加設緩沖排氣筒，出廠水經氣水分離后依靠重力流向儀表，相對穩定、平緩，使儀表正常工作。
　　水廠生產實現自動化控制，改變了傳統的生產運行方式，促進了凈水處理技術水平的提高，經過一年多的實際運行證明，改造是成功的，達到了我們預期目的，提高了投藥加氯的準確、連續性，提高了供水安全性，降低了藥耗。當然，改造工程本身存在某些局限性，我們將精益求精，在生產實踐中個斷完善，使經濟效益和社會效益雙豐收。

參考文獻

　　[1]　SIMATIC S7-300可編程序控制器，西門子（中國）有限公司出版社，1996
　　[2]　袁任光 可編程序控制器（PC）應用技術與實例 廣州：華南理工大學出版社，1992.9