—— 普寧蓮花山水廠自動化系統介紹

王都喜
順德科力給排水工程發展有限公司

　　摘要:本文介紹了由國內自控公司自行研制開發的普寧市蓮花山水廠自動化系統網絡結構，對系統中的幾個網絡配置進行了說明，最后詳述了水廠自控系統的幾個主要控制單元的功能，并對整個自動化系統進行總結。
　　關鍵詞:水廠、自動化、PLC、控制單元

　　一、概述

　　隨著社會經濟的快速發展，水對人民生活與生產的影響日益加強，對供水的質量與安全可靠性的要求不斷提高。自80年代以來，隨著微電子等現代科技高速發展，水工業專用檢測儀表與裝備不斷發展與完善，大大地推動供水系統的自動監控技術的發展。濁度、pH值等水質關鍵參數的在線檢測質量過關，微電腦控制器、計量泵、調節閥等控制、執行設備性能良好，加之西方發達國家雄厚的經濟實力與技術基礎，國外供水系統的自動監控已得到普遍應用，一些水廠己實現全自動運行。這種高度自動化運行的模式是符合西方國情的。我國自80年代中后期起，陸續有一些較大型的水廠利用外資建設，同時引進了成套的水廠現代化監控儀表與設備。一些水廠自動監控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統、投資很大，然而在一些關鍵環節上的調控功能并不強，供水管網沒有管網調度系統，不能全面實時監視水廠及管網運行情況，給供水企業的運行和管理造成困難。研制開發城市供水系統的監控系統，必須考慮到中國供水行業的技術與經濟力量，我國水廠目前的基本現狀是；水工業整體裝備基礎薄弱，技術水平低，多數水廠面臨缺資金、少技術，成套國外監控設備買不起。這一實際情況決定了發展中國供水行業的現代化不能全盤照搬西方發達國家的經驗，通過引進，學習國外的先進技術，結合國情研究開發出適合國情的水廠自動化控制系統。我們在普寧蓮花山水廠自動化系統建設中，引進了國外先進的加藥、加氯、閥門設備，在工藝處理的關鍵部位安裝在線式智能儀表，發揮國內自控公司的技術力量，建設了一個較為先進的自動化水廠。

　　二、普寧供水局情況

　　普寧地處粵東經濟不太發達地區，至八十年代末，全市僅有一個平頭嶺水廠日供水能力3．2萬m3，1995年又建成了日供水能力3萬m3湯坑水廠市區建設規模從1985年的10．5平方公里擴展至21．34平方公里，市區自來水用戶從1985年的15000戶增加到1995年的41000戶，市區迅速擴大與供水滯后的矛盾異常突出，市區很多區域供水不足，水壓水質偏差，徹底改變普寧市區及周邊地區的供水問題，促進經濟發展成為當前市領導的重大事情，在市政府的直接領導下，于1996年4月成立供水局，普寧蓮化山水廠工程建設指揮部正式成立。通過政府貸款、華僑捐款、國債、企業自籌多渠道籌措資金建設一個日產20萬m3(首期10萬m3)蓮花山水廠。水廠自動化工程于1999年5月進行公開招標，幾經篩選，最后由廣東順德科力給排水工程發展有限公司中標承建該項工程，于2000年3月普寧蓮花山水廠自動化系統正式投入運行。

　　三、自動化控制系統組成

　　普寧供水局下屬有三家水廠：即平頭嶺水廠、湯坑水廠、蓮花山水廠(新建)，分布在市區25公里范圍內。通過建立蓮花山水廠自控系統，使蓮花山水廠自動控制系統、供水局無線電供水調度及供水局的管理信息系統聯接起來，組成供水管理局的企業內部網。自控系統和調度系統所采集到三間水廠和幾個管網壓力實時數據送供水管理局管理網絡系統的數據庫，被供水局企業內部網中的所有子系統共享，在供水管理局內部網上任何一個終端在授權情況下能監視到平頭嶺水廠、湯坑水廠、蓮花山水廠和管網的運行情況，對水廠的各類生產運行數據進行監測和控制，動態掌握三間水廠及管網的運行情況，做到心中有數、合理調度，降低生產運行成本，提高生產效益，提高管理局和水廠的生產管理水平，自動化系統結構圖如圖1所示。
　　自動化系統分成兩個網絡，一個是供水局與蓮花山水廠通過一對HUB構成點對點通訊與供水管理局組成的以太局域網，另一個是新建的蓮花山水廠作為一個獨立的自控系統，建立水廠的工業控制網一Mondbus plus網。從圖1中可以看出，共有七個SCADA節點和一個查看節點以以太網構成LAN，蓮花山水廠中控室一臺電腦配置Fix Sewer，供水局調度室配置一臺Fix Client查看節點，提供共享數據。
　　1、蓮花山水廠與供水局通訊
　　蓮花山水廠與供水局大樓僅一墻之隔，相距約100米，直接將水廠中控室兩臺電腦接入到公司的網絡中，在水廠中控室與供水局調度室各配置一對HUB接線器構成點對點的以太局域網，采集水廠的實時數據送到供水局服務器數據庫中，實現數據共享。
　　2、無線電供水調度系統
　　供水局無線電供水調度系統于九七年建成，該系統投入三年以來，基本到達原設計要求，但隨著普寧供水管網的不斷擴大，蓮花山水廠的建設、供水局辦公大樓的搬遷，以及近年來計算機、自動化及遙測技術的發展和新產品的出現，原有的無線電供水調度系統不能適應新的形勢發展的要求。需要對無線電調系統進行改造擴容。為了節省資金，保留原有的普寧市供水管理局無線電供水調度系統端機和電臺設備，在原系統的基礎上增加了4個管網測壓點，將調度中心遷至供水局新辦公大樓。

　　3、蓮花山水廠與里湖泵站通訊
　　里湖泵站與蓮花山水廠18Km，實現兩地之間的通訊有無線和有線兩種方式，采用無線擴頻通訊方式與水廠自控系統通訊，具體有兩種方案：第一種方案在水廠自控系統中配置一個Modbus到Modbus Plus網橋，在里湖泵站PLC接一臺無線擴頻收發設備，在網橋BM85上接一臺無線擴頻收發設備實現里湖泵站與水廠PLC之間的數據通訊。第二種方案是在里湖泵站計算機接一臺無線擴頻收發設備，在水廠中控室電腦上接一臺無線擴頻收發設備，實現兩地計算機之間通訊。第一種方案將里湖泵站PLC通過網橋直接接入水廠自控網絡， 成為一個分控站，整個水廠自控系統結構較好、可靠性高，但需要增加網橋設備，成本較高。第二種方案實現兩地計算機之間通訊，無需增加設備，造價較低，但可靠性較差。在蓮花山水廠自控系統的實施過程中，兩種方案都進行了實驗，由于普寧地區地處出區，兩地相距較遠，中間被山相隔，接收的信號經常出現中斷數據，解決這一問題的辦法是需在兩地之間的山上建立一個信號中繼塔，工程造價太大。系統在運行一段時間后改為租用電信局專用電話線，很好地解決了兩地之間的通訊，但租用專用電話線存在著月租費用較高，依賴于電信局線路可靠性有限的問題。
　　4、水廠自控系統PLC選型及網絡
　　目前國內外水廠自控系統比較常見的型式是工業計算機(IPC)和可編程序控制(PLC)組成的分布式控制系統。其性能已達到DCS的要求，價格比DCS系統低，且開發方便。普寧蓮花山水廠的自控系統采用計算機-PLC控制系統。FLC自控產品種類很多，水廠應用較多的PLc產品有美國AB公司的PLc—5、德國SIEMENS公司的S5、S7以及法國施耐德公司的Quantun等產品，各家公司同檔次的PLC性能大同小異，其價格也相差無幾，考慮到在廣東粵東地區施耐德公司的產品應用較廣，工程技術人員對該公司的產品比較熟悉，對將來的維護和使用帶來方便，我們選用了Quantun43412高性能PLC產品。編程軟件為ConCept2．1，上位監控軟件為Intellution公司Fi7.O
　　水廠控制網絡采用Modicon公司的Modbus Plus網，該網絡是一種對等的令牌網絡，網絡傳輸速率為1Mbit/s，不使用中繼器傳輸距離達450米，水廠網絡總長約1000米，網絡上配置兩個中繼器NWRR85。
　　蓮花山水廠按照水廠的工藝配置、測控點的位置、數量，兼顧使用和維護的方便，水廠共分成五個分控站。即里湖泵房分控站、投藥消毒分控站、濾池分控站、二級泵房分控及水廠中央控制室。

　　四、自動化的幾個主要控制單元

　　1、投藥棍凝單元
　　加藥是水質凈化最重要的環節，而準確投加所需要的藥量則是取得較好混凝效果的關鍵。影響藥劑投加量的因素極為復雜，除混凝過程的水力條件外，還有原水懸浮物含量、粒徑組成、肢體顆粒性質，因此混凝投加控制是水廠控制的重點。
　　加藥控制普遍應用計量泵控制投加，國內有些水廠利用原水流量優化控制投加泵的頻率，計量泵沖程由現場手動或電腦上遙控；也有一些水廠采用流動電流儀內置的PID功能閉環控制投加泵的頻率，計量泵沖程由現場手動或電腦上遙控。這兩種控制方法簡單，投資省，在水質和原水流量比較穩定時控制混凝投加效果較好，但當雨季原水濁度較大時就很難控制加藥量，特別是當原水流量發生突變，加藥量不能迅速響應原水流量的變化。蓮花山水廠加藥控制系統采用原水流量比例控制計量泵頻率，加藥混凝后的sc值反饋閉環控制投加泵的沖程。亦即：粗調頻率、微調沖程，領率和沖程均由加藥分控站PLC自動控制，確保原水流量發生階躍變化或原水濁度大幅變化時，控制系統的響應速度和穩定性，最大限度地擴大控制范圍，保證投加效果，節約藥耗，其系統更具有靈活性。加藥控制系統的示意圖如圖2所示。

　　加礬計量泵控制頻率和沖程的數學模型如下：
　　I_f=K_f·Qm
　　其中:　I_f—頻率控制量
　　　 　　I_s—沖程控制量
　　　 　　B—輸出補償或前饋
　　　　　 E—偏差(SCD的設定值SP-過程變量PV)
　　　 　　K_p—比例增益參數
　　　 　　K_i—積分增益參數
　　　 　　K_d--分調節參數
　　　 　　Q_m—原水流量瞬時值
　　加礬計量泵共三臺，根據加藥量一用二備，或二用一備，計量泵為美國Miltroy公司產品。計量泵頻率和沖程控制直接由PLC控制。在水廠自動化研制過程中，用一個國產手操器作現場手動調節控制沖程，不需配置計量泵沖程控制器，每臺計量泵沖程控制器價格一般在800美元以上，可大大減少設備成本。
　　2、加灰控制單元
　　原水為河水，水質偏酸性，增加投石灰控制單元，控制原理由原水流量作前饋和混合后的pH值作反饋，組成帶前饋和反饋的閉環控制系統，由PLC控制器內置PID功能經優化設計，控制加灰泵的頻率，沖程由電腦遙控或現場手動控制。
　　加灰計量泵共三臺，根據加灰量—用二備，或二用一備，計量泵為美國Miltroy公司產品。加灰控制計量泵頻率的數學模型同加礬控制計量泵沖程相同。
　　3、加氯消毒單元
　　加氯分前加氯和后加氯，前加氯作預處理，有效殺死藻類、魚類，避免其在沉淀池和濾池里大量繁殖；后加氯的作用直接關系到出廠水的水質指標，保證供水管網含有一定氯，避免細菌繁殖。
　　前加氯機兩臺，美國W＆T公司提供的V2020柜式真空加氯機，帶SCU控制器，互為備用。加氯機本身帶有比例控制單元(SCU)用于現場控制，自動控制直接由PLC控制器完成。
　　前加氯控制原理：按原水流量比較控制前加氯，其控制的數學模型如下：
　　　　　 I_f=K_f·Q_m
　　其中: I_f—前加氯控制量(由原水流量確定)
　　　　　K_f——比例系數
　　　　　Q_m—原水瞬時流量
　　比例系數Kf的設定根據原水水質情況一般在1．5—2．5mg/L之間，這個參數設置成可調系數，在上位機上由操作人員設定。
　　特別需要說明的是，加氯機的真空度必須在400——-800mbar之間才能較好地控制加氯，由于水壓或水射器原因，經常造成加氯機的真空度差，導致加氯量與控制器的給出量不一致，在實際運行中，這種情況還不易發現，因此，僅僅用原水流量開環控制前加氯量還不夠準確，為了確保加氯機給出的加氯量與要求的一致，在工程中我們對前加氯也采用閉環控制，用原水比例值I0作設定值，加氯機的開度即加氯量作反饋組成閉環控制系統，控制加氯機的開度。
　　后加氯機兩臺，美國W＆T公司提供的V2020柜式真空加氯機，帶PCU控制器，互為備用。
　　后加氯控制原理：以濾后水流量作前饋，濾后水在清水池入口處混合后的游離余氯作反饋，通過PID調節控制后加氯量，使游離氯控制在一定的范圍內。要控制出廠水余氯，按嚴格的要求應該直接控制出廠水余氯。在實際生產中，由于濾后水在清水池滯留時間長，清水池內游離氯少，會造成清水池腐蝕，實際生產證明，通過控制清水池入口處的余氯，亦即控制了出廠水余氯，也就沒必要再控制出廠水余氯，節省工程造價。
　　在水廠自動化研制過程中，加氯機本身帶有過程控制單元（PCU）用于現場控制，后加氯直接由PLC控制器自動完成。由于工藝配置時，消毒投藥設備一般都集中加藥間，與濾后水投加點相距較遠，控制系統存在一個時間滯后的問題，解決滯后的問題方法有幾個，將濾后水余氯分析儀設置在濾后水采樣點附近，縮短采樣時間，配置增壓泵、還可以加大加氯管的直經，大大減小了投加時間。在控制系統實施過程中，后加氯由PLC控制器來控制投加，由濾后水流量作前饋，濾后水余氯值作反饋信號，組成一個帶前饋和反饋的閉環控制系統，如圖3所示。加氯機開度的數學模型：
　　　　 I_f=K_f·Q_m
　　　　 I_O=K_p.E+K_i∫_o^tEDT+K_d.d(E)/dt+B
　　其中：I_f——后加氯最小值(由濾后水流量確定)
　　　　　I_O——后加氯控制量
　　　　　B——輸出補償或前饋

　 　　　　E—偏差
　　　　　 Kf—比例系數
　　　　　 KP—比例增益參數
　　　　　 Ki—積分增益參數
　　　　　 Kd——微分調節參數
　　　　　 Qm—濾后水瞬時流量

　　由加氯機自帶的比例控制單元(SCU）和過程控制單元(PCU)與直接由PLC控制器經優化PID控制兩種控制加氯方式比較，從控制效果上來講，PLC控制加氯效果更好，通過調試，找到最佳的FID參數：比例因子、積分因子、微分因子，以及前饋量，而且控制系統更具靈活性，隨著水質參數的大幅變化，僅需在中控電腦上對PID參數進行修正，特別是每臺加氯機節省了一個SCU或PCU控制單元，每臺SCU或PCU單元造價一般在1000美元以上，大大節省了設備成本。
　　4、濾池控制單元
　　過濾是水處理工藝的最后的把關環節，其控制系統的開發研制也是水處理工作者多年來一直研究的課題之一。目前濾池的控制系統的結構形式大致有兩種，其一是整個濾池由一臺PLC集中完成濾池的過濾和反沖洗控制，其二是每格濾池由一臺小型PLC控制，公共反沖部分由一臺較大的PLC完成控制，濾池系統組成自成一個控制網絡。這兩種控制系統形式在水廠比較常見，各具特點。前一種方式，控制集中、簡單、造價較低，但整個控制系統的由一臺PLC完成，程序、調試工作量大，而且一旦PLC損壞，造成整個濾池不能自動控制，可靠性差；后一種控制系統，每格濾池控制分散，可靠性高，而且每格濾池的程序編制一樣，僅需編制、調試好一格濾池即可，大大地減少了工作量，但系統配置復雜，成本高。蓮花山水廠濾池控制系統采用后一種控制方式，由公共PLC和每格濾池PLC組成濾池控制網絡，每格濾池操作臺內置一臺小型的Momentum系列PLC，完成每格濾池的過濾控制和數據采集，并與公共PLC交換數據信息。由公共PLC負責反沖洗控制和與其它分控站及中控室通訊。從蓮花山水廠運行一年多來看，實現了濾池的恒水控制，自動反沖洗控制，實現三臺沖洗水泵和三臺鼓風機輪循控制。
　　5、泵站控制單元
　　里油泵站和送水泵站設備配置相同，有四臺10kV送水泵機組和高、低壓配電設備，主要實現對高、低壓設備和水泵機組的遙控、保護，并對水質及運行參數的的在線監測。
　　6、中控室
　　水廠中控室配置兩臺電腦，一臺用于操作，另一臺用于監視，互為備用，提高系統的可靠性。
　　基于Windows NT平臺下開發的Intellution公司監控軟件Fix7．0，具有良好的人機界面功能，功能強大，簡單易開發，非常適合水廠開發監控畫面。在水廠工藝總平面監控畫面上點擊某一點，自動顯示該單元的控制畫面；在設備畫面上點擊，自動顯示設備操作畫面，對設備進行啟、停操作和優化參數設定；在水廠工藝流程畫面上點擊，自動顯示工藝參數趨勢曲線。在蓮花山水廠自動化系統中，我們開發了一套適合于水廠生產要求全套監控畫面，畫面立體設計，形象逼真，簡便，易操作。
　　為了保證生產數據可靠、準確，生產工藝數據均由PLC采集并處理，生產管理數據均由PLC運算處理，直接產生小時生產數據、日生產數據、月生產數據、季生產數據、年生產數據，—般情況下PLC是不會中斷運行的，Fix7．0監控軟件還具有數據補調功能，即使有某些數據丟失，還可以補調回來，避免了電腦數據因關機、停電、或電腦故障等原因，造成數據丟失，無法產生完整的生產數據。蓮花山水廠開發了適合生產管理的生產日志、生產日報表、生產月報表、生產季報表、生產年報表、生產年臺賬，水廠自動化投入運行一年多來，生產報表準確，給水廠生產管理提供了極大的方便，大大地減少了過去繁重的數據處理工作。
　　7、供水局調度室
　　供水局調度室與水廠中控室構成點對點的以太局域網通信，調度室配置一個2．5米高、10米寬大型模擬屏，一邊顯示蓮花山水廠的工藝流程和平頭嶺水廠、湯坑水廠的主要工藝水質參數和設備運行狀態，另—邊顯示供水調度系統管網圖，顯示各測壓點的壓力。將水廠工藝流程和供水管網調度系統在同一個模擬屏顯示，使整個供水局生產情況，一目了然，管理非常方便。調度室作為供水管理部門，只對生產進行調度，但不能對蓮花山水廠設備進行操作。
　　8、系統的安全性
　　供電電源的可靠性：雙電源市電保證供電可靠，另外公司調度室和水廠中控室及各分控站配置有在線式UPS電源，能確保PLC、儀表等自控設備不會因市電短時停電中斷工作。系統后備；水廠控制室內兩臺電腦和調度室內兩臺電腦可互相備用。
　　防雷擊措施：普寧城區屬多雷發區，經調查水廠附近的電信、電視廣播中心等幾家單位經常遭遇雷擊，造成了巨大的經濟損失。在蓮花山水廠自動化實施過程中，系統的防雷措施顯得格外重要。自控公司和佛山富蘭防雷研究所反復討論防雷方案，首先做好防直接雷的措施，對各建建筑物裝設避雷帶和接地系統，保證接地電阻小于1歐姆；同時對自控系統供電電源采用雷電波波前零秒響應裝置防雷，克服國內外避雷器在對特別尖銳雷電脈沖因沖動延時的瞬時(ns級)設備被毀的弊病，滯后雷電波到達的時間；儀表信號傳輸線、PLC及計算機設備網絡線是傳輸、擴展雷電波雷害的主要途徑之一，為了杜絕由信號線引入的感應雷和雷電“二次反擊”造成的損毀，在信號線的進出端串接安裝防感應雷的信號避雷器。經過兩個雷雨季節的考險，自控制系統未到雷擊破壞，保證了自控制系統的正常運行。

　　五、結束語

　　普寧蓮花山水廠自動化系統自2000年3月投入運行，一年多來出廠水濁度控制在1．0NTU以內，達到一級水司的標準，其它水質參數如余氯、PH均控制良好。通過不斷摸索和提高，逐步掌握了其運行規律，生產管理日趨成熟，下面就蓮花山水廠自動化作一個簡單總結。
　　1．實現供水局對下屬幾家水廠全盤調度，數據采集準確、可靠。
　　2.實現加礬、加氯自動控制，濾池恒水位過濾、反沖洗控制，泵站設備的遙控，大大降低工人勞動強度，改善工作條件，提高工作效率。
　　3．實現生產的優化控制，強化工藝處理效果，確保出廠水水質。出廠水質各項指標均符合或優于國標。
　　4．先進的自動化技術提高了凈水生產的穩定性、連續性與供水的安全性、符合供水行業現代生產技術發展的要求。
　　5．系統采取的防雷擊措施，通過幾個雷雨季節的考驗，證明是有效的。
　　6.通過國內自控公司自行開發、設計，在工藝關鍵部位采用進口的在線智能儀表和設備與國產設備相結合，大大節省了工程造價。
　　我國水廠遍布全國各地，普遍需要建立自動化監控系統，但長期受經濟、技術等因素困擾而難以實現，蓮花山水廠通過國內自控公司自行設計、開發取得成功，大大地減少了系統的造價，對全國各地水廠尤其是經濟不發達的地區水廠建設提供了成功應用的經驗。