1、水廠自動化控制系統設計方案1 *水廠自動化控制系統設計方案 水廠自動化控制系統設計方案2 摘要： 本文就基于PLC的水廠自動化控制系統在濱海水廠的 應用提出了一些筆者的建議，主要從水廠加藥、加氯、沉 淀池虹吸吸泥機、濾池和恒壓供水等幾個關鍵工藝過程進 行自動化控制系統的設計，其中將恒壓供水系統作為典型 例子進行了詳細的論述，希望本文能對*水廠自動化控 制系統的建設有所益處。 關鍵詞：中小型PLC 水廠自動化控制系統 水廠自動化控制系統設計方案3 *水廠自動化控制系統設計方案目錄 前言 第一章 水廠自動化控制系統的發展現狀； 第二章 生產工藝和控制要求； 第三章 自動化控制系統的設計： 1.1對

2、藥劑的制備與投加的控制； 1.2對沉淀池虹吸吸泥機的控制； 1.3濾池自動化控制系統； 1.4恒壓供水系統。 第四章 相關小型PLC的介紹與說明； 結束語 水廠自動化控制系統設計方案4 前言 隨著科學技術的發展和人們對生活用水品質要求的不斷提高，通過 近幾年來對水廠運行控制模型經驗和控制參數的積累，水廠控制設備和 檢測儀表品種的豐富和可靠性大大提高，供水系統自動化控制技術在分 散控制、集中管理系統上日益成熟，*水廠自動化改造將成為必然趨勢。 *水廠為年供水量在1500萬立方米的小型水廠。主要負責大港油田的生 產生活用水的供給，本文僅作為筆者對濱海水廠自動化控制系統建設方 面提出的一點建議，以供

3、參考。 水廠自動化控制系統設計方案5 第一章 水廠自動化控制系統的發展現狀 水廠自動化控制系統經歷了從無到有、從簡單到復雜的過程。從一 開始僅有常規儀表檢測，到加藥、加氯的局部自動控制，直到九十年代， 隨著可編程序控制器（PLC）的大量推廣使用，水廠自動化控制系統才 真正建立起來。PLC具有可靠性高、編程簡單、使用方便以及通訊聯網 功能強的特點。水廠以PLC為主控設備建立的控制系統一般模式為：由 設在中控室的上位監控計算機及若干現場PLC聯網組成集散型監控系統。 開始建立的系統，各分站以功能劃分，站內設有監控計算機，這是針對 當時PLC的通訊能力不夠強大，控制系統可靠性不高所采取的措施，即 一

4、旦其它分站出現故障或網絡中斷后，未出故障的分站還可以在局部區 域內實現自動控制。近幾年隨著PLC網絡通訊能力的增強和控制及電氣 執行機構可靠性的提高，這一模式逐漸被打破，取消了各分站內的監控 計算機，各分站的控制區域由功能劃分改為以距離劃分，可在中控室內 監視水廠運行的全過程。 水廠自動化控制系統設計方案6 第二章 生產工藝和控制要求 1.1 *水廠采用工藝流程： 主要分為以下幾個工藝過程如圖1所示： 藥劑的制備和投加 取水混凝平流沉淀過濾清水池二級泵房 前加氯 混凝劑 原水供水管網 濾后加氯 圖1 *水廠工藝流程圖 水廠自動化控制系統設計方案7 2.2 水廠的控制要求： （1）、出廠水濁度小

5、于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保證水質水 量的同時，要求低藥耗、低氯耗和低電耗； （2）、濾池要求采用恒水位運行，水位偏差不能大于2.5cm，要能根 據水頭損失或運行周期自動進行反沖洗，且同一時間內只能有一個進行 反沖洗； （1）取水：將灤河水抽入凈水廠； （2）藥劑的制備與投加：按工藝要求制備合適的混凝劑，并投入混凝劑及 氯氣，達到混凝和消毒的目的； （3）混凝：包括混合與絮凝，即灤河水投入混凝劑后進行反應，并排出反 應后沉淀的污泥； （4）平流沉淀：與混凝劑反應后的水低速流過平流沉淀池，以便懸浮顆粒 沉淀，并排出沉淀的污泥； （5）過濾：沉淀水通過顆粒介質（石英砂）以去除其中

6、懸浮雜質使水澄清 ，并定時反沖洗石英砂； （6）送水：通過多臺離心泵將自來水以一定的壓力和流量送入供水管網； 水廠自動化控制系統設計方案8 第三章 自動化控制系統的設計 由于自來水生產工藝主要具有以下特點：（1）各生產工藝段 相對獨立，單體設備多。（2）采集的數據量大，整個系統共有數字 量輸入、輸出超過3000路，模擬量輸入、輸出超過1000路，且工藝 參數種類多，包括壓力、流量、溫度、差壓、液位、電流、電壓、 功率等，但上下游相關聯的生產參數少。（3）自來水生產具有連續 性、不可替代性和不間斷性。（4）各工藝段距離遠，設備分散，組 網相對復雜。根據以上特點，本系統選用OMRON的中小型PLC

7、對各 工藝段生產設備分散控制，利用OMRON Protocol和Controller Link組 成網絡，在各工藝段控制室和中控室設置上位機，構建人機界面進 行生產管理和對生產數據進行后續處理。全廠控制網絡如圖2示。 水廠自動化控制系統設計方案9 共8臺 共13臺 共4臺 共7臺 共8臺 沉淀、濾池 上位機 共8臺 CQM1HCQM1H 二期濾池控制 C200HGC200HGC200HG 電臺 沖洗設備及一期濾池控制 Controller Link CPM2A電臺 RS232 CPM2A電臺 RS232 中繼器 光中址 光中址C200HG轉換器 取水 上位機 光纖 Controller Lin

8、kRS232 RS232 Srpam 2000 Srpam 2000 AL 001 AL 001 CPM2ACPM2A RS232RS232 高壓配 電設備 泵機控制 Controller Link 加藥 上位機 送水 上位機 中控 上位機 C200HGC200HG 加藥設備控制 C200HGC200HG 轉換器轉換器 RS232RS232 Srpam 2000 Srpam 2000 RS422 AL 001 AL 001 CPM2ACPM2A RS232RS232 RS422 高壓配 電設備 泵機控制 一、二期平流沉淀池吸泥機控制 圖2 全廠控制網絡圖 水廠自動化控制系統設計方案10 在取水

9、及送水工藝段上，主要設備由多臺離心水泵和10KV高壓直配電機 組成，每一電機由相應的高壓配電柜控制，因此為每一面高壓配電柜選用 一臺Sepam2000(專用于配電柜控制的小型PLC)進行數據采集和控制，每一 泵閥在現場選用一臺OMRON CPM2A用于數據采集和控制，通過RS422接 口連成網絡，由控制室的OMRON C200HG中型PLC利用OMRON Protocol 協議與它們通訊，對其讀寫數據和進行統一調度，這樣可以節省大量的數 據采集電纜，而且當某臺PLC發生故障時可以方便斷開其維修而不影響其 它設備的正常生產。對于沉淀池吸泥機的控制，由于吸泥機在長達近百米 的沉淀池上前后移動，因此

10、其控制所用小型PLC利用電臺與控制室間的 C200HG通過RS232接口進行1：N通訊，電臺型號為MDS-SCADA-24810， 為直接數字調制解調電臺，工作頻率范圍在2.4G2.4835GHz，支持標準的 異步通訊協議，工作穩定可靠，協議同樣采用OMRON Protocol，軟件用 OMRON-CX-Protocol編制。二期濾池選用多個小型PLC（OMRON CQM1H） 分散控制，可以較好地解決因控制設備故障造成全部濾池停產而影響安全 供水的問題。整個Controller Link網絡由中繼器分成兩段，主要是為了滿足 Controller Link對通訊距離的要求，同時可適應以后擴展的

11、需要。系統中生 產工藝所要求的全部參數都由PLC采集和控制，上位機只是人機界面和對 生產數據進行后續處理，大大地提高了系統的可靠性。本控制方案全部選 用中小型PLC，對主要的生產設備分散控制，同時利用網絡將它們緊密聯 結，實現集中管理，降低了故障風險，提高了可靠性，是一種經濟可行的 方案。 水廠自動化控制系統設計方案11 1.1 對藥劑的制備與投加的控制 1.1.1 自動加藥控制： 水廠在保證出廠水質的條件下降低藥耗，是降低成本的手段 之一。但如何搞好理想的加藥自動化控制，至今尚無行之有效的 方法。經過多年運行的經驗，濱海水廠已得出了一系列適合自身 加藥控制重要參數，其中流量比例可作為加藥控制

12、的主要參考依 據，基本可以達到在保證水質的同時降低藥耗的目的。 Primus227Primus227系列系列 機械隔膜計量泵機械隔膜計量泵 水廠自動化控制系統設計方案12 1.1.2 自動加氯控制： 利用液氯殺菌是目前生產自來水的主要消毒手段。在工藝設 計上，一般設前加氯（原水）和濾后加氯（濾池出水）兩處加氯 點。目前的加氯量控制方法： 前加氯通常采用流量比例控制加氯量； 濾后加氯采用流量比例、余氯反饋“復合環路”控制加氯量； 濾后加氯是自來水消毒處理的主要環節，但由于在水中投加氯后， 需要在清水池內至少有30分鐘以上的接觸時間，才能達到比較好 的殺菌效果，也是一個滯后控制。為了解決滯后控制問

13、題，將濾 后加氯檢測取樣點移到清水池前，一般距加氯點10D（D為管 徑）。 DEPOLOX 3 plus 余氯分析儀gs1401加氯機 水廠自動化控制系統設計方案13 1.2 對沉淀池虹吸吸泥機的控制： 以往常規的控制方法是，將吸泥機的運行狀態及故障信號全 部采用點對點方式送入PLC，PLC對它的控制信號也采用硬接點 方式。這樣一臺吸泥機就有十幾個DI/DO點，而吸泥機是一直在 沉淀池上移動的，這就需要大卷的移動電纜或多極滑導，在室外 環境下這些信號的傳輸不可能長期穩定，會引起誤操作。濱海水 廠每座沉淀池上都設有兩臺吸泥機，兩座沉淀池共有四臺吸泥機， 并采用在吸泥機上設置一臺小型PLC的方式，

14、吸泥機受小型PLC 控制，僅將吸泥機的運行、故障狀態通過滑導送到加藥分站內的 主控PLC。這樣，吸泥機的運行不會受錯誤信號的干擾，中控室 又可以知道吸泥機的運行情況，如發現吸泥機故障，可立即派人 員去維修。 水廠自動化控制系統設計方案14 1.3 濾池自動控制系統： 濾池是水廠關鍵的組成部分，也是控制最集中的地方。為 了保證水廠凈水工藝這一關鍵部位能正常運行，局部出現故障后 不會因為某個閥門的損壞而影響整個濾池的自動運行及調節，我 們在濾池上設置了多個小型PLC，每兩格濾池由一個小型PLC控 制。這樣，某一部位的閥門等設備出現故障后，只會影響一個小 型PLC，僅會使兩格濾池退出自動運行狀態，等

15、待維修，而其余 大部分濾格仍可正常自動運行。 1720D低量程濁度控制儀 水廠自動化控制系統設計方案15 1.4恒壓供水系統： 恒壓供水系統原理如圖7所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調節 器、TC時間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及6臺 水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解 和控制系統的運行。 通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA 的標準信號送入PID調節器，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調 節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使 供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的

16、供水 量時，通過PLC控制器加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的 增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入 電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環 控制系統。 同時系統配備的時間控制器和PID控制器，使其具有定時換泵運行功 能（即鐘控功能，由時間控制器實現）和雙工作壓力設定功能（PID控制 器和時間控制器實現）。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/ 軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。正 常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#、5#、6#。 水廠自動化控制系統設計方案16 PLD 壓力傳

17、感 給定壓力 變頻器 I/O I/OI/OI/OI/O I/O PLC控制器 I/OI/O 變頻/工頻備用選擇液位變換 鐘控允許自動/手動 TC時間控制器 報警 液位電極 池底 下限 復位 供水管網1#泵 1#電機 2#泵3#泵4#泵5#泵6#泵 2#電機3#電機4#電機5#電機6#電機 圖7 恒壓供水系統原理圖 水廠自動化控制系統設計方案17 1.4.1 工作原理 （1）運行方式 該系統有手動和自動兩種運行方式： A、手動運行。按下按鈕啟動或停止水泵，可根據需要分別控制1#-6#泵的啟 停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。 B、自動運行。合上自動開關后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0H

18、z上升， 同時PID調節器接收到自壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數進行比較， 將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻， 啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟 的泵開始減，同時根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。 （2）故障處理 A、故障報警。當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時， 系統皆能發出聲響報警信號；特別是當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時， 系統還會自動停機，并發出聲響報警信號，通知維修人員前來維修。此外，變頻器 故障時，系統自動停機，此時可切換至手動方式保證系統不間斷

19、供水。 B、水泵檢修。為維護和檢修水泵，要求在系統正常供水狀態下，在一段時間 間隔內使某一臺水泵停運，系統設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用 某一臺水泵，同時不影響系統正常運行；為了使水泵進行輪休，系統還設有軟件備 用功能（鐘控功能，由時間控制器實現），工作泵與備用N泵具有周期定時切換功 能，周期間隔由時間控制器設定：1小時每次96小時每次連續可調。 水廠自動化控制系統設計方案18 1.4.2 PLC控制系統 該系統采用的是歐姆龍可編程序控制器SYSMAC CPM2A系列， I/O點數為60點，PLC編程采用OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟

20、件支持工具，提供完整的編程環境，可進行離線編 程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。為了提 高整個系統的性價比，該系統采用開關量的輸入/輸出來控制電機的 啟停、定時切換、軟起動、循環變頻及故障的報警等，而電機轉速、 水壓量等模擬量則由PID調節器和變頻器來控制。 FRENIC 5000P11S 變頻器 水廠自動化控制系統設計方案19 圖9 泵組切換示意圖 M1M1M2M2 M2M3 M3 M4 M3M4 M5M4M5 M5M6 M6 M6M1 M6M1M 2 M1M2M 3 M2M3M 4 M3M4M 5 M4M5M 6 M5M6M 1 M5M6M 1M2 M6M1M 2M3

21、M1M2M 3M4 M4M5M 6MI M3M4M 5M6 M2M3M 4M5 1#泵啟動：2#泵啟動： 3#泵啟動： 4#泵啟動： 5#泵啟動： 6#泵啟動： 圖例： N臺泵運行切換到N-1臺泵運行 N臺泵運行切換到N+1臺泵運行 M4 M4 4#泵變頻運行 4#泵工頻運行 水廠自動化控制系統設計方案20 泵組的切換示意圖如圖9示。開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩 者同時有效時硬件優先），1#泵變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升， 如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由 于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由 50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻

22、啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4# 泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從 0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延 時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至 0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同 上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，如水壓仍不滿足，則依次啟 動4#、5#、6#泵，具體泵的切換過程與上述類同。 同樣，若3臺泵（假設為1#、2#和3#）運行時，3#泵變頻運行降到 0Hz，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1#泵停止，變頻器 頻率從0Hz迅速上升，若

23、此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使 2#泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管 網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過渡，從 而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發生。 水廠自動化控制系統設計方案21 以往的變頻恒壓供水系統在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變 頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節。這種切換的 方式理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停， 從而減少設備的使用壽命。而在該系統中，直接停工頻泵，同時由變頻器 迅速調節，只要參數設置合適，即可實現泵組的無沖擊切換，使水壓過渡 平穩，有效的防止了水壓的

24、大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現象，提 高了供水品質。 要使系統穩定的運行，有幾個參數需特別注意： A、 變頻轉工頻開關切換時間TMC 設置TMC是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺 泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻 器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網產生的沖擊，所以在 允許范圍內TMC必須盡可能的小。 B、上下限頻率持續時間TH和TL 變頻器運行的頻率隨管網用水量增大而升高，本系統以變頻器運行的 頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據來判斷是否加泵 （減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統就不能 迅

25、速的對管網用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網用水量的變 化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質 量。 水廠自動化控制系統設計方案22 1.4.3 恒壓供水系統效果分析 在供水系統中采用變頻調速運行方式，系統可根據實際設定 水壓自動調節水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網中的壓 力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節地、節資，并 使系統處于可靠運行的狀態，實現恒壓供水；減泵時采用“先啟 先停”的切換方式，相對于“先啟后停”方式，更能確保各泵使 用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多 年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能， 有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環控制，系統用水量任何變 化均能使供水管網的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質； 變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現故障消除后自啟動， 具有一定的先進性。 水廠自動化控制系統設計方案23 第四章 相關小型PLC的介紹與說明 1、OMRON C200HG 其具有速度快、功能強、編程方便和運行可靠的特 點，