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 水廠自動化控制系統設計方案摘要： 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*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對藥劑的制備與投加的控制； 1.

2、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，以供參考。 水廠自動化控制系統設計方案第一章 水廠

3、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

4、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2.2 水廠的控制要求： （1）、出廠水濁度小于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）

5、、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

6、動化控制系統設計方案第三章 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

7、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 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 LinkCPM2A電臺RS232CPM2A電臺RS232中繼器光中址光中址C200HG轉換器取水上位機光纖Controller LinkRS232RS232Srpam2000Srpam2000AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232高壓配電設備泵機控制Controller Link加藥上位機送水

8、上位機中控上位機C200HGC200HG加藥設備控制C200HGC200HG轉換器轉換器RS232RS232Srpam2000Srpam2000RS422AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232RS422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 在取水及送水工藝段上，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RS4

9、22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OMRO

10、N-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

11、計方案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：

12、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

13、，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，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

14、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

15、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

16、，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PLD壓力傳感給定壓力變頻器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC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

17、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0Hz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

18、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

19、OMRON CX-Programmer，它是Omron PLC的32位視窗軟件支持工具，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圖9 泵組切換示意圖M1M1M2M2M2M3M3M4M3M4M5M4M5M5M6M6M6M1M6M1M2M1M2M3M2M3M4M3M4M5M4M5M6M5M6M1M5M6M1M2M6M1M

20、2M3M1M2M3M4M4M5M6MIM3M4M5M6M2M3M4M51#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M4M44#泵變頻運行4#泵工頻運行水廠自動化控制系統設計方案 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#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，

21、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

22、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 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

23、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

24、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，最大I/O點數達1184點，程序