南通市狼山水厂工艺自动控制实施方案

何寿平
(南通市自来水公司)

概况

　　我公司在30万m³/d狼山水厂建设过程中，利用奥地利政府贷款引进了一整套水厂自动控制系统。
　　该系统由奥地利ELIN公司负责提供全套硬件设备和软件设计。该系统由中心控制室的PDS计算机系统和在控制现场的4套ELDATIC 2000 PLC装置，组成水厂的集散控制系统。
　　中心控制室为数据处理控制中心，设有3个PDS单元。其中2台并行对整个水厂进行监测遥控，1台用作数据处理、运行分析和报表打印。每一PDS装置由下列硬件构成:
　　Tandon 386-20个人计算机；
　　Winchester 40 Mbyte/35ms硬盘；
　　1.2Mbyte 5.25″软盘驱动器；
　　SALORA 445A 20″彩色显示器；
　　游动定位器(鼠标器)和标准键盘(控制用的2台PDS配有2只功能键盘)；
　　DL 3400彩色打印机。
　　4套ELDATIC 2000 PLC装置分别安装在以下现场:
　　一级泵站:对一级泵站、污水泵站的运行进行监测控制；
　　中心控制室:对总降变电所、二级泵站的工作进行监测控制；
　　加药间:对投加三氯化铁和斜管沉淀池的运行进行监测控制；
　　加氯间:对移动冲洗罩滤池运行及加氯进行监测控制。
　　每套PLC装置有以下配置:
　　ELDATIC 2000工业控制机；
　　Tandon 286个人计算机；
　　Winchester 40 Mdyte/35ms硬盘；
　　1.2 Mdyte软盘驱动器；
　　14″彩色显示器；
　　标准键盘。
　　整个系统共采集信号、数据1700多个。数据采集周期为60s。整个系统可完成以下主要功能:
　　1.对整个水厂生产过程进行运行、监测；
　　2.根据生产情况调度一级泵运行；
　　3.调节加药、加氯量；
　　4.综合18种生产资料，可绘制19种47 条曲线；
　　5.记录变电所及所有生产设备故障。
　　中心控制室与4套ELDATIC 2000 PLC 装置之间采用高速母线(同轴电缆)联接。
　　整个水厂由该系统进行自动控制，除三氯化铁倒入冲溶池、更换氯瓶和发布二级泵站调泵指令人工外，其余生产过程全由计算机完成。操作人员在中心控制室可通过计算机键盘或专用键盘(功能键盘)对全厂所有电气、机泵设备、加药、加氯设备、沉淀、过滤设备等进行人为的干预操作和控制，只要将操作密码输入即可开始进行自己职权内的操作运行。操作人员将显示屏幕上的光标移至相应模拟图上的操作开关或设备位置后，再连续按动3个按钮，对应的开关或设备即行动作。亦可在现场的ELDATIC 2000 PLC装置上就地操作设备，并可调看全厂的生产运行情况和数据。水厂所有设备均可脱离计算机系统，进行人工手动操作。
　　整个系统设计合理，构思严密，使用直观，操作方便，数据收集完整，并能按要求进行数据分析处理。只是为了保证设备的可靠性，配置选用了一些性能较高的设备，显得有些保守。但这也为我们今后扩展功能提供了有利条件。

二、水厂工艺控制方案

　　水厂工艺控制方案由我公司提出，经中奥双方技术人员讨论确认后，奥方即根据此方案编制软件。水厂工艺控制方案主要内容如下:
　　1.取水工程
　　(1)引水虹吸管控制
　　与从长江引水虹吸管相联的真空罐内水位低于下限时，真空泵启动。当真空罐内水位达到上限，则真空泵停止运行。罐内水位处于低限达15min还不上升，则报警。真空泵在一天内启动2次以上，应予报警。原水水位与一级泵站吸水井的水位差大于0.6m，说明引水虹吸管出现故障，引水发生困难，也应报警。
　　(2)一级泵站原水潜水泵控制
　　潜水泵的开停由以下因素决定:
　　a.清水池水位低于下限时必须有1台潜水泵运行；
　　b.清水池水位未达到上限警戒水位，至少保持1台潜水泵运行；
　　c.潜水泵的运行台数所进的水量应与二级泵站出厂水量相对应。出厂水量与单台潜水泵流量之比的整数值，即为一级泵站潜水泵的运行台数。而出厂水量与单台潜水泵流量之比整数以后的小数点尾数，则根据清水池水位的高低、清水池的水位上升或下降速率以及高低峰供水时间等，与相应的设定值对照，进行逻辑判断，决定潜水泵的开或停。总之，既要尽可能保持清水池经常处于高水位，又要保证潜水泵不能频繁动作。每启动一台潜水泵，运行时间不少于1h；
　　d.一级泵站出水量超过在用斜管沉淀池的最大负荷时，则减少1台潜水泵运行，以保证斜管沉淀池出水水质；
　　e.每次增开潜水泵时，以运行累计台时少的泵投入运行；减少运行潜水泵时，则以运行累计台时多的泵投入运行。
　　2.加药系统
　　(1)冲溶三氯化铁
　　固体三氯化铁称重后，由人工倒入冲溶池，然后用键盘向计算机系统输入三氯化铁的重量。这时控制系统发出指令，将压力水电磁阀打开，开始冲溶三氯化铁。所冲溶的三氯化铁药液流入贮液池。计算机按已输入的冲溶浓度(一般在30%以上)和投入的三氯化铁重量，计算出的稀释量，待流量计达到该稀释量时，发出指令，关闭压力水电磁阀，打开搅拌空气电磁阀，搅拌3min后关闭搅拌空气电磁阀，则冲溶完毕。最后由化验室测定冲溶后贮液池的三氯化铁药液浓度，并输入计算机待用。
　　(2)配制药液
　　投加三氯化铁溶液的溶液池共有2只，1用1备。当在用的溶液池液位达到下限时，则关闭出流电磁阀，停止工作。同时备用溶液池的出流电磁阀打开，投入使用。
　　根据计算机指令，打开与需要配液的溶液池所对应的贮液池出流电磁阀，向该溶液池补充药液。计算机根据已置入的药液实际浓度、投加溶液浓度、溶液池容积，计算出补充液位值，当池内液位达到该值时，关闭贮液池出流电磁阀。然后打开压力水电磁阀稀释配制溶液至溶液池的液位上限为止。然后再打开搅拌空气电磁阀，搅拌3min，完成配液工作。两只溶液池交替循环互为备用。贮液池、溶液池非正常的液位升高或下降，均会报警。
　　(3)加药控制
　　由于狼山水厂的原水取自长江，相对来讲水质较好。因此，影响加药量的因素也少。
　　加药前馈控制采用按流量正比例投加；浊度、水温按实测资料绘制成曲线，由计算机在运行时对照，取值投加。
　　斜管沉淀池反应室内设有模拟斜管，取样测定浊度(模拟沉淀池出口水浊度)，对照设定的沉淀池出水浊度标准值(5～30NTU可调)士3NTU，来调整实际投加量。当模拟沉淀水浊度超过设定的标准值±5NTU时，则应报警。另外，加药泵吸不到溶液或加药管道堵塞，加药泵上的阻尼器压力下降或超限，也需报警。
　　3.斜管沉淀池运行控制
　　(1)排泥控制
　　控制排泥有两种方法可供选择:
　　a.定时排泥:设定排泥时间(0～8h可调)，按周期排泥。
　　b.按原水进水量、原水浊度、单位药耗、滤后水浊度等参数的变化，调节排泥周期。运行过程中在不断计算排泥水量，当达到设定值时，则进行排泥。
　　由于滤池采用了通过斜管沉淀池回收反冲洗水技术，反冲洗水的污泥已在斜管沉淀池中回收，所以计算参数不取沉淀水浊度，而取滤后水浊度。
　　排泥水量可按下式计算:
　　Qn=Qy(YNTU-LNTU十1.31527FeCl₃/(1-98%)×10^-6式中:Qn——排泥水量(m³)；
　　Qy——斜管沉淀池进水量(m³)；
　　YNTU——原水浊度(NTU)；
　　LNTU——滤后水浊度(NYU)；
　　1.31527——三氯化铁重量换算系数；
　　FeCl₃——单位三氯化铁耗用(kg/km³)；
　　98%——排泥水含水率。
　　当排泥水量达到沉淀池设定排泥阀排泥时间(0～10min可调)的流量(按水力条件计算或实测)时，则进行排泥。
　　由于狼山水厂斜管沉淀池底部构造复杂，底部呈锅底形，有中心传动刮泥机、钢筋混凝土稳流板、UPVC斜管等，因而无法安装泥位测定装置，所以不能采用按池底积泥情况决定排泥的方法。
　　排泥历时则根据设定的每次排泥水量、排泥系统的水力条件计算定值。
　　刮泥机故障、超设定排泥时间、未关闭气动排泥蝶阀，则报警。
　　4.移动冲洗罩滤池控制
　　(1)过滤周期控制
　　根据滤池池面水位变化情况和滤后水浊度，采用对比判断的方法，决定增减冲洗间隔时间，调整过滤周期。当池面水位超过上、下限极值，则报警。滤后水浊度超过设定值，进行报警。
　　(2)冲洗罩工作程序控制
　　根据冲洗罩冲洗程序按顺序执行。当冲洗罩未能按程序工作时，相应发出；桁车行走不停、不冲洗、冲洗不良、冲洗不停、桁车不走等故障报警信号。运行过程中还经常核对冲洗罩所在位置是否与计算机计数的格数相吻合，否则，说明冲洗过程中出现跳格不冲的现象，应立即查清，将故障排除。
　　(3)滤池表面排除飘浮物控制
　　狼山水厂的移动冲洗罩滤池设在室外运行，夏季极易繁殖藻类，成块的水藻飘浮在滤池池面上，既有碍观瞻，又影响水质。所以设置了排除飘浮物的运行程序。
　　当需要排除飘浮物时，由人工发出指令，桁车在走到滤池溢流槽对侧放下刮网。滤池仍正常冲洗运行。当桁车走到滤池溢流槽一端时，滤池出水虹吸管上的进气电磁阀打开，滤池水位上升，开始排除飘浮物。同时，由于滤池水位升高，通过刮网上的浮筒自行托起，并由机械锁住，不容下落。飘浮物排尽后，电磁阀关闭，滤池仍按原有程序继续运行。
　　5.加氯控制
　　(1)供氯系统控制
　　8只氯瓶分为2组，每组4只氯瓶并联使用，其中1组备用。当一组氯瓶液氯用完时，氯压下降，氯瓶电磁阀关闭，发出氯瓶用完信号。同时，备用氯瓶电磁阀打开，投入运行。该加氯系统采用负压抽吸方式加氯，一旦加氯管漏气，氯瓶电磁阀自动关闭。如氯瓶间或加氯间漏氯，则发出声光报警。同时，引风机启动，将漏出的氯气送到清水池，由池内流动的水将其吸收。
　　(2)原水预加氯控制
　　原水预加氯按人为设定值对照原水进水量正比例投加。
　　(3)滤后加氯控制
　　滤后加氯按滤池出水量正比例前馈投加，并按设置的滤后余氯控制值反馈调节。为了防止水源水质变化引起出厂水余氯变化，我们又采取用出厂余氯定值(0.5～1.5mg/L可调)来调整滤后余氯控制值的方法，以达到无论源水水质怎么变化，出厂余氯均能保持在一个稳定的数值上。
　　6.二级泵站控制
　　(1)水泵调度
　　水泵调度由自来水公司中心调度室发出调度命令，水厂中心控制室值班人员通过计算机发出指令进行操作。当出厂水压瞬间大幅度(0.1～0.15MPa)下降时，说明出厂输水总管爆裂，立即关闭对应的闸阀和水泵。如发生突然停电故障，恢复供电时，二级泵站所有水泵锁定，然后再逐台启动，直至恢复到停电前的水泵运行台数。
　　(2)水泵开停控制
　　当开泵指令发出后，首先辨别清水池水位高低，以决定是否需要启动真空泵。水位超过规定值，水泵则直接启动，并打开对应的出水电动蝶阀。若水位低于规定值，应打开对应抽气电磁阀，启动真空泵。当真空信号发生器发出信号，说明引水成功，关闭电磁阀，启动水泵，打开对应出水电动蝶阀。水泵若未能按程序动作，则报警。水泵电机发生故障，自动停泵，并发出故障信号。同时，备用泵自行投入运行。
　　接到关泵指令，先关闭对应出水电动蝶阀，水泵再停止运转。
　　每次增开水泵时，以运行累计台时少的泵投入运行；减少运行水泵时，则以运行累计台时多的泵投入运行。
　　地下式泵站集水坑水位达到上限，启动排水泵。水位达到下限时，关闭排水泵。未能按时排出积水，则报警。
　　7.污水泵站控制
　　当污水池水位达到上限时，启动污水泵，对应出水气动蝶阀打开。如若30min内污水池水位未下降到全池水位的70%时，则再启动备用污水泵。当污水池水位达到下限，关闭污水泵，待10min污水管道内的水倒流完后，再关闭出水气动蝶阀，以防污水管道内积泥。2台污水泵互为备用，交替使用。
　　地下式污水泵站的集水坑水位达到上限，启动排水泵。水位达到下限时，关闭排水泵。未能按时排出积水，则报警。
　　8.总降变电所控制
　　(1)两路电源控制
　　整个供电系统在设计时，两路电源可同时供电。当一路电源发生故障时，可保证70%的供电负荷，不致引起全厂停水。除两路电源的进线总闸刀为人工操作外，其余35kV、6.3kV开关屏和部分主要设备的0.4kV低压开关均可电动操作。整个电气系统由1台ELDATIC 2000 PLC装置控制，并作为中心控制室计算机集散控制系统的终端联用。操作人员只要将自己的操作密码通过键盘或功能键盘输入计算机，即可开始进行操作。操作人员将显示屏幕上的光标移至电气系统模拟图上的操作开关位置，认定后连续按动两个按钮，对应开关即行动作。非责任工作人员操作，或违反电气规程的操作(将会引起重大电气事故)均被锁定，不予执行。
　　(2)所有电气故障均立即在屏幕上显示，并发出声光报警信号。部分影响正常运行的故障则自动跳闸保护或切换开关。电气故障显示内容有:
　　a.主变压器系统(35kV/6.3kV 4000kVA):过压跳闸、欠压报警、过频跳闸、欠频报警、差动跳闸、短路跳闸、过流报警、温度报警、温度跳闸、轻瓦斯报警、重瓦斯跳闸；
　　b.厂用主变压器系统(6.3kV/0.4kV 100kVA):温度报警、温度跳闸、轻瓦斯报警、重瓦斯跳闸、短路跳闸、过流报警；
　　c.厂用变压器系统(6.3kV/0.4kV 400kVA):短路跳闸、过流报警；
　　d.6.3kV 800kV电机:过流报警、短路跳闸、过压欠压保护、堵转保护。
　　狼山水厂的自动控制系统刚投入运行，以上的方案有待于实践的检验，特别是方案中的调泵、加药、加氯、排泥的数学模型和许多设定值，必须通过一段时间的运行，取得比较翔实的资料，经过综合分析，再进行方案调整，使之更加完善。