中小型水厂自动化技术改造的实践与体会

——振华水厂改造工程实例分析报告

陈牧民 吕跃进 李殊粱
（开平供水集团股份有限公司 529300）

　　摘　要：本文介绍了振华水厂自动化控制系统的组成与功能，着重论述了改造前后净水工艺控制方式的变化，并就自动化生产运行一年来的实践经验提出对中小型水厂自动化技术改造的一些体会。
　　关键词：中小型水厂 技术改造 自动化控制 体会

一、振华水厂简介

　　振华水厂于1994年底投产，规模：6万立方米／日，属中型水厂，担负着开平市城区大部的自来水供应，其供水水质及安全性对整个城区都有着重要的影响。
　　工艺流程：

　　该厂生产控制方式为现场手动控制方式，投药、加氯的准确度、连续性，滤池反冲洗、二级泵站供水的安全可靠性都受到相当大的制约。为适应《城市供水行业2000年技术进步发展规划》要求及人们对水质和供水安全性要求的提高，1999年5月我水司与有关高校科研人员及自控专业公司合作对该水厂进行了自动化改造。经改造后的生产实践证明，效果相当不错，说明中型水厂自动化改造是必要和可行的，具有一定的推广价值。

二、自控系统改造设计思路

2.1 系统组成
　　本自动控制系统主要由中央控制室两台计算机（Pentium Ⅱ/450，内存96M）、模拟屏及现场两套PLC（SIMATIC S7－300，CPU314）组成，控制规模DI160点、DO96点、AI24点和AO12点。采用DCS（Distribute Control System）系统，为中央控制室集中监控、PLC分散控制和现场操作台手动控制的三级控制。PLC软硬件主要由西门子公司提供，使用 Windows NT 4.0操作系统构成C／S结构，分别以STEP7和WinCCV4.0为编程与监控软件。整个系统采用MPI多点接口网络，PLC框架采用内部总线，PLC与计算机之间采用RS－485通讯接口，两套PLC站通过专用双绞线联接，如图1所示。

　　其中，二级泵站PLC监控泵站电机、水泵、真空泵及阀门工作状态，监测调速泵频率、运行时间、电流、电压、电源有功功率、耗电量、机泵阀开关量状态及出厂水水质指标；而中控室PLC同时监控加矾、加氯、过滤、反冲洗和反冲洗水池补水系统的设备运行工况，监测混合SCD值、滤后水余氯及原水水质指标。
2.2系统功能
　　监视功能
　　模拟屏以直观的表达方式，通过色彩和动态显示数据，形象表示出制水生产全过程。监控计算机可以对生产进行全面监控，并对投药、加氯、滤池及送水泵站各系统以立体图和平面图表现相应的工艺流程、设备运行工况以及仪表参数。此外还具有历史数据分析和报表系统功能，自动生成7种不同类型生产报表，并可随时进行修正和打印。
　　自动控制
　　自动控制分为人工和自动方式，前者是把输出模拟量固化，后者则通过预设参数实现优化控制，控制单元对设备检测部份传来的信号进行运算，将结果送至设备执行部分。
　　故障诊断
　　PLC外部控制电路和Ⅰ／O接线系统的故障检测诊断，由用户程序找出最佳矛盾逻辑状态组，及时发现故障点，开启报警并记录。通过启动“报警置位”功能复位，消除故障。
2.3 改造后净水工艺控制方式
　　（1）加矾系统
　　改造前采用重力与泵压联合投加：矾液从高位矾池流入矾泵，经提升至高度与矾池项约相平的缓冲罐，然后应用重力投加。受原水管道压力变化影响，在水质水量发生变化时，凭经验人为调节造成滞后和不准确。
　　改造后，加矾系统采用隔膜可控容积计量泵、变频调速电机和美国 Mition RoySC5200－E4WJOOO游动电流检测仪（简称SCD仪），见图2。其中，以原水流量为前馈量控制电机频率，流量越大，频率越大，转速也就越高，确保原水流量发生阶跃变化时控制系统响应速度和稳定性；以SCD仪检测混合SCD值为反馈量控制计量泵冲程。水厂集中采用中控室PLC内部PID控制器，实现PID控制算法。

　　加矾系统在原水流量计和SCD仪的自动监测下，实现频率和冲程双点调节，最大限度扩展控制范围，适应了原水水量和水质大幅度变化，并可克服原水管道压力变化影响，保证了混凝效果。
　　（2）加氯系统
　　改造前只有滤后加氯，投加量偏差多少依据一小时后检测耗氯量、余氯值来估计，再手动改变加氯机开度，调节氯气流量，调节粗糙，反馈过慢，致使加氯不够可靠。
　　改造后，滤后加氯采用复合环控制，并增加反应前加氯系统。
　　反应前加氯按原水流量比例投加，属开环控制。滤后加氯以原水流量为前馈量，以滤后水余氯为反馈量进行投加，属闭环控制。
　　应当说明的是滤后加氯流量信号仍取之于原水流量，是因为原水流量与滤后水流量不等情况很少，且有余氯仪检测反馈。这种前后反馈复合环控制加氯技术保证后加氯系统稳定性和可靠性，也适应水量和水质变化。
　　（3）滤池系统
　　原系统过滤时靠肉眼判断滤池水位高度，手动调节进水阀和滤水阀门，造成水位忽升忽降且各滤池水位高度不一，滤速不均。
　　改造后，保持进水阀全开，以超声波水位仪和角度转换器分别监测滤池水位和滤水阔开度，执行PID指令后，送出开度控制信号，实现恒水位过滤。如图3所示。

　　过滤到一定周期进行自动反冲洗。为简单起见，反冲洗省去按阻塞值条件控制，当过滤能力下降并形成一定水头差，值班人易发现水位突破恒定水位并不断上升，由此进行强制反冲洗。另外，反冲洗水池自动补水，以液位计反馈液位高度信号控制水泵启停，同时保留原靠浮球到达限位作为水泵停止信号的控制，两者并用确保反冲洗水池满水后水泵自动停止，以免事故发生。
　　（4）二级泵站系统
　　改造前，四台型号一致大泵和一台小泵都是定这泵。手动控制出水阀门开度来调节供水压力，浪费能量且不适应管网压力变化。改造后，利用压力变送器的压力反馈，一号大泵进行变频调速，达到恒压力供水目标，如图4所示。
　　变频器最佳输出频率范围为40Hz至49Hz，当达到设定极限50Hz时，变频器会自动跳闸，并发出警报。在实践中，以一号变频调速泵与其它定速泵的不同并联组合，使变频调速在最佳变频范围进行工作。

三、运行效果及体会

3.1 运行效果
　　（1）加矾和加氯两套系统均实现了优化控制，确保了水质的提高。出厂水浊度一般在1.0NTU以下，余氯值在0.4～0.7mg/L之间，达到Ⅰ类水司水质标准，其它指标均符合或优于国标。另外，自控监测仪表一般都有灵敏度高、准确性好和易于维护的优点。
　　（2）自动化控制，大大降低了工人的劳动强度，提高工作效率。同时，也提高了净水生产的稳定性、连续性与供水的安全性，符合供水行业现代化生产技术的发展要求。
　　（3）降低了能耗、药耗。
　　利用调速泵与定速泵不同并联组合来适应不同供水需求，在满足管网压力逐时变化前提下提高效率，节约了电能。我们对调速大泵和一台定速大泵并联运行与两台定速大泵并联运行作出比较，节能约为10％左右。不仅节约电能，而且经统计节约矾药约10％。
　　如表1所示。

　　3.1  体会
　　中小型水厂规模小，自动化改造的投资成本相对较高，因而需要在保持技术先进的前提下寻求自控系统的可行性简化。如用集成在CPU内的MPI进行简单联网，以STEP7用户接口简单组态等。
　　对中小型水厂自动化技术改造在我国尚属尝试阶段，应用不多，本项目注重设计与实际情况的紧密结合。例如，本厂的原水进水采用计量堰计量时一般会出现水面波动较大的现象，我们通过设置挡板以消除计量堰水面紊动，确保水位和流量信号检测准确；反冲洗水池抽水泵真空判断原以在真空表内设定固定真空值为准，为适应清水池水位大幅度变化要求，特改用在真空管路内水位提升浮球取得真空形成信号等。另外，进口自动监测仪表需稳定安全的工作环境才能正常发挥作用。对此我们在相关仪表前加设缓冲排气筒，出厂水经气水分离后依靠重力流向仪表，相对稳定、平缓，使仪表正常工作。
　　水厂生产实现自动化控制，改变了传统的生产运行方式，促进了净水处理技术水平的提高，经过一年多的实际运行证明，改造是成功的，达到了我们预期目的，提高了投药加氯的准确、连续性，提高了供水安全性，降低了药耗。当然，改造工程本身存在某些局限性，我们将精益求精，在生产实践中个断完善，使经济效益和社会效益双丰收。

参考文献

　　[1]　SIMATIC S7-300可编程序控制器，西门子（中国）有限公司出版社，1996
　　[2]　袁任光 可编程序控制器（PC）应用技术与实例 广州：华南理工大学出版社，1992.9