从国情出发搞好水厂自动化建设

—— 普宁莲花山水厂自动化系统介绍

王都喜
顺德科力给排水工程发展有限公司

　　摘要:本文介绍了由国内自控公司自行研制开发的普宁市莲花山水厂自动化系统网络结构，对系统中的几个网络配置进行了说明，最后详述了水厂自控系统的几个主要控制单元的功能，并对整个自动化系统进行总结。
　　关键词:水厂、自动化、PLC、控制单元

　　一、概述

　　随着社会经济的快速发展，水对人民生活与生产的影响日益加强，对供水的质量与安全可靠性的要求不断提高。自80年代以来，随着微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，大大地推动供水系统的自动监控技术的发展。浊度、pH值等水质关键参数的在线检测质量过关，微电脑控制器、计量泵、调节阀等控制、执行设备性能良好，加之西方发达国家雄厚的经济实力与技术基础，国外供水系统的自动监控已得到普遍应用，一些水厂己实现全自动运行。这种高度自动化运行的模式是符合西方国情的。我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。一些水厂自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调控功能并不强，供水管网没有管网调度系统，不能全面实时监视水厂及管网运行情况，给供水企业的运行和管理造成困难。研制开发城市供水系统的监控系统，必须考虑到中国供水行业的技术与经济力量，我国水厂目前的基本现状是；水工业整体装备基础薄弱，技术水平低，多数水厂面临缺资金、少技术，成套国外监控设备买不起。这一实际情况决定了发展中国供水行业的现代化不能全盘照搬西方发达国家的经验，通过引进，学习国外的先进技术，结合国情研究开发出适合国情的水厂自动化控制系统。我们在普宁莲花山水厂自动化系统建设中，引进了国外先进的加药、加氯、阀门设备，在工艺处理的关键部位安装在线式智能仪表，发挥国内自控公司的技术力量，建设了一个较为先进的自动化水厂。

　　二、普宁供水局情况

　　普宁地处粤东经济不太发达地区，至八十年代末，全市仅有一个平头岭水厂日供水能力3．2万m3，1995年又建成了日供水能力3万m3汤坑水厂市区建设规模从1985年的10．5平方公里扩展至21．34平方公里，市区自来水用户从1985年的15000户增加到1995年的41000户，市区迅速扩大与供水滞后的矛盾异常突出，市区很多区域供水不足，水压水质偏差，彻底改变普宁市区及周边地区的供水问题，促进经济发展成为当前市领导的重大事情，在市政府的直接领导下，于1996年4月成立供水局，普宁莲化山水厂工程建设指挥部正式成立。通过政府贷款、华侨捐款、国债、企业自筹多渠道筹措资金建设一个日产20万m3(首期10万m3)莲花山水厂。水厂自动化工程于1999年5月进行公开招标，几经筛选，最后由广东顺德科力给排水工程发展有限公司中标承建该项工程，于2000年3月普宁莲花山水厂自动化系统正式投入运行。

　　三、自动化控制系统组成

　　普宁供水局下属有三家水厂：即平头岭水厂、汤坑水厂、莲花山水厂(新建)，分布在市区25公里范围内。通过建立莲花山水厂自控系统，使莲花山水厂自动控制系统、供水局无线电供水调度及供水局的管理信息系统联接起来，组成供水管理局的企业内部网。自控系统和调度系统所采集到三间水厂和几个管网压力实时数据送供水管理局管理网络系统的数据库，被供水局企业内部网中的所有子系统共享，在供水管理局内部网上任何一个终端在授权情况下能监视到平头岭水厂、汤坑水厂、莲花山水厂和管网的运行情况，对水厂的各类生产运行数据进行监测和控制，动态掌握三间水厂及管网的运行情况，做到心中有数、合理调度，降低生产运行成本，提高生产效益，提高管理局和水厂的生产管理水平，自动化系统结构图如图1所示。
　　自动化系统分成两个网络，一个是供水局与莲花山水厂通过一对HUB构成点对点通讯与供水管理局组成的以太局域网，另一个是新建的莲花山水厂作为一个独立的自控系统，建立水厂的工业控制网一Mondbus plus网。从图1中可以看出，共有七个SCADA节点和一个查看节点以以太网构成LAN，莲花山水厂中控室一台电脑配置Fix Sewer，供水局调度室配置一台Fix Client查看节点，提供共享数据。
　　1、莲花山水厂与供水局通讯
　　莲花山水厂与供水局大楼仅一墙之隔，相距约100米，直接将水厂中控室两台电脑接入到公司的网络中，在水厂中控室与供水局调度室各配置一对HUB接线器构成点对点的以太局域网，采集水厂的实时数据送到供水局服务器数据库中，实现数据共享。
　　2、无线电供水调度系统
　　供水局无线电供水调度系统于九七年建成，该系统投入三年以来，基本到达原设计要求，但随着普宁供水管网的不断扩大，莲花山水厂的建设、供水局办公大楼的搬迁，以及近年来计算机、自动化及遥测技术的发展和新产品的出现，原有的无线电供水调度系统不能适应新的形势发展的要求。需要对无线电调系统进行改造扩容。为了节省资金，保留原有的普宁市供水管理局无线电供水调度系统端机和电台设备，在原系统的基础上增加了4个管网测压点，将调度中心迁至供水局新办公大楼。

　　3、莲花山水厂与里湖泵站通讯
　　里湖泵站与莲花山水厂18Km，实现两地之间的通讯有无线和有线两种方式，采用无线扩频通讯方式与水厂自控系统通讯，具体有两种方案：第一种方案在水厂自控系统中配置一个Modbus到Modbus Plus网桥，在里湖泵站PLC接一台无线扩频收发设备，在网桥BM85上接一台无线扩频收发设备实现里湖泵站与水厂PLC之间的数据通讯。第二种方案是在里湖泵站计算机接一台无线扩频收发设备，在水厂中控室电脑上接一台无线扩频收发设备，实现两地计算机之间通讯。第一种方案将里湖泵站PLC通过网桥直接接入水厂自控网络， 成为一个分控站，整个水厂自控系统结构较好、可靠性高，但需要增加网桥设备，成本较高。第二种方案实现两地计算机之间通讯，无需增加设备，造价较低，但可靠性较差。在莲花山水厂自控系统的实施过程中，两种方案都进行了实验，由于普宁地区地处出区，两地相距较远，中间被山相隔，接收的信号经常出现中断数据，解决这一问题的办法是需在两地之间的山上建立一个信号中继塔，工程造价太大。系统在运行一段时间后改为租用电信局专用电话线，很好地解决了两地之间的通讯，但租用专用电话线存在着月租费用较高，依赖于电信局线路可靠性有限的问题。
　　4、水厂自控系统PLC选型及网络
　　目前国内外水厂自控系统比较常见的型式是工业计算机(IPC)和可编程序控制(PLC)组成的分布式控制系统。其性能已达到DCS的要求，价格比DCS系统低，且开发方便。普宁莲花山水厂的自控系统采用计算机-PLC控制系统。FLC自控产品种类很多，水厂应用较多的PLc产品有美国AB公司的PLc—5、德国SIEMENS公司的S5、S7以及法国施耐德公司的Quantun等产品，各家公司同档次的PLC性能大同小异，其价格也相差无几，考虑到在广东粤东地区施耐德公司的产品应用较广，工程技术人员对该公司的产品比较熟悉，对将来的维护和使用带来方便，我们选用了Quantun43412高性能PLC产品。编程软件为ConCept2．1，上位监控软件为Intellution公司Fi7.O
　　水厂控制网络采用Modicon公司的Modbus Plus网，该网络是一种对等的令牌网络，网络传输速率为1Mbit/s，不使用中继器传输距离达450米，水厂网络总长约1000米，网络上配置两个中继器NWRR85。
　　莲花山水厂按照水厂的工艺配置、测控点的位置、数量，兼顾使用和维护的方便，水厂共分成五个分控站。即里湖泵房分控站、投药消毒分控站、滤池分控站、二级泵房分控及水厂中央控制室。

　　四、自动化的几个主要控制单元

　　1、投药棍凝单元
　　加药是水质净化最重要的环节，而准确投加所需要的药量则是取得较好混凝效果的关键。影响药剂投加量的因素极为复杂，除混凝过程的水力条件外，还有原水悬浮物含量、粒径组成、肢体颗粒性质，因此混凝投加控制是水厂控制的重点。
　　加药控制普遍应用计量泵控制投加，国内有些水厂利用原水流量优化控制投加泵的频率，计量泵冲程由现场手动或电脑上遥控；也有一些水厂采用流动电流仪内置的PID功能闭环控制投加泵的频率，计量泵冲程由现场手动或电脑上遥控。这两种控制方法简单，投资省，在水质和原水流量比较稳定时控制混凝投加效果较好，但当雨季原水浊度较大时就很难控制加药量，特别是当原水流量发生突变，加药量不能迅速响应原水流量的变化。莲花山水厂加药控制系统采用原水流量比例控制计量泵频率，加药混凝后的sc值反馈闭环控制投加泵的冲程。亦即：粗调频率、微调冲程，领率和冲程均由加药分控站PLC自动控制，确保原水流量发生阶跃变化或原水浊度大幅变化时，控制系统的响应速度和稳定性，最大限度地扩大控制范围，保证投加效果，节约药耗，其系统更具有灵活性。加药控制系统的示意图如图2所示。

　　加矾计量泵控制频率和冲程的数学模型如下：
　　I_f=K_f·Qm
　　其中:　I_f—频率控制量
　　　 　　I_s—冲程控制量
　　　 　　B—输出补偿或前馈
　　　　　 E—偏差(SCD的设定值SP-过程变量PV)
　　　 　　K_p—比例增益参数
　　　 　　K_i—积分增益参数
　　　 　　K_d--分调节参数
　　　 　　Q_m—原水流量瞬时值
　　加矾计量泵共三台，根据加药量一用二备，或二用一备，计量泵为美国Miltroy公司产品。计量泵频率和冲程控制直接由PLC控制。在水厂自动化研制过程中，用一个国产手操器作现场手动调节控制冲程，不需配置计量泵冲程控制器，每台计量泵冲程控制器价格一般在800美元以上，可大大减少设备成本。
　　2、加灰控制单元
　　原水为河水，水质偏酸性，增加投石灰控制单元，控制原理由原水流量作前馈和混合后的pH值作反馈，组成带前馈和反馈的闭环控制系统，由PLC控制器内置PID功能经优化设计，控制加灰泵的频率，冲程由电脑遥控或现场手动控制。
　　加灰计量泵共三台，根据加灰量—用二备，或二用一备，计量泵为美国Miltroy公司产品。加灰控制计量泵频率的数学模型同加矾控制计量泵冲程相同。
　　3、加氯消毒单元
　　加氯分前加氯和后加氯，前加氯作预处理，有效杀死藻类、鱼类，避免其在沉淀池和滤池里大量繁殖；后加氯的作用直接关系到出厂水的水质指标，保证供水管网含有一定氯，避免细菌繁殖。
　　前加氯机两台，美国W＆T公司提供的V2020柜式真空加氯机，带SCU控制器，互为备用。加氯机本身带有比例控制单元(SCU)用于现场控制，自动控制直接由PLC控制器完成。
　　前加氯控制原理：按原水流量比较控制前加氯，其控制的数学模型如下：
　　　　　 I_f=K_f·Q_m
　　其中: I_f—前加氯控制量(由原水流量确定)
　　　　　K_f——比例系数
　　　　　Q_m—原水瞬时流量
　　比例系数Kf的设定根据原水水质情况一般在1．5—2．5mg/L之间，这个参数设置成可调系数，在上位机上由操作人员设定。
　　特别需要说明的是，加氯机的真空度必须在400——-800mbar之间才能较好地控制加氯，由于水压或水射器原因，经常造成加氯机的真空度差，导致加氯量与控制器的给出量不一致，在实际运行中，这种情况还不易发现，因此，仅仅用原水流量开环控制前加氯量还不够准确，为了确保加氯机给出的加氯量与要求的一致，在工程中我们对前加氯也采用闭环控制，用原水比例值I0作设定值，加氯机的开度即加氯量作反馈组成闭环控制系统，控制加氯机的开度。
　　后加氯机两台，美国W＆T公司提供的V2020柜式真空加氯机，带PCU控制器，互为备用。
　　后加氯控制原理：以滤后水流量作前馈，滤后水在清水池入口处混合后的游离余氯作反馈，通过PID调节控制后加氯量，使游离氯控制在一定的范围内。要控制出厂水余氯，按严格的要求应该直接控制出厂水余氯。在实际生产中，由于滤后水在清水池滞留时间长，清水池内游离氯少，会造成清水池腐蚀，实际生产证明，通过控制清水池入口处的余氯，亦即控制了出厂水余氯，也就没必要再控制出厂水余氯，节省工程造价。
　　在水厂自动化研制过程中，加氯机本身带有过程控制单元（PCU）用于现场控制，后加氯直接由PLC控制器自动完成。由于工艺配置时，消毒投药设备一般都集中加药间，与滤后水投加点相距较远，控制系统存在一个时间滞后的问题，解决滞后的问题方法有几个，将滤后水余氯分析仪设置在滤后水采样点附近，缩短采样时间，配置增压泵、还可以加大加氯管的直经，大大减小了投加时间。在控制系统实施过程中，后加氯由PLC控制器来控制投加，由滤后水流量作前馈，滤后水余氯值作反馈信号，组成一个带前馈和反馈的闭环控制系统，如图3所示。加氯机开度的数学模型：
　　　　 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(由滤后水流量确定)
　　　　　I_O——后加氯控制量
　　　　　B——输出补偿或前馈

　 　　　　E—偏差
　　　　　 Kf—比例系数
　　　　　 KP—比例增益参数
　　　　　 Ki—积分增益参数
　　　　　 Kd——微分调节参数
　　　　　 Qm—滤后水瞬时流量

　　由加氯机自带的比例控制单元(SCU）和过程控制单元(PCU)与直接由PLC控制器经优化PID控制两种控制加氯方式比较，从控制效果上来讲，PLC控制加氯效果更好，通过调试，找到最佳的FID参数：比例因子、积分因子、微分因子，以及前馈量，而且控制系统更具灵活性，随着水质参数的大幅变化，仅需在中控电脑上对PID参数进行修正，特别是每台加氯机节省了一个SCU或PCU控制单元，每台SCU或PCU单元造价一般在1000美元以上，大大节省了设备成本。
　　4、滤池控制单元
　　过滤是水处理工艺的最后的把关环节，其控制系统的开发研制也是水处理工作者多年来一直研究的课题之一。目前滤池的控制系统的结构形式大致有两种，其一是整个滤池由一台PLC集中完成滤池的过滤和反冲洗控制，其二是每格滤池由一台小型PLC控制，公共反冲部分由一台较大的PLC完成控制，滤池系统组成自成一个控制网络。这两种控制系统形式在水厂比较常见，各具特点。前一种方式，控制集中、简单、造价较低，但整个控制系统的由一台PLC完成，程序、调试工作量大，而且一旦PLC损坏，造成整个滤池不能自动控制，可靠性差；后一种控制系统，每格滤池控制分散，可靠性高，而且每格滤池的程序编制一样，仅需编制、调试好一格滤池即可，大大地减少了工作量，但系统配置复杂，成本高。莲花山水厂滤池控制系统采用后一种控制方式，由公共PLC和每格滤池PLC组成滤池控制网络，每格滤池操作台内置一台小型的Momentum系列PLC，完成每格滤池的过滤控制和数据采集，并与公共PLC交换数据信息。由公共PLC负责反冲洗控制和与其它分控站及中控室通讯。从莲花山水厂运行一年多来看，实现了滤池的恒水控制，自动反冲洗控制，实现三台冲洗水泵和三台鼓风机轮循控制。
　　5、泵站控制单元
　　里油泵站和送水泵站设备配置相同，有四台10kV送水泵机组和高、低压配电设备，主要实现对高、低压设备和水泵机组的遥控、保护，并对水质及运行参数的的在线监测。
　　6、中控室
　　水厂中控室配置两台电脑，一台用于操作，另一台用于监视，互为备用，提高系统的可靠性。
　　基于Windows NT平台下开发的Intellution公司监控软件Fix7．0，具有良好的人机界面功能，功能强大，简单易开发，非常适合水厂开发监控画面。在水厂工艺总平面监控画面上点击某一点，自动显示该单元的控制画面；在设备画面上点击，自动显示设备操作画面，对设备进行启、停操作和优化参数设定；在水厂工艺流程画面上点击，自动显示工艺参数趋势曲线。在莲花山水厂自动化系统中，我们开发了一套适合于水厂生产要求全套监控画面，画面立体设计，形象逼真，简便，易操作。
　　为了保证生产数据可靠、准确，生产工艺数据均由PLC采集并处理，生产管理数据均由PLC运算处理，直接产生小时生产数据、日生产数据、月生产数据、季生产数据、年生产数据，—般情况下PLC是不会中断运行的，Fix7．0监控软件还具有数据补调功能，即使有某些数据丢失，还可以补调回来，避免了电脑数据因关机、停电、或电脑故障等原因，造成数据丢失，无法产生完整的生产数据。莲花山水厂开发了适合生产管理的生产日志、生产日报表、生产月报表、生产季报表、生产年报表、生产年台账，水厂自动化投入运行一年多来，生产报表准确，给水厂生产管理提供了极大的方便，大大地减少了过去繁重的数据处理工作。
　　7、供水局调度室
　　供水局调度室与水厂中控室构成点对点的以太局域网通信，调度室配置一个2．5米高、10米宽大型模拟屏，一边显示莲花山水厂的工艺流程和平头岭水厂、汤坑水厂的主要工艺水质参数和设备运行状态，另—边显示供水调度系统管网图，显示各测压点的压力。将水厂工艺流程和供水管网调度系统在同一个模拟屏显示，使整个供水局生产情况，一目了然，管理非常方便。调度室作为供水管理部门，只对生产进行调度，但不能对莲花山水厂设备进行操作。
　　8、系统的安全性
　　供电电源的可靠性：双电源市电保证供电可靠，另外公司调度室和水厂中控室及各分控站配置有在线式UPS电源，能确保PLC、仪表等自控设备不会因市电短时停电中断工作。系统后备；水厂控制室内两台电脑和调度室内两台电脑可互相备用。
　　防雷击措施：普宁城区属多雷发区，经调查水厂附近的电信、电视广播中心等几家单位经常遭遇雷击，造成了巨大的经济损失。在莲花山水厂自动化实施过程中，系统的防雷措施显得格外重要。自控公司和佛山富兰防雷研究所反复讨论防雷方案，首先做好防直接雷的措施，对各建建筑物装设避雷带和接地系统，保证接地电阻小于1欧姆；同时对自控系统供电电源采用雷电波波前零秒响应装置防雷，克服国内外避雷器在对特别尖锐雷电脉冲因冲动延时的瞬时(ns级)设备被毁的弊病，滞后雷电波到达的时间；仪表信号传输线、PLC及计算机设备网络线是传输、扩展雷电波雷害的主要途径之一，为了杜绝由信号线引入的感应雷和雷电“二次反击”造成的损毁，在信号线的进出端串接安装防感应雷的信号避雷器。经过两个雷雨季节的考险，自控制系统未到雷击破坏，保证了自控制系统的正常运行。

　　五、结束语

　　普宁莲花山水厂自动化系统自2000年3月投入运行，一年多来出厂水浊度控制在1．0NTU以内，达到一级水司的标准，其它水质参数如余氯、PH均控制良好。通过不断摸索和提高，逐步掌握了其运行规律，生产管理日趋成熟，下面就莲花山水厂自动化作一个简单总结。
　　1．实现供水局对下属几家水厂全盘调度，数据采集准确、可靠。
　　2.实现加矾、加氯自动控制，滤池恒水位过滤、反冲洗控制，泵站设备的遥控，大大降低工人劳动强度，改善工作条件，提高工作效率。
　　3．实现生产的优化控制，强化工艺处理效果，确保出厂水水质。出厂水质各项指标均符合或优于国标。
　　4．先进的自动化技术提高了净水生产的稳定性、连续性与供水的安全性、符合供水行业现代生产技术发展的要求。
　　5．系统采取的防雷击措施，通过几个雷雨季节的考验，证明是有效的。
　　6.通过国内自控公司自行开发、设计，在工艺关键部位采用进口的在线智能仪表和设备与国产设备相结合，大大节省了工程造价。
　　我国水厂遍布全国各地，普遍需要建立自动化监控系统，但长期受经济、技术等因素困扰而难以实现，莲花山水厂通过国内自控公司自行设计、开发取得成功，大大地减少了系统的造价，对全国各地水厂尤其是经济不发达的地区水厂建设提供了成功应用的经验。