水厂自动化系统方案(V型滤池)

水厂自动化系统方案（V型滤池）

V型滤池全称为AQUAZUR V型滤池，是由法国得利满水处理有限公司首创的专利技术。八十年代以来，我国认识到国外气水反冲洗技术的独特冲洗效果，陆续引进国外先进的气水反冲洗工艺，用于新扩建水厂中。近年来，设计常规处理水厂工程时，规模在5-10万m3/d及以上的水厂，在工艺流程的构筑物选型中，多设计了V型滤池，以改善制水工艺，提高水厂自动化程度和生产管理水平。

V型滤池是恒水位过滤，池内的超声波水位自动控制可调节出水清水阀，阀门可根据池内水位的高、低，自动调节开启程度，以保证池内的水位恒定。V型滤池所选用的滤料的铺装厚度较大（约1.20m），粒径也较粗（0.95—1.35mm）的石英砂均质滤料。当反冲洗滤层时，滤料呈微膨胀状态，不易跑砂。V型滤池的另一特点是单池面积较大，过滤周期长，水质好，节省反冲洗水量。单池面积普遍设计为70—90m2，甚至可达100m2以上。由于滤料层较厚，载污量大，滤后水的出水浊度普遍小于0.1NTU。

下面以我公司已完成的以V型滤池为工艺的广东揭东县自来水公司10万吨自动化水厂工程为例，详细介绍一个典型的自动化水厂（以PLC为核心）的自动化监测监控过程及系统。

一、控制模式：

根据DCS集散控制系统原理，揭东水厂自控系统采用三级控制模式，即现场设备手动控制，车间（PLC 分控站）自动控制，厂中央控制室集中控制，该控制模式有以下特点：

1．集中管理、分散控制。即可在中控室对水厂的各种设备进行控制和管理，又能在车间通过局部控制器对车间设备进行控制，避免集成式控制系统存在的危险性，即主机一旦发生故障，整个控制系统就会停止运转，当主控器发生故障时，各局部控制器不会受影响而仍执行各自的控制程序。某个局部控制器故障也不会影响其他局部控制器的运行，使系统可靠性大大提高。

2．可使操作调试人员从就地控制，车间（PLC分控站）控制逐步过渡到中央控制。调试安装方便，便于操作。

3．可维护性好。检修系统中任一部分，不会影响其它部分的自动运行。

由于PLC的可靠性高，可与工艺现场信号直接相连，而现代高档PLC如：Simens、Modicon、AB、GE等的通讯功能和网络功能都有很大提高，且有较强的功能软件平台，由PLC和工业型电脑组成的DCS系统在硬件、软件的可靠性、实时性、开放性等方面都具有很大的优势，同时，也符合国际上的发展趋势。

二、系统组成及特点

整个DCS监控系统由中央控制室和3个分控站组成，分别为：

1、中央控制室

2、投加间分控站（包括加药、加氯）PLC-01

3、滤池分控站PLC-02

4、一泵、二泵分控站（暂略）

其自动化网络结构如下：

1、系统设计特点：

系统由投加间，滤池两个PLC分控站连接而成MB+(ModBus Plus) 网，并设有操作员MMI站，工程师站，构成一个分布式集散系统（DCS）。本方案选择FIX MMI软件作为厂中控室监控平台以及选择Modicon PLC产品.

2、现场控制策略

为了确保自控系统出现故障时不影响供水生产，本方案采用如下三级控制策略：

（1）本地手动控制：全厂所有设备（包括单独和分组的）应能就地手动控制（包括各机电控制柜电动）。（2）分控站PLC控制：各分控站PLC执行自己的控制程序，处理现场I/O数据和信号，在与中控室脱机或通信总线出现故障时，各分控站能独立利用分控站PLC进行控制。

（3）中控室集中控制：中控室能对全厂的生产过程进行监控和管理，可动态地反映所有设备的运行状况和主要技术参数。

下面分别论述：

1．水厂中央控制室

(1)基本配置：

硬件：一台IBM 586以上电脑，一台打印机，一套SA-85通信卡。

软件：iFIX DMACS FOR WINDOWS NT（开发版）一套。

(2)基本功能：中控室是水厂的指挥中心，操作员在中控室可对全厂的设备进行监视和控制，同时，对从PLC系统采集上来的数据进行处理存储、通信、显示、打印等。

中控室最核心的是软件，而软件则由MMI工控软件和在此平台上二次开发的针对揭东水厂控制软件组成。iFIX DMACS工控软件包已连续四年被世界控制工程协会评为最佳人机接口（MMI）软件产品。

其基本特点如下：

a、精确的过程监控及管理控制。

b、面向实体的图形界面：系统建立的屏幕显示，即面向实体的图形用户界面（GUI）与我们对实体的直觉印象一样，人机接口完全汉化，亲切、直观、印象深刻。

c、实时和历史趋势：通过观察实时和历史趋势图可以得到详尽的控制过程情况，利用历史趋势处理，可以采集、存储并显示实时过程数据，并可以放大、缩小或移动时间目标以显示变量间的各种关系。

d、100%数据采集：具有优先的多任务特点，如打开文件或一份报告或图形，不影响系统数据收集和报警。

e、动态数据链接(DDE)：通过双向DDE接口，可以通过其它具有DDE功能的应用程序分享过程数据，可以通过电子表格或字处理软件，如Microsoft excel或Word来生成图表报告。

f、具有统计处理控制(SPC)功能。

g、报警及报警管理：能够连续对过程进行监测，它的报警提醒你注意潜在的问题隐患，可灵活定义报警限值。报警信息可显示在屏幕上，送打印机或形成报警文件。

h、安全特性：基于安全性，用户可被赋予个人或群组特权，并跟踪和记录下操作步骤，以便查询。

i、支持关系型数据库：可以与Oracle、Sybase 、SQL server、Ingres、Access及其它数据库共享数据，实时的SQL接口利用Microsoft ODBC（开放数据库连接）来提供系统与数据库之间的双向查询。

j、 OLE自动化（开放特性）：目标的连接与嵌入(OLE)功能可将过程数据与其它应用软件(如Visual Basic，Visual C++)集成在一起。

k、支持分布式的客户机服务器体系结构。

总之，使用FIX强有力的开发平台，我们可以通过二次开发将揭东水厂自动控制系统的所有数据、信息构造一个控制功能齐全，规模组织灵活，性能价格比较优的具有全集成自动化网络监控系统。

它具有三重集成：

·共同的数据管理

·共同的组态和编程

·共同的通讯

所谓共同的数据管理，也即强调在一个DCS系统中，任何采集点的数据只须录入一次，便可在全系统范围内使用，如果另一处需要该数据，则软件就可以从共享的数据库中获取数据，这样便省去了对复杂数据完整性的检测。

所谓共同的组态和编程，则意味着所有属于同一解决方案的组件和系统，只用一个全集成模拟工具包，即可组态、编程、启动、测试和监视，用户接口总是相同的，你可正确地使用最适合用户和任务的工具，例如，FIX包括了所有机器和水处理工厂状态图形化所要求的主要功能，以及以象素图形显示顺序流程的功能，如果不够用，或要求专用扩展应用软件时，可以通过轻松使用标准集成接口（DDE、OLE、ODBC、SQL）将其连接进去。

关于通讯，FIX已将通讯全部集成在系统中，例如在不知道用哪个网络与其它PLC通讯的情况下，就可对一个PLC进行组态，这是因为选择网络时，在组态中只有一个选择标准，“谁与谁通讯”，在连接表中有简单的定义，这种连接可在任何时候任何地点进行改变，这就表示集中式组态和分布式组态不再存在差异。具体的说，也就是FIX具有功能强大的通讯标准，诸如ETHERNET，TCP/IP，PRDFIBUS，AS-I接口，与PC

技术和标准软件的联合，使FIX全集成自动化（TIA）几乎适用于自动化市场的每一个角落，从传感器到传动装置到MIS/MES系统。

全集成且全开放，这就意味着用单一软件系统可实现一个公司的全自动化环境，这便是我们选择FIX 的主要理由。根据水厂运行的实际情况，我们可以在FIX平台上开发如下主要功能：

（1）控制、操作功能：在中控室可对全厂任何一台可控设备进行控制和人工干预，能对各分控站PLC的参数进行设定和修改，必要时在工程师站，可以直接对任何一个分控站进行编程或修改程序等。

（2）显示功能：能形象、实时、动态显示各生产过程的主要技术参数，能显示所有设备的运行状态，能用趋势图显示某些重要参数的变化情况。

（3）报警功能：当某一参数异常或设备故障，能给出声音报警，显示相应的提示信息和画面，并记录在报警数据库中，及时打印。

（4）数据库管理功能：中控室提供强有力的数据库管理功能，建立生产数据库，存贮生产原始数据，供统计、分析用，建立事故数据库，记录各类错误、事故等。

（5）数据处理功能：可利用在线数据和数据库中的数据计算主要生产指标。

（6）报表输出/打印功能：能打印公司所需要的各类报表。

（7）中控室获取的所有信息均可通过局域网送入公司主干网或通过无线电发向公司总调度室或接收自来水公司调度室的调度指令。

这里需要强调的是，在FIX平台上开发的软件，我们可以通过internet做到对全厂自动化系统远程诊断、远程修改、远程监测，经理可以出差在外，通过一部手提电脑获取水厂运行数据，同时，如果水厂运行出现故障，我们可以不到水厂现场，便可以观察、分析程序，将程序调出修改完后再下载，这样便可以尽快地解决故障。

附：中控室外打印报表功能

１：可打印加药、过滤分控站的班、日、月、年报表。

２：可打印以下曲线：

【1】原水流量、SCD值日变化曲线

【2】加药量、加氯量日变化曲线

【3】清水池水位日变化曲线

【4】出厂水流量、余氯、浊度日变化曲线

2．投加间分控站PLC-01

（1）、基本配置：PLC柜（含Modicon PLC）一个，搅拌机机旁控制箱两个、计量泵机旁控制箱一个。（2）、控制对象：加药自动化系统，加氯自动化系统（包括前加氯、后加氯），以及相关的检测仪表等。（3）、控制过程：

Ⅰ、加药自动化系统

药液配制投加：整个矾投加自动化系统可由溶液池、计量泵、液位控制仪和搅拌机柜等组成。

不管是固态矾还是液态矾，都面临一个加水再配制问题。一般而言，药液池都装有液位检测仪表，低限报警，并提示值班人员向池内加药，值班人员向池内加药后，发信号给PLC，当药液出现低限报警时须关搅拌机。

由于阀门都是手动的，故矾池均由手动切换。

关于药液投加自动化，我们认为应该采用SCD方法。

沉凝投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所在。在水厂实际运行过程中，水质水量不断波动，达到准确投药非常困难，过去较典型的方法是水质数学模型法，即以若干源水水质参数为变量，建立确定混凝剂投量的数学模型，这种方法涉及到较多的水质控制仪表，系统的可靠性低而投资较大，另一方面，要有长期大量的参数统计资料，才能建立正确的数学模型。

八十年代国际上发展了一种新技术——游动电流法（SCD）混凝投药控制技术，仅需控制游动电流一个因子，不需要大量的统计数据，使用灵活方便，其系统流程图如下：

其中，控制中心通常由微机或单片机构成，接受SCD信号并与给定值比较，作出调整投药量的判断，指挥执行机构，即计量泵工作，完成药量调节。

由于水的投药混合是有一定滞后的惯性系统，对其投药控制宜采用周期调节方式，一般情况下可以取3～5分钟为一个调节周期，影响加药混合反应效果的因素很多，其主要分为两大类:一类为源水水量大幅度变化(取水泵调泵)；另一类为源水水质的变化，如水温、浊度、PH值等，所以，一般是流量比例控制，SCD反馈控制组成复合加药控制系统。

利用配置的现有的两台计量泵，一用一备，2台泵并联工作，投加点设在源水总管上，通往投加点的管路上设有阻尼器、安全阀、注料阀等。

A：流量比例控制系统：

该系统由源水流量计、PLC-01、变频器、计量泵组成。

工作原理：源水流量计将源水流量信号值反馈到PLC-01，PLC数据处理后将控制信号值送到变频器，调节1台计量泵的投加量，使加药量能随源水水量大幅度变动而迅速补减。

B：SCD控制系统：

该系统由取样点、SCD仪、变频器、计量泵组成。

工作原理：SCD连续测定加药混合后水中游动电流值SCD，经其自身数据处理后，用控制信号值调节1台计量泵的投加量，使加药量能随源水水质的变化及时调整。

以上两种控制方式并联工作，使水处理工艺反应效果控制在最佳范围内，确保出厂水水质符合国家饮用水标准，并能有效地降低矾耗。

根据我们的经验，对于SCD方法而言，水样的预处理直接关系到SCD仪的寿命，以及控制工作的成效，选择合适的取样方式及辅助措施，如：旋流分离及斜管沉沙方法，去掉粗大泥沙，使水的浊度降至100度之下，使SCD正常工作，另外，采取气水分离措施排除水样中释放的气体，也很有必要。

在此，提出一个建议，由于加药自动化是目前投加自动化领域中最关键，也是难度较大的一个课题。我们知道SCD游动电流检测仪连续测定加药混合后的SCD值，与一个SCD的设定值（这个值可按照水厂设定的出水浊度值通过现场测试确定）相比较，根据比较值的正负，控制器调节计量泵的转速式冲程，从而使加药量随源水水质的变化及时调整，该模式需要确定一个SCD值为设定值，在运行过程中对设定值要加以适当的动态调整，现行的系统是采用人工经验调整的方法。

C、加药自动化系统基本配置：

主设备选用W&T和MILTONROY公司的，主要有以下配置：SCD行程长度调节控制器，变频调速电机，脉冲阻尼器，背压阀，压力泄放阀，计量泵校准杯，SC5200游动电流检测仪（带自动反冲洗），Y型过滤器等。Ⅱ、加氯（前加氯，后加氯）自动化系统

1、前加氯控制：前加氯控制采用与源水流量成正比投加的控制方式，由前加氯机控制器自动完成。

2、后加氯控制：后加氯采用滤后水流量为前馈量，滤后水余氯为反馈量，由后加氯机中控制器自动完成前馈——反馈闭环比例控制系统，该控制器直接控制加氯机加氯量，

3、投加方式示意图如下:

少量的前加氯有利于水的处理，且消毒效果好，而后加氯则实现满意的控制指标，满足出厂水及管网末梢的余氯指标，又不过多地消耗药剂，是水厂生产中追求的优化目标之一。

4、加氯系统设备配置：

自动加氯系统主要设备有：氯瓶、过滤器、真空调节器、前、后加氯机、水射器、余氯分析仪、漏氯报警仪、电动球阀、气源岐管、柔性铜管等。

设备选型及清单见附件。

氯瓶低压铃声报警，并在中控机上显示

（4）、投加间分控站自动控制系统模式

如上所述，投加间分控站的自动控制对象可分为三个相互独立的部分，这三个部分自成自控体系。PLC-01并不直接参与控制，更多的是监测。如各个部分的组成设备的基本工况、源水流量、滤后水流量、

余氯、前、后加氯量、发出设备故障报警等。但是，投加间分控站的控制模式与滤池分控站是一致的，即实行就地、车间和中控室三级控制。

①就地控制设备。加药、加氯等主要设备均要求可就地进行手动操作。在设备旁边均要求配备操作监视用的电控柜（箱），即使PLC-01控制系统全部退出运行，操作者仍能通过就地控制装置使全部设备切换到手动正常运转。

②投加间PLC控制系统。加药、加氯等各种设备的运行状态均要送到PLC-01系统中，各种主要设备均可通过从电脑发出的指令进行调节和控制，在中控系统退出时，对投加间控制系统不产生任何影响，它本身仍可控制加药间全部设备正常运转。

③中控系统。投加间设备的全部运行状态和信息，均可通过MB+工业高速数据网传入中控室，中控室的指令也可随时送往投加间进行控制。

（5）、中控室站须显示的模拟图形为：

·加氯间工况动态模拟图

·加矾间工况动态模拟图

·溶液池工况动态模拟图

3．滤池分控站（一期工程）PLC-02.

取消每格滤池池旁控制台中的小型PLC，据我们的经验，对于一个10万吨的水厂，滤池的全套控制与监测用一个大PLC，更有利于减少投资，同时增加系统的可靠性，不必要的过度分散，只会增加故障点发生的机会。从软件机构来看，小PLC仅能完成简单的调节与监测任务，大量的排队、通信、监测任务还需要与大PLC配合，倒不如集中在大PLC中完成，况且，池旁控制台主要用于三级控制模式中的手动模式，一般仅在调试或维修时使用。

(1)基本配置：

·6格滤池，每格配有超声波水位检测仪。

·三台反冲洗水泵，两台鼓风机，循环备用。

·两台空压机，一用一备，交替使用。

·一个PLC柜(Modicon)，一个继电器控制柜。

·6个池旁控制台，冲洗泵控制柜、风机控制柜、潜污泵控制箱各一个，其中冲洗泵、风机、空压机建议采用软启动器软启动。

·滤池出水流量计，出水浊度检测仪各一个。

(2)控制过程

A、过滤控制：

滤池正常工作时，由PLC-02调节每格清水出水阀，其根据是将每格池中的液位计液位信号及清水阀的开度信号送入PLC-02，经PID调节其清水阀开度，以求使进出水保持平衡，从而实现恒水位，恒滤速自动过滤。

B、反冲洗控制：

滤池的反冲洗可选择以下二种控制方式：

·单格滤池一步化控制（通过三级控制模式手动强行请求反冲洗）。

·定时自动排队冲洗。

冲洗程序为三级式冲洗：气冲气水混合冲洗水冲，当滤池反冲洗时，先关进水阀，全开清水阀，待滤池水位下降至设定值时，关清水出水阀，开排水阀，起动鼓风机开滤池气冲阀进行气冲，气冲两分钟（可调）后，开启冲洗水泵（一台）开水冲阀，气水混合冲２分钟（可调）后，关气冲阀，停鼓风机，开排气阀，再开启另一台冲洗水泵（共二台），水冲4分钟（可调）后，关水冲阀，停冲洗泵，待滤池水位降到设定值时，关排水阀，开进水阀，由滤池水位信号控制滤池清水出水阀开启度，完成一格滤池的反冲洗过程，排气阀定时关闭（时间根据滤池运行过程调整）。

滤池出水浊度、检测滤池的运行状态、流量信号送到加药间分控站PLC－02参与滤后水加氯系统的控制。

（3）滤池分控站PLC-02自动控制模式

滤池自控模式依然与投加分控制站一致，也是实行就地手动控制、PLC自动控制、中心控制室三级控制。

A、现场手动控制模式：

在每一格滤池旁均设有一个池旁电气控制台，所有该格滤池的被控阀门都将集中在控制台上按钮控制，通过将控制台上手动/自动转换开关置于手动位置，操作人员可对现场设备包括风机、水泵等进行集中式的现场操作，至于清水阀调节，可通过在池旁控制台设置开度位置手动调节器手动调节。当然，对于滤池而言，这种情况只是在调试和维修时才采用，属于临时性质。

B、PLC自动控制方式：

在此方式PLC控制系统通过对滤池工况及风机、水泵、各种阀门情况的监测，根据液位计及冲洗周期，自动确定哪格滤池冲洗，并启动反冲洗程序，在中控室退出时，对滤池本身自动控制不产生任何影响。

C、中控室计算机键控方式：此方式下，操作人员可根据生产情况通过键盘设置各种滤池参数，并通过所显示的工艺流程对滤池进行遥控操作，可以指定任一滤池进行一步化操作，也可分步点控，或按预定循环次序将滤池逐一全部进行反冲洗。

（4）、PLC-02分控站监控及信息传递

·显示6格滤池运行状态(过滤、停止、故障)

·显示每个池的过滤时间及液位值

·显示风机、水泵工况

·显示滤后水浊度

（5）、中控显示的模拟图

·单格滤池工况动态模拟图

·泵房工况动态模拟图