小議中小型水廠自動化科技整改

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目前，我國北方大部分中小型水廠均采用兩級泵站的管理模式，即：由深井泵組成一級泵站采取地下水至水廠蓄水池進行水處理；而后，由二級加壓泵站向用戶管網(wǎng)供水。控制方式一般為人工控制的繼接方式，自動化水平低，水、電資源浪費嚴重，設(shè)備事故隱患多、管理困難。我們?yōu)槟晨h自來水廠開發(fā)了一套由上位機、可編程控制器(PLC)、變頻器、相應(yīng)傳感器及執(zhí)行機構(gòu)組成的水廠微機集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已連續(xù)運轉(zhuǎn)三年，性能穩(wěn)定可靠，提供了一種針對中小型水廠的，以節(jié)能降耗、提高自動化水平為主要目的的技術(shù)改造方案。

1系統(tǒng)的主要功能

該水廠的基本情況為：一級泵站包括5口深井，每口深井配備22kW多級潛水泵1臺，共同向一蓄水能力為2000m3的蓄水池蓄水；加壓泵組為5臺45kWDL型立式泵，向管網(wǎng)加壓供水。對控制系統(tǒng)的設(shè)計要求是：對水廠的設(shè)備運行及生產(chǎn)狀況進行自動化控制和管理。該控制系統(tǒng)的基本功能如下：

(1)保證用戶管網(wǎng)供水壓力恒定。操作人員設(shè)定管網(wǎng)壓力后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和壓力傳感器采取的管網(wǎng)實際壓力信號，采用1臺調(diào)速泵配合1～4臺恒速泵的運行模式，自動調(diào)整加壓泵站中恒速泵的啟動臺數(shù)和調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，在較高的精度范圍內(nèi)保證管網(wǎng)的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下最大限度地節(jié)省電能。同時，減少了由于無謂磨損、頻繁啟停等原因?qū)λ迷斐傻膿p害；以及用水低峰時，由于管網(wǎng)壓力過高造成跑、冒事故，浪費寶貴的水資源。

(2)蓄水池水位自動控制。由于用戶用水量的變化較大且具有隨機性，而水廠對蓄水池內(nèi)水位控制的精度要求較高。故在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計中，采用模糊算法在保證蓄水池水位維持在標準范圍內(nèi)的前提下，合理安排潛水泵的啟動臺數(shù)，避免潛水泵的頻繁啟停及無效運轉(zhuǎn)。

(3)自動倒泵功能。為防止某臺水泵長期不運轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕，由PLC控制4臺水泵定期輪換作為變量泵運轉(zhuǎn)，即自動倒泵功能。

(4)防水錘電器互鎖功能。由于管網(wǎng)壓力較高，為防止水錘對水泵的沖擊，在每臺加壓泵的出水口處安裝電動蝶閥，由PLC按照先開泵后開閥、先關(guān)閥后關(guān)泵的模式進行控制，有效地防止了水錘的危害。

(5)直觀的圖形顯示及尋檢功能。上位機采用14寸彩顯，以動畫圖形及中文方式顯示水池液位、管網(wǎng)壓力、水泵及閥門運行狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、耗電量、產(chǎn)水量、設(shè)備狀況等信息。

(6)生產(chǎn)管理功能。上位機隨時檢測并記錄水廠各臺水泵的出水量及運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以班次為單位生成生產(chǎn)報表，自動統(tǒng)計出水量及耗電量，并存入指定單元。

(7)報警及保護功能。當發(fā)生電氣、液位、機械等故障時系統(tǒng)進行聲、光報警，并采取相應(yīng)措施。上位機故障時，PLC及變頻器可以組成獨立控制系統(tǒng)進行工作；若整個上、下位自動系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場控制柜具有手動功能，以保證向用戶供水的不間斷。

2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)上位機：水廠需24h連續(xù)運轉(zhuǎn)，現(xiàn)場干擾源多、環(huán)境惡劣。因此，上位機選用了具有較高可靠性、較強抗干擾能力的研華(ADVANTECH)IPC-610/486型工業(yè)用微機。上位機與PLC之間采用RS232標準串行口進行通訊，傳輸速率9600b/s，11位數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長度7位，1位校驗位，啟動1位，停止2位。另選研華10位A/D采集卡，采集蓄水池水位信號和加壓泵組出水流量信號，對水位信號運用模糊算法進行計算后，給出控制信息由PLC控制潛水泵的啟動臺數(shù)。當水位過低時，認為發(fā)生故障，停止一、二次泵組的運行并聲光報警。上位機為720M硬盤、8M內(nèi)存，可以同時處理大量數(shù)據(jù)且歷史記錄較長。

(2)主控單元：主控單元選用日本立石公司的C60P型可編程序控制器作為主控單元，它具有40路開關(guān)量的輸入、20路開關(guān)量的輸出，可擴展模入、模出模塊，并有RS-232標準串口。C60P為積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成及擴展方便，抗干擾性能好，作為現(xiàn)場主控部件較理想。由它完成自動倒泵、防水錘互鎖、變頻器邏輯控制等邏輯控制功能。

(3)管網(wǎng)恒壓調(diào)控系統(tǒng)：調(diào)速泵的調(diào)節(jié)由富士G-45變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網(wǎng)的壓力信號(4mA～20mA)送至自制的調(diào)節(jié)板上，與給定信號比較后送至日產(chǎn)RKC調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID運算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。變頻器本身對應(yīng)其輸出頻率有0～5V(DC)信號輸出，將其引回調(diào)節(jié)板，由系統(tǒng)對輸出頻率進行檢測，若變頻器的輸出大于49Hz一定時間后，管網(wǎng)壓力仍達不到要求，延時確定后，PLC按照一定規(guī)則逐個以自耦減壓方式啟動恒速泵，直至管網(wǎng)壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時間后，管網(wǎng)壓力仍超過給定值，則依次關(guān)閉恒速泵，配合調(diào)整調(diào)速泵直至壓力穩(wěn)定。

(4)自耦減壓啟動柜：恒速泵及潛水泵均采用自耦減壓啟動方式，有效地減小了電動機啟動時對電網(wǎng)的沖擊。

(5)傳感器及執(zhí)行機構(gòu)：管網(wǎng)壓力信號的采取利用最大量程為1.0MPa的遠傳壓力表，以方便在采樣點觀察壓力信號；流量信號的采取利用渦街流量計；水位信號的采取利用壓力式水位傳感器；利用電動蝶閥作為執(zhí)行機構(gòu)來控制加壓泵的出水口狀態(tài)。

3系統(tǒng)的軟件

系統(tǒng)軟件主要包括上位機管理程序、PLC控制與監(jiān)測程序以及它們之間的通訊程序。

(1)上位機的管理程序主要完成設(shè)備運行狀況的圖形顯示監(jiān)測、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫管理、檢測數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報警等功能。采用C語言結(jié)合匯編編程，充分利用C語言結(jié)構(gòu)化強、簡潔和運行速度快等優(yōu)點，同時也提高了程序的可讀性、可靠性及可移植性。軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，人機界面為圖形形式，菜單驅(qū)動，全部中文顯示與提示非常友好。系統(tǒng)主要功能模塊包括：使用說明、水廠控制系統(tǒng)功能介紹、生產(chǎn)狀況監(jiān)測及管理、水位系統(tǒng)的運行狀態(tài)控制等。采用查詢方式完成與PLC的通訊及檢測數(shù)據(jù)的處理；將管網(wǎng)壓力、流量、液位、各水泵運行狀態(tài)及各處閥門開啟狀態(tài)等信息以圖形及數(shù)據(jù)的方式顯示于顯示器上；如有報警信號則顯示相應(yīng)圖形，同時進行聲光報警。監(jiān)測的出水量、耗電量等信號可長期保存于存儲器中，隨時作為資料查詢。

(2)蓄水池分為沉淀池和出水池兩部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒處理，而后，經(jīng)過濾到達清水池。因此，水位控制功能要求較高，正常狀態(tài)下，1～2臺潛水泵長期運轉(zhuǎn)，其余根據(jù)用水量的大小自動切換。為保證水的正常供應(yīng)并防止?jié)撍玫念l繁啟停，在水位控制中采用了模糊算法。將水位高度分為七級，將水位的變化率也分為七級，將潛水泵的開啟臺數(shù)分為5檔，形成了一個二維矩陣數(shù)組，由計算機運算后確定應(yīng)開啟的深井泵臺數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗后，確定了數(shù)組中各參數(shù)的值，經(jīng)實際使用，獲得了較好的運行效果。

(3)可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現(xiàn)場邏輯控制均與其有關(guān)。它的控制程序具有較強的邏輯性要求。一般來說變頻器嚴禁付邊加裝接觸器，但是為了節(jié)省投資、實現(xiàn)4臺恒速泵輪流作為調(diào)速泵，必須在變頻器的付邊裝接觸器(電路原理圖如圖2所示)。為防止在電動機高速運轉(zhuǎn)時，當變頻器的原邊未切斷電源或剛剛切斷電源，付邊接觸器斷開，電動機定子線圈放電造成高電壓，損壞變頻器的輸出功率模塊，在PLC的程序設(shè)計中必須考慮到較復(fù)雜的互鎖及時間控制關(guān)系，即PLC計算倒泵時間到后，首先按照閥、泵互鎖關(guān)系關(guān)閉擬轉(zhuǎn)入變量運行的定量泵；接著關(guān)閉原變量泵，此時變頻器輸出頻率先降至零，而后切斷變頻器原邊接觸器，延時幾秒后，切斷其付邊接觸器。而后，將變頻器輸出與待轉(zhuǎn)入變量運行的水泵接通，幾秒后按照閥、泵開啟的順序依次接通變頻器的電源，啟動水泵并打開水閥；同時，原調(diào)速泵轉(zhuǎn)為恒速泵使用，這樣做保證4臺加壓泵的運轉(zhuǎn)時間相近，避免某臺泵長時間不運轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕等故障。

(4)上位機與PLC之間的通訊借助標準RS-232口來完成?？梢杂缮衔粰C完成給定倒泵的間隔時間、設(shè)定管網(wǎng)的壓力等工作。同時，下位系統(tǒng)定時將恒速泵的開啟臺數(shù)、調(diào)速泵的運行狀態(tài)(頻率、轉(zhuǎn)速、消耗功率等)、管網(wǎng)壓力等信息報上位機進行處理和顯示。

4結(jié)束語

中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造有著廣泛的前景。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本控制系統(tǒng)將上位機、PLC、變頻器、相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，軟件設(shè)計合理，系統(tǒng)調(diào)試較方便；且系統(tǒng)各級之間可獨立運行，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。實踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。