某水厂自动化控制系统设计方案

***水厂自动化控制系统设计方案

摘要：

本文就基于PLC的水厂自动化控制系统在滨海水厂的应用提出了一些笔者的建议，主要从水厂加药、加氯、沉淀池虹吸吸泥机、滤池和恒压供水等几个关键工艺过程进行自动化控制系统的设计，其中将恒压供水系统作为典型例子进行了详细的论述，希望本文能对***水厂自动化控制系统的建设有所益处。

关键词：中小型PLC水厂自动化控制系统***水厂自动化控制系统设计方案目录前言

第一章水厂自动化控制系统的发展现状；第二章生产工艺和控制要求；第三章自动化控制系统的设计：

1.1对药剂的制备与投加的控制；

1.2对沉淀池虹吸吸泥机的控制；

1.3滤池自动化控制系统；

1.4恒压供水系统。

第四章相关小型PLC的介绍与说明；

结束语

前言

随着科学技术的发展和人们对生活用水品质要求的不断提高，通过近几年来对水厂运行控制模型经验和控制参数的积累，水厂控制设备和检测仪表品种的丰富和可靠性大大提高，供水系统自动化控制技术在分散控制、集中管理系统上日益成熟，**水厂自动化改造将成为必然趋势。**水厂为年供水量在1500万立方米的小型水厂。主要负责大港油田的生产生活用水的供给，本文仅作为笔者对滨海水厂自动化控制系统建设方面提出的一点建议，以供参考。第一章水厂自动化控制系统的发展现状

水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直到九十年代，随着可编程序控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方便以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为：由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采取的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破，取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由功能划分改为以距离划分，可在中控室内监视水厂运行的全过程。第二章生产工艺和控制要求

1.1**水厂采用工艺流程：

主要分为以下几个工艺过程如图1所示：药剂的制备和投加取水混凝平流沉淀过滤清水池二级泵房前加氯混凝剂原水供水管网滤后加氯图1**水厂工艺流程图2.2水厂的控制要求：

（1）、出厂水浊度小于1NTU、余氯保持在0.5mg/L左右，在保证水质水量的同时，要求低药耗、低氯耗和低电耗；（2）、滤池要求采用恒水位运行，水位偏差不能大于±2.5cm，要能根据水头损失或运行周期自动进行反冲洗，且同一时间内只能有一个进行反冲洗；

（1）取水：将滦河水抽入净水厂；（2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的；（3）混凝：包括混合与絮凝，即滦河水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥；（4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥；（5）过滤：沉淀水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂；（6）送水：通过多台离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网；第三章自动化控制系统的设计

由于自来水生产工艺主要具有以下特点：（1）各生产工艺段相对独立，单体设备多。（2）采集的数据量大，整个系统共有数字量输入、输出超过3000路，模拟量输入、输出超过1000路，且工艺参数种类多，包括压力、流量、温度、差压、液位、电流、电压、功率等，但上下游相关联的生产参数少。（3）自来水生产具有连续性、不可替代性和不间断性。（4）各工艺段距离远，设备分散，组网相对复杂。根据以上特点，本系统选用OMRON的中小型PLC对各工艺段生产设备分散控制，利用OMRONProtocol和ControllerLink组成网络，在各工艺段控制室和中控室设置上位机，构建人机界面进行生产管理和对生产数据进行后续处理。全厂控制网络如图2示。…共8台…共13台…共4台…共7台

…共8台沉淀、滤池上位机…共8台CQM1HCQM1H二期滤池控制C200HGC200HGC200HG电台冲洗设备及一期滤池控制ControllerLinkCPM2A电台RS232CPM2A电台RS232中继器光中址光中址C200HG转换器取水上位机光纤ControllerLinkRS232RS232Srpam2000Srpam2000AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232高压配电设备泵机控制ControllerLink加药上位机送水上位机中控上位机C200HGC200HG加药设备控制C200HGC200HG转换器转换器RS232RS232Srpam2000Srpam2000RS422AL001AL001CPM2ACPM2ARS232RS232RS422高压配电设备泵机控制一、二期平流沉淀池吸泥机控制图2全厂控制网络图

在取水及送水工艺段上，主要设备由多台离心水泵和10KV高压直配电机组成，每一电机由相应的高压配电柜控制，因此为每一面高压配电柜选用一台Sepam2000(专用于配电柜控制的小型PLC)进行数据采集和控制，每一泵阀在现场选用一台OMRONCPM2A用于数据采集和控制，通过RS422接口连成网络，由控制室的OMRONC200HG中型PLC利用OMRONProtocol协议与它们通讯，对其读写数据和进行统一调度，这样可以节省大量的数据采集电缆，而且当某台PLC发生故障时可以方便断开其维修而不影响其它设备的正常生产。对于沉淀池吸泥机的控制，由于吸泥机在长达近百米的沉淀池上前后移动，因此其控制所用小型PLC利用电台与控制室间的C200HG通过RS232接口进行1：N通讯，电台型号为MDS-SCADA-24810，为直接数字调制解调电台，工作频率范围在2.4G~2.4835GHz，支持标准的异步通讯协议，工作稳定可靠，协议同样采用OMRONProtocol，软件用OMRON-CX-Protocol编制。二期滤池选用多个小型PLC（OMRONCQM1H）分散控制，可以较好地解决因控制设备故障造成全部滤池停产而影响安全供水的问题。整个ControllerLink网络由中继器分成两段，主要是为了满足ControllerLink对通讯距离的要求，同时可适应以后扩展的需要。系统中生产工艺所要求的全部参数都由PLC采集和控制，上位机只是人机界面和对生产数据进行后续处理，大大地提高了系统的可靠性。本控制方案全部选用中小型PLC，对主要的生产设备分散控制，同时利用网络将它们紧密联结，实现集中管理，降低了故障风险，提高了可靠性，是一种经济可行的方案。

1.1对药药剂剂的的制制备备与与投投加加的的控控制制1.1.1自动动加加药药控控制制：水厂厂在在保保证证出出厂厂水水质质的的条条件件下下降降低低药药耗耗，，是是降降低低成成本本的的手手段段之之一一。。但但如如何何搞搞好好理理想想的的加加药药自自动动化化控控制制，，至至今今尚尚无无行行之之有有效效的的方方法法。。经经过过多多年年运运行行的的经经验验，，滨滨海海水水厂厂已已得得出出了了一一系系列列适适合合自自身身加加药药控控制制重重要要参参数数，，其其中中流流量量比比例例可可作作为为加加药药控控制制的的主主要要参参考考依依据据，，基基本本可可以以达达到到在在保保证证水水质质的的同同时时降降低低药药耗耗的的目目的的。。Primus227系列列机机械械隔隔膜膜计计量量泵泵1.1.2自动动加加氯氯控控制制：：利用用液液氯氯杀杀菌菌是是目目前前生生产产自自来来水水的的主主要要消消毒毒手手段段。。在在工工艺艺设设计计上上，，一一般般设设前前加加氯氯（（原原水水））和和滤滤后后加加氯氯（（滤滤池池出出水水））两两处处加加氯氯点点。。目目前前的的加加氯氯量量控控制制方方法法：：前加加氯氯通通常常采采用用流流量量比比例例控控制制加加氯氯量量；；滤后后加加氯氯采采用用流流量量比比例例、、余余氯氯反反馈馈““复复合合环环路路””控控制制加加氯氯量量；；滤滤后后加加氯氯是是自自来来水水消消毒毒处处理理的的主主要要环环节节，，但但由由于于在在水水中中投投加加氯氯后后，，需需要要在在清清水水池池内内至至少少有有30分钟钟以以上上的的接接触触时时间间，，才才能能达达到到比比较较好好的的杀杀菌菌效效果果，，也也是是一一个个滞滞后后控控制制。。为为了了解解决决滞滞后后控控制制问问题题，，将将滤滤后后加加氯氯检检测测取取样样点点移移到到清清水水池池前前，，一一般般距距加加氯氯点点10D（D为管径））。DEPOLOX3plus余氯分析析仪gs1401加氯机1.2对沉淀池池虹吸吸吸泥机的的控制：以往常规规的控制制方法是是，将吸吸泥机的的运行状状态及故故障信号号全部采采用点对对点方式式送入PLC，PLC对它的控控制信号号也采用用硬接点点方式。。这样一一台吸泥泥机就有有十几个个DI/DO点，而吸吸泥机是是一直在在沉淀池池上移动动的，这这就需要要大卷的的移动电电缆或多多极滑导导，在室室外环境境下这些些信号的的传输不不可能长长期稳定定，会引引起误操操作。滨滨海水厂厂每座沉沉淀池上上都设有有两台吸吸泥机，，两座沉沉淀池共共有四台台吸泥机机，并采采用在吸吸泥机上上设置一一台小型型PLC的方式，，吸泥机机受小型型PLC控制，仅仅将吸泥泥机的运运行、故故障状态态通过滑滑导送到到加药分分站内的的主控PLC。这样，吸吸泥机的的运行不不会受错错误信号号的干扰扰，中控控室又可可以知道道吸泥机机的运行行情况，，如发现现吸泥机机故障，，可立即即派人员员去维修修。1.3滤池自动动控制系系统：滤池是水水厂关键键的组成成部分，，也是控控制最集集中的地地方。为为了保证证水厂净净水工艺艺这一关关键部位位能正常常运行，，局部出出现故障障后不会会因为某某个阀门门的损坏坏而影响响整个滤滤池的自自动运行行及调节节，我们们在滤池池上设置置了多个个小型PLC，每两格滤滤池由一一个小型型PLC控制。这这样，某某一部位位的阀门门等设备备出现故故障后，，只会影影响一个个小型PLC，仅会使两两格滤池池退出自自动运行行状态，，等待维维修，而而其余大大部分滤滤格仍可可正常自自动运行行。1720D低量程浊浊度控制制仪1.4恒压供水水系统：：恒压供水水系统原原理如图图7所示，它它主要是是由PLC、变频器、PID调节器、、TC时间控制制器、压压力传感感器、液液位传感感器、动动力控制制线路以以及6台水泵等等组成。。用户通通过控制制柜面板板上的指指示灯和和按钮、、转换开开关来了了解和控控制系统统的运行行。通过安装装在出水水管网上上的压力力传感器器，把出出口压力力信号变变成4-20mA的标准信信号送入入PID调节器，，经运算算与给定定压力参参数进行行比较，，得出一一调节参参数，送送给变频频器，由由变频器器控制水水泵的转转速，调调节系统统供水量量，使供供水系统统管网中中的压力力保持在在给定压压力上；；当用水水量超过过一台泵泵的供水水量时，，通过PLC控制器加加泵。根根据用水水量的大大小由PLC控制工作作泵数量量的增减减及变频频器对水水泵的调调速，实实现恒压压供水。。当供水水负载变变化时，，输入电电机的电电压和频频率也随随之变化化，这样样就构成成了以设设定压力力为基准准的闭环环控制系系统。同时系统统配备的的时间控控制器和和PID控制器，，使其具具有定时时换泵运运行功能能（即钟钟控功能能，由时时间控制制器实现现）和双双工作压压力设定定功能（（PID控制器和和时间控控制器实实现）。。此外，，系统还还设有多多种保护护功能，，尤其是是硬件/软件备用用水泵功功能，充充分保证证了水泵泵的及时时维修和和系统的的正常供供水。正正常情况况（无泵泵检修））时，各各泵的运运行顺序序为1#，2#，3#，4#、5#、6#。PLD压力传感感给定压力力变频器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC控制器I/OI/O变频/工频备用选择择液位变换换钟控允许许自动/手动TC时间控制制器报警液位电极极池底下限复位供水管网网1#泵1#电机2#泵3#泵4#泵5#泵6#泵2#电机3#电机4#电机5#电机6#电机图7恒压供水水系统原原理图1.4.1工作原理理（1）运行方方式该系统有有手动和和自动两两种运行行方式：：A、手动运行行。按下下按钮启启动或停停止水泵泵，可根根据需要要分别控控制1#-6#泵的启停停。该方方式主要要供检修修及变频频器故障障时用。。B、自动运行行。合上上自动开开关后，，1#泵电机通通电，变变频器输输出频率率从0Hz上升，同同时PID调节器接接收到自自压力传传感器的的标准信信号，经经运算与与给定压压力参数数进行比比较，将将调节参参数送给给变频器器，如压压力不够够，则频频率上升升到50Hz，1#泵由变频频切换为为工频，，启2#变频，变变频器逐逐渐上升升频率至至给定值值，加泵泵依次类类推；如如用水量量减小，，从先启启的泵开开始减，，同时根根据PID调节器给给的调节节参数使使系统平平稳运行行。（2）故障处处理A、故障报警警。当出出现缺相相、变频频器故障障、液位位下限、、超压、、差压等等情况时时，系统统皆能发发出声响响报警信信号；特特别是当当出现缺缺相、变变频器故故障、液液位下限限、超压压时，系系统还会会自动停停机，并并发出声声响报警警信号，，通知维维修人员员前来维维修。此此外，变变频器故故障时，，系统自自动停机机，此时时可切换换至手动动方式保保证系统统不间断断供水。。B、水泵检修修。为维维护和检检修水泵泵，要求求在系统统正常供供水状态态下，在在一段时时间间隔隔内使某某一台水水泵停运运，系统统设有水水泵强制制备用功功能（硬硬件备用用），可可随意备备用某一一台水泵泵，同时时不影响响系统正正常运行行；为了了使水泵泵进行轮轮休，系系统还设设有软件件备用功功能（钟钟控功能能，由时时间控制制器实现现），工工作泵与与备用N泵具有周周期定时时切换功功能，周周期间隔隔由时间间控制器器设定：：1小时每次次～96小时每次次连续可可调。1.4.2PLC控制系统统该系统采采用的是是欧姆龙龙可编程程序控制制器SYSMACCPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用用OMRONCX-Programmer，它是OmronPLC的32位视窗软软件支持持工具，，提供完完整的编编程环境境，可进进行离线线编程和和在线连连接和调调试，并并能实现现梯形图图与语句句表的相相互转换换。为了了提高整整个系统统的性价价比，该该系统采采用开关关量的输输入/输出来控控制电机机的启停停、定时时切换、、软起动动、循环环变频及及故障的的报警等等，而电电机转速速、水压压量等模模拟量则则由PID调节器和和变频器器来控制制。FRENIC5000P11S变频器图9泵组切换换示意图图M1M1M2M2M2M3M3M4M3M4M5M4M5M5M6M6M6M1M6M1M2M1M2M3M2M3M4M3M4M5M4M5M6M5M6M1M5M6M1M2M6M1M2M3M1M2M3M4M4M5M6MIM3M4M5M6M2M3M4M51#泵启动动：2#泵启动动：3#泵启动动：4#泵启动动：5#泵启动动：6#泵启动动：图例：：N台泵运运行切切换到到N-1台泵运运行N台泵运运行切切换到到N+1台泵运运行M4M44#泵变频频运行行4#泵工频频运行行泵组的的切换换示意意图如如图9示。开开始时时，若若硬件件、软软件皆皆无备备用（（两者者同时时有效效时硬硬件优优先）），1#泵变频频启动动，转转速从从0开始随随频率率上升升，如如变频频器频频率到到达50Hz而此时时水压压还在在下限限值，，延时时一段段时间间（避避免由由于干干扰而而引起起误动动作））后，，1#泵切换换至工工频运运行，，同时时变频频器频频率由由50Hz滑停至至0Hz，2#泵变频频启动动，如如水压压仍不不满足足，则则依次次启动动3#、4#泵，泵泵的切切换过过程同同上；；若开开始时时1#泵备用用，则则直接接启2#变频，，转速速从0开始随随频率率上升升，如如变频频器频频率到到达50Hz而此时时水压压还在在下限限值，，延时时一段段时间间后，，2#泵切换换至工工频运运行，，同时时变频频器频频率由由50Hz滑停至至0Hz，3#泵变频频启动动，如如水压压仍不不满足足，则则启动动4#泵，泵泵的切切换过过程同同上；；若1#、2#泵都备备用，，则直直接启启3#变频，，如水水压仍仍不满满足，，则依依次启启动4#、5#、6#泵，具具体泵泵的切切换过过程与与上述述类同同。同样，，若3台泵（（假设设为1#、2#和3#）运行行时，，3#泵变频频运行行降到到0Hz，此时水水压仍仍处于于上限限值，，则延延时一一段时时间后后使1#泵停止止，变变频器器频率率从0Hz迅速上上升，，若此此后水水压仍仍处于于上限限值，，则延延时一一段时时间后后使2#泵停止止。这这样的的切换换过程程，有有效地地减少少泵的的频繁繁启停停，同同时在在实际际管网网对水水压波波动做做出反反应之之前，，由变变频器器迅速速调节节，使使水压压平稳稳过渡渡，从从而有有效的的避免免了高高楼用用户短短时间间停水水的情情况发发生。。以往的的变频频恒压压供水水系统统在水水压高高时，，通常常是采采用停停变频频泵，，再将将变频频器以以工频频运行行方式式切换换到正正在以以工频频运行行的泵泵上进进行调调节。。这种种切换换的方方式理理论上上要比比直接接切工工频的的方式式先进进，但但其容容易引引起泵泵组的的频繁繁启停停，从从而减减少设设备的的使用用寿命命。而而在该该系统统中，，直接接停工工频泵泵，同同时由由变频频器迅迅速调调节，，只要要参数数设置置合适适，即即可实实现泵泵组的的无冲冲击切切换，，使水水压过过渡平平稳，，有效效的防防止了了水压压的大大范围围波动动及水水压太太低时时的短短时缺缺水现现象，，提高高了供供水品品质。。要使系系统稳稳定的的运行行，有有几个个参数数需特特别注注意：：A、变频转转工频频开关关切换换时间间TMC设置TMC是为了了确保保在加加泵时时，泵泵由变变频转转为工工频的的过程程中，，同一一台泵泵的变变频运运行和和工频频运行行各自自对应应的交交流接接触器器不会会同时时吸合合而损损坏变变频器器，同同时为为了避避免工工频启启动时时启动动电流流过大大而对对电网网产生生的冲冲击，，所以以在允允许范范围内内TMC必须尽尽可能能的小小。B、上下限限频率率持续续时间间TH和TL变频器器运行行的频频率随随管网网用水水量增增大而而升高高，本本系统统以变变频器器运行行的频频率是是否达达到上上限（（下限限）、、并保保持一一定的的时间间为依依据来来判断断是否否加泵泵（减减泵）），这这个判判断的的时间间就是是TH（TL）。如果设设定值值过大大，系系统就就不能能迅速速的对对管网网用水水量的的变化化做出出反应应；如如果设设定值值过小小，管管网用用水量量的变变化时时就很很可能能引起起频繁繁的加加减泵泵动作作；两两种情情况下下都会会影响响恒压压供水水的质质量。。1.4.3恒压供水系系统效果分分析在供水系统统中采用变变频调速运运行方式，，系统可根根据实际设设定水压自自动调节水水泵电机的的转速或加加减泵，使使供水系统统管网中的的压力保持持在给定值值，以求最最大限度的的节能、节节水、节地地、节资，，并使系统统处于可靠靠运行的状状态，实现现恒压供水水；减泵时时采用“先先启先停””的切换方方式，相对对于“先启启后停”方方式，更能能确保各泵泵使用平均均以延长设设备的使用用寿命；同同时针对所所用四台泵泵均已使用用多年、需需要定期进进行检修的的实际情况况，增加了了硬件/软件备用功功能，有效效延长了设设备的使用用寿命；压压力闭环控控制，系统统用水量任任何变化均均能使供水水管网的服服务压力保保持给定，，大大提高高了供水品品质；变频频器故障后后仍能保障障不间断供供水，同时时实现故障障消除后自自启动，具具有一定