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对药剂剂的制备与投加加的控制1.1.1自自动加药控制：水厂在保证出厂厂水质的条件下下降低药耗，是是降低成本的手手段之一。但如如何搞好理想的的加药自动化控控制，至今尚无无行之有效的方方法。经过多年年运行的经验，，滨海水厂已得得出了一系列适适合自身加药控控制重要参数，，其中流量比例例可作为加药控控制的主要参考考依据，基本可可以达到在保证证水质的同时降降低药耗的目的的。Primus227系列机机械隔膜计量泵泵1.1.2自自动加氯控制：：利用液氯杀菌是是目前生产自来来水的主要消毒毒手段。在工艺艺设计上，一般般设前加氯（原原水）和滤后加加氯（滤池出水水）两处加氯点点。目前的加氯氯量控制方法：：前加氯通常采用用流量比例控制制加氯量；滤后加氯采用流流量比例、余氯氯反馈“复合环环路”控制加氯氯量；滤后加氯氯是自来水消毒毒处理的主要环环节，但由于在在水中投加氯后后，需要在清水水池内至少有30分钟以上的的接触时间，才才能达到比较好好的杀菌效果，，也是一个滞后后控制。为了解解决滞后控制问问题，将滤后加加氯检测取样点点移到清水池前前，一般距加氯氯点10D（D为管径）。DEPOLOX3plus余氯分析析仪gs1401加加氯机1.2对沉淀淀池虹吸吸泥机机的控制：以往常规的控制制方法是，将吸吸泥机的运行状状态及故障信号号全部采用点对对点方式送入PLC，PLC对它的控制信信号也采用硬接接点方式。这样样一台吸泥机就就有十几个DI/DO点，而而吸泥机是一直直在沉淀池上移移动的，这就需需要大卷的移动动电缆或多极滑滑导，在室外环环境下这些信号号的传输不可能能长期稳定，会会引起误操作。。滨海水厂每座座沉淀池上都设设有两台吸泥机机，两座沉淀池池共有四台吸泥泥机，并采用在在吸泥机上设置置一台小型PLC的方式，吸吸泥机受小型PLC控制，仅仅将吸泥机的运运行、故障状态态通过滑导送到到加药分站内的的主控PLC。。这样，吸泥机机的运行不会受受错误信号的干干扰，中控室又又可以知道吸泥泥机的运行情况况，如发现吸泥泥机故障，可立立即派人员去维维修。1.3滤池自自动控制系统：：滤池是水厂关键键的组成部分，，也是控制最集集中的地方。为为了保证水厂净净水工艺这一关关键部位能正常常运行，局部出出现故障后不会会因为某个阀门门的损坏而影响响整个滤池的自自动运行及调节节，我们在滤池池上设置了多个个小型PLC，，每两格滤池由由一个小型PLC控制。这样样，某一部位的的阀门等设备出出现故障后，只只会影响一个小小型PLC，仅仅会使两格滤池池退出自动运行行状态，等待维维修，而其余大大部分滤格仍可可正常自动运行行。1720D低量量程浊度控制仪仪1.4恒压供水水系统：恒压供水系统原原理如图7所示示，它主要是由由PLC、变频频器、PID调调节器、TC时时间控制器、压压力传感器、液液位传感器、动动力控制线路以以及6台水泵等等组成。用户通通过控制柜面板板上的指示灯和和按钮、转换开开关来了解和控控制系统的运行行。通过安装在出水水管网上的压力力传感器，把出出口压力信号变变成4-20mA的标准信号号送入PID调调节器，经运算算与给定压力参参数进行比较，，得出一调节参参数，送给变频频器，由变频器器控制水泵的转转速，调节系统统供水量，使供供水系统管网中中的压力保持在在给定压力上；；当用水量超过过一台泵的供水水量时，通过PLC控制器加加泵。根据用水水量的大小由PLC控制工作作泵数量的增减减及变频器对水水泵的调速，实实现恒压供水。。当供水负载变变化时，输入电电机的电压和频频率也随之变化化，这样就构成成了以设定压力力为基准的闭环环控制系统。同时系统配备的的时间控制器和和PID控制器器，使其具有定定时换泵运行功功能（即钟控功功能，由时间控控制器实现）和和双工作压力设设定功能（PID控制器和时时间控制器实现现）。此外，系系统还设有多种种保护功能，尤尤其是硬件/软软件备用水泵功功能，充分保证证了水泵的及时时维修和系统的的正常供水。正正常情况（无泵泵检修）时，各各泵的运行顺序序为1#，2#，3#，4#、5#、6#。PLD压力传感给定压力变频器I/OI/OI/OI/OI/OI/OPLC控制器I/OI/O变频/工频备用选择液位变换钟控允许自动/手动TC时间控制器器报警液位电极池底下限复位供水管网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恒压供水水系统原理图1.4.1工工作原理（1）运行方式式该系统有手动和和自动两种运行行方式：A、手动运行。。按下按钮启动动或停止水泵，，可根据需要分分别控制1#-6#泵的启停停。该方式主要要供检修及变频频器故障时用。。B、自动运行。。合上自动开关关后，1#泵电电机通电，变频频器输出频率从从0Hz上升，，同时PID调调节器接收到自自压力传感器的的标准信号，经经运算与给定压压力参数进行比比较，将调节参参数送给变频器器，如压力不够够，则频率上升升到50Hz，，1#泵由变频频切换为工频，，启2#变频，，变频器逐渐上上升频率至给定定值，加泵依次次类推；如用水水量减小，从先先启的泵开始减减，同时根据PID调节器给给的调节参数使使系统平稳运行行。（2）故障处理理A、故障报警。。当出现缺相、、变频器故障、、液位下限、超超压、差压等情情况时，系统皆皆能发出声响报报警信号；特别别是当出现缺相相、变频器故障障、液位下限、、超压时，系统统还会自动停机机，并发出声响响报警信号，通通知维修人员前前来维修。此外外，变频器故障障时，系统自动动停机，此时可可切换至手动方方式保证系统不不间断供水。B、水泵检修。。为维护和检修修水泵，要求在在系统正常供水水状态下，在一一段时间间隔内内使某一台水泵泵停运，系统设设有水泵强制备备用功能（硬件件备用），可随随意备用某一台台水泵，同时不不影响系统正常常运行；为了使使水泵进行轮休休，系统还设有有软件备用功能能（钟控功能，，由时间控制器器实现），工作作泵与备用N泵泵具有周期定时时切换功能，周周期间隔由时间间控制器设定：：1小时每次～～96小时每次次连续可调。1.4.2PLC控制系统统该系统采用的是是欧姆龙可编程程序控制器SYSMACCPM2A系列列，I/O点数数为60点，PLC编程采用用OMRONCX-Programmer，它是OmronPLC的32位视视窗软件支持工工具，提供完整整的编程环境，，可进行离线编编程和在线连接接和调试，并能能实现梯形图与与语句表的相互互转换。为了提提高整个系统的的性价比，该系系统采用开关量量的输入/输出出来控制电机的的启停、定时切切换、软起动、、循环变频及故故障的报警等，，而电机转速、、水压量等模拟拟量则由PID调节器和变频频器来控制。FRENIC5000P11S变频器器图9泵组切换换示意图M1M1M2M2M2M3M3M4M3M4M5M4M5M5M6M6M6M1M6M1M2M1M2M3M2M3M4M3M4M5M4M5M6M5M6M1M5M6M1M2M6M1M2M3M1M2M3M4M4M5M6MIM3M4M5M6M2M3M4M51#泵启动：2#泵启动：3#泵启动：4#泵启动：5#泵启动：6#泵启动：图例：N台泵运行切换换到N-1台泵泵运行N台泵运行切换换到N+1台泵泵运行M4M44#泵变频运行行4#泵工频运行行泵组的切换示意意图如图9示。。开始时，若硬硬件、软件皆无无备用（两者同同时有效时硬件件优先），1#泵变频启动，，转速从0开始始随频率上升，，如变频器频率率到达50Hz而此时水压还还在下限值，延延时一段时间（（避免由于干扰扰而引起误动作作）后，1#泵泵切换至工频运运行，同时变频频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵泵变频启动，如如水压仍不满足足，则依次启动动3#、4#泵泵，泵的切换过过程同上；若开开始时1#泵备备用，则直接启启2#变频，转转速从0开始随随频率上升，如如变频器频率到到达50Hz而而此时水压还在在下限值，延时时一段时间后，，2#泵切换至至工频运行，同同时变频器频率率由50Hz滑滑停至0Hz，，3#泵变频启启动，如水压仍仍不满足，则启启动4#泵，泵泵的切换过程同同上；若1#、、2#泵都备用用，则直接启3#变频，如水水压仍不满足，，则依次启动4#、5#、6#泵，具体泵泵的切换过程与与上述类同。同样，若若3台泵泵（假设设为1#、2#和3#）运行行时，3#泵变变频运行行降到0Hz，，此时水水压仍处处于上限限值，则则延时一一段时间间后使1#泵停停止，变变频器频频率从0Hz迅迅速上升升，若此此后水压压仍处于于上限值值，则延延时一段段时间后后使2#泵停止止。这样样的切换换过程，，有效地地减少泵泵的频繁繁启停，，同时在在实际管管网对水水压波动动做出反反应之前前，由变变频器迅迅速调节节，使水水压平稳稳过渡，，从而有有效的避避免了高高楼用户户短时间间停水的的情况发发生。以往的变变频恒压压供水系系统在水水压高时时，通常常是采用用停变频频泵，再再将变频频器以工工频运行行方式切切换到正正在以工工频运行行的泵上上进行调调节。这这种切换换的方式式理论上上要比直直接切工工频的方方式先进进，但其其容易引引起泵组组的频繁繁启停，，从而减减少设备备的使用用寿命。。而在该该系统中中，直接接停工频频泵，同同时由变变频器迅迅速调节节，只要要参数设设置合适适，即可可实现泵泵组的无无冲击切切换，使使水压过过渡平稳稳，有效效的防止止了水压压的大范范围波动动及水压压太低时时的短时时缺水现现象，提提高了供供水品质质。要使系统统稳定的的运行，，有几个个参数需需特别注注意：A、变变频转工工频开关关切换时时间TMC设置TMC是为为了确保保在加泵泵时，泵泵由变频频转为工工频的过过程中，，同一台台泵的变变频运行行和工频频运行各各自对应应的交流流接触器器不会同同时吸合合而损坏坏变频器器，同时时为了避避免工频频启动时时启动电电流过大大而对电电网产生生的冲击击，所以以在允许许范围内内TMC必须尽尽可能的的小。B、上下下限频率率持续时时间TH和TL变频器运运行的频频率随管管网用水水量增大大而升高高，本系系统以变变频器运运行的频频率是否否达到上上限（下下限）、、并保持持一定的的时间为为依据来来判断是是否加泵泵（减泵泵），这这个判断断的时间间就是TH（TL）。。如果设设定值过过大，系系统就不不能迅速速的对管管网用水水量的变变化做出出反应；；如果设设定值过过小，管管网用水水量的变变化时就就很可能能引起频频繁的加加减泵动动作；两两种情况况下都会会影响恒恒压供水水的质量量。1.4.3恒恒压供水水系统效效果分析析在供水系系统中采采用变频频调速运运行方式式，系统统可根据据实际设设定水压压自动调调节水泵泵电机的的转速或或加减泵泵，使供供水系统统管网中中的压力力保持在在给定值值，以求求最大限限度的节节能、节节水、节节地、节节资，并并使系统统处于可可靠运行行的状态态，实现现恒压供供水；减减泵时采采用“先先启先停停”的切切换方式式，相对对于“先先启后停停”方式式，更能能确保各各泵使用用平均以以延长设设备的使使用寿命命；同时时针对所所用四台台泵均已已使用多多年、需需要定期期进行检检修的实实际情况况，增加加了硬件件/软件件备用功功能，有有效延长长了设备备的使用用寿命；；压力闭闭环控制制，系统统用水量量任何变变化均能能使供水水管网的的服务压压力保持持给定，，大大提提高了供供水品质质；变频频器故障障后仍能能保障不不间断供供水，同同时实现现故障消消除后自自启动，，具有一一定的先先进性。。第四章相关小小型PLC的介绍绍与说明1、OMRONC200HG其其具有速度快、、功能强、编程方方便和运行可靠的的特点，最大