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对药剂的制备与投加的控制1.1.1自动加药控制：

水厂在保证出厂水质的条件下降低药耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加药自动化控制，至今尚无行之有效的方法。经过多年运行的经验，滨海水厂已得出了一系列适合自身加药控制重要参数，其中流量比例可作为加药控制的主要参考依据，基本可以达到在保证水质的同时降低药耗的目的。

Primus227系列机械隔膜计量泵1.1.2自动加氯控制：

利用液氯杀菌是目前生产自来水的主要消毒手段。在工艺设计上，一般设前加氯（原水）和滤后加氯（滤池出水）两处加氯点。目前的加氯量控制方法：前加氯通常采用流量比例控制加氯量；滤后加氯采用流量比例、余氯反馈“复合环路”控制加氯量；滤后加氯是自来水消毒处理的主要环节，但由于在水中投加氯后，需要在清水池内至少有30分钟以上的接触时间，才能达到比较好的杀菌效果，也是一个滞后控制。为了解决滞后控制问题，将滤后加氯检测取样点移到清水池前，一般距加氯点10D（D为管径）。DEPOLOX3plus余氯分析仪gs1401加氯机1.2对沉淀池虹吸吸泥机的控制：

以往常规的控制方法是，将吸泥机的运行状态及故障信号全部采用点对点方式送入PLC，PLC对它的控制信号也采用硬接点方式。这样一台吸泥机就有十几个DI/DO点，而吸泥机是一直在沉淀池上移动的，这就需要大卷的移动电缆或多极滑导，在室外环境下这些信号的传输不可能长期稳定，会引起误操作。滨海水厂每座沉淀池上都设有两台吸泥机，两座沉淀池共有四台吸泥机，并采用在吸泥机上设置一台小型PLC的方式，吸泥机受小型PLC控制，仅将吸泥机的运行、故障状态通过滑导送到加药分站内的主控PLC。这样，吸泥机的运行不会受错误信号的干扰，中控室又可以知道吸泥机的运行情况，如发现吸泥机故障，可立即派人员去维修。1.3滤池自动控制系统：

滤池是水厂关键的组成部分，也是控制最集中的地方。为了保证水厂净水工艺这一关键部位能正常运行，局部出现故障后不会因为某个阀门的损坏而影响整个滤池的自动运行及调节，我们在滤池上设置了多个小型PLC，每两格滤池由一个小型PLC控制。这样，某一部位的阀门等设备出现故障后，只会影响一个小型PLC，仅会使两格滤池退出自动运行状态，等待维修，而其余大部分滤格仍可正常自动运行。1720D低量程浊度控制仪1.4恒压供水系统：

恒压供水系统原理如图7所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及6台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为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恒压供水系统原理图1.4.1工作原理

（1）运行方式该系统有手动和自动两种运行方式：A、手动运行。按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-6#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。B、自动运行。合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。（2）故障处理A、故障报警。当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。B、水泵检修。为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次～96小时每次连续可调。1.4.2PLC控制系统

该系统采用的是欧姆龙可编程序控制器SYSMACCPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用OMRONCX-Programmer，它是OmronPLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。FRENIC5000P11S变频器图9泵组切换示意图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台泵运行切换到N-1台泵运行N台泵运行切换到N+1台泵运行M4M44#泵变频运行4#泵工频运行泵组孙的切袖换示奔意图喂如图链9示敬。开俭始时穗，若亲硬件忠、软醒件皆易无备闹用（寻两者羡同时责有效骄时硬概件优堂先）杀，1症#泵最变频适启动拉，转挂速从限0开乖始随换频率开上升雨，如笋变频霸器频让率到种达5擦0H僚z而触此时巷水压帜还在无下限辨值，谈延时费一段胀时间蚂（避可免由晓于干双扰而吊引起秧误动裁作）熄后，乏1#伐泵切武换至闹工频争运行马，同购时变金频器泽频率蜻由5摩0H衣z滑兽停至餐0H吼z，辟2#违泵变溜频启录动，民如水追压仍描不满忙足，毅则依呀次启讨动3谦#、垂4#猾泵，忍泵的艰切换沿过程栽同上绣；若飘开始撑时1衣#泵桃备用宿，则愚直接另启2澡#变牺频，心转速堂从0供开始旅随频叙率上储升，萄如变摸频器旷频率讽到达容50帮Hz制而此薪时水妻压还伟在下节限值多，延嚷时一姻段时它间后重，2绒#泵乘切换击至工开频运阿行，脸同时徒变频屿器频诱率由支50姿Hz可滑停西至0彻Hz鄙，3砖#泵事变频误启动页，如故水压汗仍不赤满足谨，则里启动根4#镜泵，湖泵的线切换授过程袭同上失；若姓1#剑、2绝#泵吓都备婶用，莲则直炭接启亮3#德变频克，如句水压阅仍不座满足蔽，则识依次寒启动电4#冶、5钻#、湖6#茶泵，录具体酒泵的纲切换厕过程眼与上御述类贯同。同样短，若芦3台喇泵（红假设及为1挪#、意2#笋和3因#）衔运行赢时，丑3#尺泵变汪频运吴行降所到0脚Hz舞，此尚时水摇压仍陶处于狼上限袜值，甩则延雕时一乓段时梳间后统使1庙#泵颈停止祖，变鹅频器童频率鼓从0杠Hz阶迅速炒上升覆，若条此后赚水压盈仍处圣于上醋限值沟，则岔延时狼一段首时间忧后使豪2#抚泵停陡止。业这样跟的切乞换过萌程，亦有效绞地减堂少泵却的频搏繁启惕停，茅同时抖在实朋际管亦网对齐水压劳波动欢做出忆反应父之前衡，由康变频海器迅姓速调尾节，绒使水继压平爬稳过鲁渡，轰从而胸有效油的避胳免了污高楼抚用户临短时敲间停惩水的血情况火发生桨。以往蒜的变沙频恒咱压供班水系企统在洽水压球高时醉，通岛常是悟采用垒停变散频泵贿，再望将变田频器雪以工弃频运惠行方疯式切贷换到趁正在吃以工援频运北行的宽泵上案进行氏调节帐。这螺种切粱换的极方式聋理论电上要辰比直赔接切虾工频税的方挠式先库进，陕但其散容易共引起塔泵组替的频籍繁启匹停，纠从而权减少锈设备邮的使庸用寿朱命。清而在律该系葬统中崖，直怨接停河工频谨泵，叙同时钞由变姓频器膛迅速佳调节降，只蒜要参检数设季置合遮适，唉即可催实现寒泵组胖的无用冲击偿切换剖，使径水压山过渡归平稳脑，有误效的酸防止拾了水粒压的合大范申围波影动及壶水压柱太低丛时的艘短时油缺水染现象援，提漂高了叔供水任品质郊。要使倦系统用稳定皂的运叨行，阅有几傻个参邮数需迎特别肤注意昨：A、绒变甜频转绩工频役开关吹切换采时间荣TM送C设置正TM险C是隐为了已确保常在加槐泵时演，泵坡由变钳频转猾为工绩频的植过程得中，砖同一车台泵浩的变贝频运耽行和脊工频副运行趴各自刮对应葛的交陈流接议触器窜不会继同时懒吸合昂而损策坏变头频器第，同季时为喉了避灯免工阔频启菠动时狭启动键电流军过大乱而对饰电网适产生耍的冲龟击，明所以傅在允效许范旗围内静TM傅C必跨须尽呼可能菊的小霜。B、便上下掏限频鹿率持半续时殖间T吓H和停TL变频始器运聚行的祥频率毙随管答网用挣水量灯增大蓝而升肢高，滔本系粱统以男变频宫器运进行的最频率埋是否套达到劳上限物（下胞限）是、并半保持时一定站的时催间为笑依据软来判崖断是览否加蚊泵（木减泵仙），草这个旱判断纱的时兴间就圾是T垦H（谨TL蚂）。拜如果框设定绩值过隐大，饮系统拦就不返能迅晌速的苗对管穴网用符水量含的变枕化做浓出反嘴应；幸如果陵设定支值过晚小，她管网犯用水哑量的狐变化森时就跨很可等能引喷起频改繁的煌加减铁泵动巷作；介两种抱情况傻下都叉会影像响恒雨压供哈水的牧质量耗。1.培4.纯3隆恒压钩供水填系统榜效果插分析在供药水系唐统中伍采用北变频碰调速塘运行服方式艘，系珠统可战根据奏实际搬设定板水压谎自动困调节第水泵山电机介的转河速或璃加减翠泵，番使供放水系钻统管予网中举的压片力保苏持在聚给定季值，混以求套最大掉限度腥的节爸能、赖节水李、节命地、备节资危，并习使系散统处酿于可腾靠运拼行的精状态仍，实赠现恒封压供睛水；肺减泵授时采田用“熄先启革先停狸”的吴切换昼方式己，相其对于傅“先优启后丹停”孙方式得，更窝能确各保各挑泵使侧用平爸均以罚延长航设备涉的使更用寿腹命；会同时粱针对食所用华四台扫泵均修已使打用多雅年、仍需要戴定期劝进行独检修渐的实拴际情悼况，息增加排了硬制件/末软件味备用幕功能脖，有斜效延伞长了唤设备绸的使紧用寿蚊命；认压力服闭环隐控制切，系疏统用凶水量闲任何脸变化康均能胁使供腹水管普网的惯服务垂压力千保持扰给定宾，大范大提始高了亏供水躬品质随；变喝频器伶故障配后仍嗓能保互障不挎间断次供水构，同垒时实呼现故满障消砌除后庸自启涂动，劫具有友一定容的先爽进性价。第四朴章订相摸关小纹型P摆LC靠的介醉绍与当说明1、益OM岔RO敞N顺C2雹00钢HG铺其连具有搜速度裙快、报功能厕强、它编程叶方便萄和运孤行可粱靠的勒特点先，最巧大I可/O晴点数烛达1闻18卸4点鼓，程隔序容剂量1扫5.法2K尘,指侍令执币行时掏间为御0.勺15笑μS箩~0赞.6焦μS针,可半支持筝各种僵通讯伯单元赵。2、科OM察RO闷N贷CQ太M1纷H汁适用贝于分询散控愚制的敲紧凑亿型P稿LC龙，I翼/O磨点数词为5僻12校点，酷程序让容量执为7忧.2灾K,耐支持尺各种惨内装竹板和潜Co燃nt炼ro限ll搬er辟L甚in悬k单吸元。3、穴OM究RO爪N惕CP秆M2睡A业是为方满足休10完~6河0点听I/锤O的甩系统赴控制情操作蔬而设并计，滨能满身足单滨体设止备高梨效控粮制要粮求，刻有效丘地代臣替继柱电器传控制粱器和雾传感械器控避制器黎。4、牧Co那nt医ro拨ll亡er角L踩in陵k丛是O磁MR像ON捕提供伟的一滔种工筑厂自底动化晌网络病。它陶可以层在合兼适的赠PL努C和做各种盆微型魔计算职机之祝间方畏便地简、灵饰活地甜发送诵和接经收大钥容量期数据既包，候支持真能共象享数驾据的献数据歪链接雕和在旷需要彩时发究送和评接收格数据拌的信边息服瓦务，掀网络猎采用扑屏蔽备双绞鼠线电迹缆或街光纤尸连接桐，最泼大传防输距形离随炸波特色