株洲市第四水厂自动化控制系统

一、水厂概况
株洲市第四水厂是为解决河西高新区和市中心区的供水紧张状况于1996年10月破土兴建的，1999年12月建成通水，第一期规模为10万m3/d，自动化控制系统的设计与安装由法国得利满公司和株洲市自来水公司共同完成。
第四水厂采用图1所示的工艺流程，图1中表示了检测控制仪表的安装位置，水厂实现了全自动控制和系统主要参数在线检测；同时为节约水资源，保护水体不受污染，对滤池反冲洗水进行回收；还拟在二期工程中对污泥进行浓缩处理(虚线部分)。

图1　工艺流程
二、控制系统的组成
全厂设中控室及取水泵房、加矾加氯、回收泵房与反应沉淀池、V型滤池和送水泵房等5个 PLC子站，考虑到系统尽可能分散的原则，在滤池单池设有PLC控制台，具体见图2。
各PLC站均由一块电源模块，一块CPU模块，一块通讯模块以及若干块输入输出(I/O)模块组成。关于I/O模块的数量确定，首先绘制全厂的PID图，统计出各PLC站实际所需I/O点数，在考虑各PLC站适量的I/O点预留后，确定I/O模块数量。各PLC站之间以FIPWAY通讯联络，各PL C站与中控室之间采用ETHERWAY通讯联络。

图2　全厂计算机监控系统网络结构
中控室由2台分别用于生产管理与监控的Pentium II 400计算机及2台Epson彩色打印机组成。计算机采用Windows NT操作系统，均配备有遵循ETHERWAY通讯协议的3COM通讯网卡，实时采集生产数据，形成ETHERWAY PLC工控网。其中监控计算机采用美国Wonderware公司的INTOUCH监控软件，可显示14个包括涉及PLC控制的机电、加矾加氯设备与滤池等在内的模拟画面，可对系统的所有设备进行远程操作和控制，并具备显示工艺布置图、实时动态参数、设备的工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线、马达运行时间等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理报表。管理计算机采用Excel软件，用于采集与存储监控计算机检测的主要生产数据，以便用于管理。
三、控制原则
1、依据PLC I/O模块，涉及PLC自控的设备，均可通过在机旁控制箱手/自动转换开关、在PLC站操作面板XBT上Local/Remote设置来实现机旁控制箱、PLC站XBT、中控室监控计算机三地控制。
2、PLC站XBT上均能够显示与设置该站现场操作所涉及到的所有自控设备、仪表等运行参数及上下限报警值，同时这些参数均可通过网络线传输到中控室监控计算机，由它来进行控制。
3、每个PLC站均设置2个复位按钮(警铃复位、故障复位)、1个警铃、1个故障指示灯。任何自控设备故障由该PLC站的警铃、故障指示灯报警。在故障解除后，方可通过PLC站XBT、中控室监控计算机复位，若未复位故障报警，该设备不能运行。
四、工艺操作模式
1、取水泵房PLC站
该PLC站主要监控3台ITT Flygt公司CP3351935型潜水泵(Q＝600～800L/s、H＝45～38m)机组的运行工况及相关的参数，同时在取水泵房吸水井中装有水位计，通过PLC可随时显示湘江水位状况。
取水泵房在全自控的模式下，机组开/停由清水池水位情况、送水泵的运行情况、用水高峰时段以及送水管网压力等因素决定。具体来说，清水池水位设定有4个控制值：超低水位1 .0m、低水位1.6m、高水位3.6m、超高水位4.1m。通常只要求1台取水泵运行，但在以下情况下要求有2台取水泵运行：①当清水池实际水位低于低水位设定值时，开2台取水泵；② 当清水池实际水位低于高水位设定值时，而且送水泵房1台32SA19A型水泵(Q ＝1380L/s、H＝26m)或2台24SA18F型水泵(Q＝830L/s、H＝26.6m)运行，或者此时正处于高峰用水时段(11∶00～14∶00、17∶00～22∶00)，或者送水管网压力低于0.2 5MPa时，均开2台泵。当2台水泵运行，清水池水位达到超高水位值时，停掉其中1台，保持1 台取水泵工作。
水泵机组只能在没有配电线路故障、机组设备完好、出水电动阀门完好并且处于关到位的状态、湘江水位高于枯水位27.93m时，才可依据程序自动开启。在程序设计上还考虑了下列因素：①在自动控制状态下，取水泵不能同时开/停2台，只能在第1台开/停整个过程完成后，方可开/停第2台，同时第一期工程取水泵最多只可运行2台；②在自动控制状态下，取水泵依据程序定期轮换运行，以确保每台泵运行时间基本相同；③ 考虑到潜水泵的运行特性，当湘江水位较高(≥38m)，此时取水泵工作扬程低、流量大、轴功率大。为防止其过载，因而对机组出水电动阀门开启度(0～100%)采取了可根据湘江水位变化自动调节的方式加以程序控制，并在中控室监控计算机界面上保留人工临时设置开度的功能。
2、加矾加氯PLC站
从取水泵房过来的原水进入位于净水厂的流量计表井，在此通过在线仪表检测原水的流量、浊度、pH值、温度等，并将其转换成4～20mA DC信号输入PLC系统为加矾加氯系统提供控制参数。
加矾系统采用2套Milton Roy计量泵(配三菱变频调速器)投加，变频器运行频率由流量信号控制，控制流量为取水流量与回收流量之和，计量泵行程由流动电流仪(SCD)值控制。2 套计量泵1用1备，当正在使用的计量泵出现故障，PLC系统会自动切换。2套投矾系统的矾液取自3个贮矾池，每个贮矾池均装有液位计，可随时检测矾液高度，同时通过装在贮矾池的搅拌机定时搅拌，可防止药液沉淀影响浓度。3个贮矾池出矾管线上均装有电动球阀，通过手/自动转换开关，可选择机旁控制箱操作或中控室监控计算机人工操作，也可根据3个贮矾池液位PLC系统自动选择，切换工作池。
加氯系统采用真空加氯机，两点投加，滤前滤后各2台，均为WT公司产品，1用1备，备用方式同加矾系统。滤前按比例流量投加，滤后采用流量与余氯信号双因子控制投加。加氯机所需的流量信号由PLC系统输入，余氯信号由余氯分析仪在线检测。滤前加氯机投加的控制流量取自取水流量与回收流量之和，再减去反应沉淀池排泥用水量。滤后加氯机的控制流量为滤前加氯机的控制流量减去滤池反冲用水量。氯库装有电子秤和自动切换单元，同时装有泄漏报警仪，通过检测泄漏报警信号经PLC系统可自动启动氯气回收装置，并且PLC系统会自动关闭所有加氯系统等待故障处理。
3、回收泵房与反应沉淀池PLC站
此PLC站主要监控反应沉淀池56个气动排泥阀、2台排泥桁架以及回收泵房2台回收泵、2台排泥泵的运行及相关参数。气动排泥阀与排泥桁架的运行周期一般采取在中控室或PLC站XBT 上根据原水浊度所设定的时间来自动运行，也可根据需要临时修改设定时间人为强制运行。
回收泵房装有回收泵、排泥泵各2台，均为1用1备，且回收泵与排泥泵也不在同一时段运行。回收泵开/停由回收水池水位自动控制，当水位达3.3m时自动开泵，低于1.1m时自动停泵。排泥泵的运行周期是根据所设定的时间自动控制的，但开启排泥泵必须满足回收水池水位不低于3.0m的条件。
4、V型滤池PLC站
该PLC站主要监控8格V型滤池的过滤、反冲洗过程及相关参数。每格滤池均装有一个水位计和一个差压计，用来检测滤池的液位和滤池的阻塞情况。滤池的清水阀为无级可调比例阀 (开启度为0～100%)，根据滤池的液位、阻塞值(即水头损失值)、清水阀现有开度的反馈信号通过PLC系统自动调整阀门的开度，从而确保滤池恒水位过滤。滤池反冲洗的控制方式有3 种：①强制反冲；②根据阻塞值PLC系统自动反冲；③根据过滤时间PLC系统自动反冲。优先原则是：第①种方式最为优先，第②种方式次之，最后为第③种。
滤池的操作方式有3种：①单池PLC控制台操作，每格滤池单独设有PLC控制台，每个控制台装有5个阀门(进水阀、清水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀)控制按键与1个显示面板，可显示5个阀门、3台鼓风机、3台冲洗泵、2台空压机开/停、故障信号以及滤池水位、阻塞值等参数；②V型滤池PLC站XBT操作；③中控室监控计算机操作。
5、送水泵房PLC站
该PLC站主要监控1台32SA19A型水泵(以下简称大泵)与2台24SA18F型水泵(以下简称小泵)运行工况及相关的参数，同时在出厂管线上装有压力表、流量计、浊度计、余氯分析仪、pH计等仪器仪表，用于在线检测出厂水的生产与卫生指标。
送水泵房在全自控模式下，机组开/停由管网压力等因素决定。为便于控制，对出厂管线压力设定有3个控制值：超低压力0.15MPa，低压力0.25MPa，高压力0.35MPa。具体控制方式有3种：①当1台小泵运行，若压力≥0.25MPa，小泵继续运行；若压力在0.15～0.25 MPa之间，则可开大泵或第二台小泵，但优先开大泵。②当1台大泵或2台小泵运行时，若压力≥0.35MPa，则停大泵开1台小泵或停1台小泵；若压力在0.15～0.35MPa之间，大泵或2 台小泵继续运行。③当管网压力≤0.15MPa时，PLC系统会自动停下所有送水泵，认为管网出现故障(如爆管等)，等待故障处理。此外，送水泵自动运行必须要求配电系统、机组设备等性能完好，且吸水井达到一定水位才能正常实现。
6、中控室计算机监控系统
中控室监控计算机采用Windows NT操作系统，与各PLC站之间通过ETHERWAY通讯联络实现资源共享，各PLC站之间通过FIPWAY通讯联络除了对本站设备进行操作显示外，还可了解其他站的情况。所用监控软件为INTOUCH，该软件人机界面好，能根据需要进行动画链接，比较直观。中控室监控计算机设有取水泵房、加矾间、加氯间、反应沉淀池、回收泵房、V型滤池、公共冲洗泵房、送水泵房、自动化总览、10kV一次系统、660V一次系统、低压系统等窗口。另外INTOUCH软件还具有实时、历史趋势功能，能够了解生产参数的动态情况，便于生产调度管理。此外在中控室设有打印机，用于实时报警打印及生产报表打印。
五、运行结果
水厂运行已8个月，取水泵房、回收泵房、送水泵房水泵机组能完全按程序自动开/停；V 型滤池的各项控制指标均能达到德利满公司的技术要求，据厂化验室对V型滤池的功能检测，当滤池进水浊度在10NTU以下时，可保证滤后水浊度在0.7NTU以下，同时反冲洗配水、配气均匀；加矾、加氯系统能在不同水质、水量情况下正常工作，实现自动化控制，出厂水浊度、余氯等卫生指标均能按要求控制在0.2～0.5NTU、0.5～0.8mg/L