水廠DCS系統(tǒng)在濾池自動控制中的應(yīng)用及優(yōu)化

李慶澤　李傳華　西凱　禹佳宏

【摘要】自動化控制系統(tǒng)在全國各水廠應(yīng)用較為廣泛，本篇主要描述了分布式控制系統(tǒng)（DCS）在水廠濾池的應(yīng)用，結(jié)合實際工作通過對自控系統(tǒng)的優(yōu)化改造，解決了水廠運行中出現(xiàn)的問題，使水廠濾池運行更加可靠、穩(wěn)定，滿足了水廠濾池全自動控制的目標要求。

【關(guān)鍵詞】DCS系統(tǒng)；V型濾池；應(yīng)用與優(yōu)化

【中圖分類號】TF085 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01—0048-01

1、工藝概況

河口水廠是供水公司在2006年改建的一座現(xiàn)代化地表水廠，由深圳某水務(wù)集團設(shè)計院設(shè)計，日供水能力10萬噸，于2006年底投產(chǎn)運行，目前擔(dān)負著河口、孤島的供水任務(wù)。水廠的原水取自水庫，水廠采用混凝、沉淀、過濾、消毒等常規(guī)工藝處理。水廠的配電、自控、儀表、機組、閥門等均采用進口設(shè)備，工作性能穩(wěn)定，可靠性較高。

原水通過渾水絮凝池后進入2座平流沉淀池，經(jīng)30分鐘的絮凝、沉淀后，進入6組（每組包括2格）V型濾池進行過濾，濾后水經(jīng)加氯消毒后，進入清水池，之后經(jīng)輸水泵房進入市區(qū)管網(wǎng)。水廠濾池采用V型均質(zhì)濾料濾池，濾料厚度1.1米，采用恒水位等速過濾，運行水位1.3米，設(shè)計控制調(diào)節(jié)幅度0.05米。過濾周期為24小時（周期參數(shù)可根據(jù)需要改變）。反沖洗系統(tǒng)設(shè)計3臺30千瓦反沖水泵和3臺32千瓦鼓風(fēng)機，反沖時先進行氣沖3-4分鐘，氣沖強度為15升/秒·平方米，再經(jīng)過氣水混沖，約4-5分鐘，最后單水沖3-4分鐘，強度為4.2升/秒·平方米，同時加入渾水表面掃洗，強度為2.2升/秒·平方米。濾池閥門、反沖洗系統(tǒng)均采用氣動閥門，動作可靠，調(diào)節(jié)方便，使用效果較好。

2、濾池控制系統(tǒng)情況介紹

為了更好地實現(xiàn)對水廠濾池的自動控制，設(shè)計中采用了西門子的DCS控制系統(tǒng)，并由西門子公司專業(yè)人員設(shè)計施工。濾池控制系統(tǒng)上位圖形軟件采用組態(tài)王系統(tǒng)。該系統(tǒng)是專業(yè)軟件，能夠提供更加方便的人機界面。在濾池控制系統(tǒng)中，采用7個就地控制柜分別控制6組濾池和兩個沉淀池的排泥。水廠各控制子站通過以太網(wǎng)互相通訊，在中心控制室配置兩臺服務(wù)器，工作人員可通過服務(wù)器對濾池設(shè)備進行監(jiān)控和操作”。操作人員對各工序設(shè)備可根據(jù)生產(chǎn)需要選擇控制方式和修改控制參數(shù)。

每組濾池均配置一臺單獨的就地控制柜和通訊模塊，每一個現(xiàn)場參數(shù)配相應(yīng)的控制模塊，并支持熱插拔。如果某一模塊損壞，可直接進行更換，并不影響其它濾格的運行，使得其維護更為簡便。此類型控制模塊能夠以50毫秒的周期及時掃描數(shù)據(jù)，控制器單獨運算，保證了控制系統(tǒng)的及時性要求。水位控制采用PID自動調(diào)節(jié)。因為濾池水位控制中，水位的變化較為滯后，普通控制方式會使慮后出水閥門動作變化較大，使單格濾池濾后水量變化頻繁，從而影響濾后水水質(zhì)，因此采用PID控制方式較好地解決了這類問題。工程人員可靈活調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，以適應(yīng)慮后出水閥門長期使用后閥門控制器參數(shù)的變化，從而保證了濾池恒水位等速過濾的要求。濾池運行中可人工選擇手動控制或由PLC進行自動控制，并可對過濾時間進行累計，水頭損失和運行周期由微機顯示，反沖過程參數(shù)和排泥時間、刮泥時間可由操作人員進行修改。

濾池自動反沖過程是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，河口水廠的濾池反沖系統(tǒng)控制配置有6臺就地控制柜和一臺公共控制柜分別控制反沖系統(tǒng)的30臺閥門、3臺水泵和3臺鼓風(fēng)機。各濾池的就地控制柜通過MODBUS總線與反沖洗公共控制柜通信鏈接。各濾池根據(jù)其設(shè)定的過濾周期和水頭損失等參數(shù)向反沖系統(tǒng)發(fā)出反沖申請，由反沖系統(tǒng)對各濾池的申請進行排隊，以判斷其反沖順序，并判斷反沖系統(tǒng)是否完好等條件，然后發(fā)出相應(yīng)的反沖指令。濾池接到反沖指令后進人自動反沖狀態(tài)。首先關(guān)閉進水閥門，之后加強過濾使水位降低到設(shè)定反沖水位置，關(guān)閉慮后出水閥并打開排水閥門，排水閥到位后開啟氣沖閥門，然后開啟一臺鼓風(fēng)機5秒鐘后啟動第二臺，按照設(shè)定時間進行氣沖，同時微機顯示本格濾池的狀態(tài)和反沖時間；3-4分鐘后，啟動一臺反沖水泵，進入氣水混沖狀態(tài)。4-5分鐘后，停鼓風(fēng)機，關(guān)閉濾池氣沖閥門，之后開啟另一臺反沖泵，并開啟掃洗進水閥門，濾池進入單水沖和渾水清掃階段；3-4分鐘后，停反沖水泵關(guān)閉水沖閥門和掃洗進水閥門，并開啟排氣閥門進行排氣，1分鐘后濾池關(guān)閉排水閥門和排氣閥門，反沖洗結(jié)束。開啟進水閥，開始下一過濾周期。

3、運行中遇到的問題

3.1 在整個反沖過程中，反沖系統(tǒng)都將連續(xù)反復(fù)掃描整個反沖系統(tǒng)設(shè)備和濾池各閥門狀態(tài)。由于水廠配備的鼓風(fēng)機不允許閉閥運行，如果反沖洗過程中氣沖閥門出現(xiàn)任何故障都將導(dǎo)致設(shè)備問題，甚至損壞，因此該軟件設(shè)計中包括部分保護功能。反沖洗過程當中每一步首先判斷各閥門狀態(tài)，出現(xiàn)任何設(shè)備或信號故障，反沖系統(tǒng)將首先停止運行，以防止出現(xiàn)更大的系統(tǒng)故障。同時，反沖中的濾池將根據(jù)故障現(xiàn)象分別進入停止或運行狀態(tài)，微機將顯示故障設(shè)備，通知操作人員進行人工處理。但是，當反沖洗開始以后，如果閥門出現(xiàn)故障或現(xiàn)場操作臺突發(fā)故障，則本程序無法及時處理，這將導(dǎo)致嚴重的設(shè)備問題，水廠曾多次發(fā)生過鼓風(fēng)機氣罐爆裂等現(xiàn)象。

3.2 雖水位調(diào)節(jié)采用自動調(diào)節(jié)方式，但因設(shè)置調(diào)節(jié)幅度大（0.05m），濾后水流量變化較大，直接造成濾后水濁度在0.35-0.9NTU之間變化，從而影響了水廠的水質(zhì)。同時，因為濾池慮后出水閥控制器長期使用后，其參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)改變，給自動調(diào)節(jié)造成困難。

4、解決方法及效果

4.1 針對反沖中出現(xiàn)意外設(shè)備故障問題，經(jīng)過我們多次研究和論證，決定修改濾池的DCS控制系統(tǒng)軟件。在每格濾池反沖洗過程當中，每一步都增加了對濾池閥門的狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測，反復(fù)掃描其狀態(tài)是否符合要求，當反沖中的濾池閥門發(fā)生意外故障或控制臺發(fā)生故障時，由控制器首先向反沖洗系統(tǒng)發(fā)出故障信號，反沖洗系統(tǒng)控制器則首先停止反沖過程，將所開機組停止運行，濾池控制器則發(fā)出故障指示，并將本格濾池退出運行，交由人工處理。程序經(jīng)過修改后，使濾池運行的安全性得到大幅度提高。自動反沖系統(tǒng)投入運行的當月，發(fā)生一次因濾池照明線路意外故障造成濾池操作臺突然停電，此時反沖洗正在進行。在以往，需人工停止反沖系統(tǒng)，往往因不能及時發(fā)現(xiàn)問題而造成設(shè)備損壞。這次由于控制器首先發(fā)出了故障指令，自動停止了反沖過程。經(jīng)檢查，設(shè)備沒有造成任何損壞，故障修復(fù)后濾池立即投入運行，保證了水廠生產(chǎn)的安全性。

4.2 針對水位自動調(diào)節(jié)的方式，水廠采用了可靈活調(diào)節(jié)參數(shù)的PID控制方式，如果慮后出水閥門控制器參數(shù)發(fā)生變化，只需在微機中由工程人員反復(fù)修訂控制參數(shù)，最終使其自動修正閥門參數(shù)的變化，從而保證了濾池恒水位的自動調(diào)節(jié)。經(jīng)優(yōu)化后使用，現(xiàn)在水廠濾池完全達到自動運行狀態(tài)，運行中水位的變化小于0.02米，出水濁度小于0.3NTU，完全符合生產(chǎn)要求，部分性能優(yōu)于原設(shè)計標準。

5、結(jié)束語

隨著供水事業(yè)的快速發(fā)展，自控技術(shù)在水廠中的應(yīng)用越來越廣泛。DCS系統(tǒng)雖然能夠滿足水廠的自控要求，但是每個水廠都應(yīng)根據(jù)自己的實際情況，制定出符合生產(chǎn)需求的控制方案。自動化的優(yōu)化應(yīng)用不但能大大降低水廠職工的勞動強度，保證出水水質(zhì)，同時也能提高水廠運行的安全性，避免意外故障對設(shè)備造成損壞。

參考文獻

[1]《濾池自動控制說明書》[Z].深圳清泉水務(wù)集團，2006年2月

[2]《濾池操作手冊》[Z].深圳清泉水務(wù)集團，2006年3月