水廠自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 煒

(太原供水設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概況

該水廠供水規(guī)模3 萬(wàn)m3/d，建(構(gòu))筑物包括廠外加壓泵站、安全及控流閥間、格柵配水車(chē)間、沉淀池車(chē)間、清水池、變配電間、加氯加藥間、泥沙處理車(chē)間、綜合樓等，以上內(nèi)容全部納入自動(dòng)化設(shè)計(jì)范圍。全廠自動(dòng)化系統(tǒng)包括以下內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和工藝過(guò)程的自動(dòng)化控制和管理現(xiàn)代化的要求。

1.1 儀表

明確儀表的選型原則，根據(jù)工藝過(guò)程和自動(dòng)化控制要求確定儀表種類(lèi)和數(shù)量，繪制儀表工藝流程圖。過(guò)程儀表安裝在工藝過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)，分析儀表安裝在儀表間內(nèi)。為了確保分析儀表的正常工作，配備超濾系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入分析儀表的取樣水進(jìn)行處理。

某些與控制過(guò)程關(guān)系不密切的水質(zhì)參數(shù)則采用實(shí)驗(yàn)分析儀表進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)分析儀表不包含在本次自動(dòng)化設(shè)計(jì)中。

1.2 生產(chǎn)過(guò)程控制

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)確定控制方案;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物的位置及工藝過(guò)程設(shè)置監(jiān)控主站;編寫(xiě)控制描述;統(tǒng)計(jì)被控設(shè)備及測(cè)控點(diǎn)數(shù)。

2 儀表配置

儀表應(yīng)適用于對(duì)工藝流程進(jìn)行控制。儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)為控制體系提供支持，使工廠操作員能夠?qū)S和主要設(shè)備、處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制。能夠在以下流程單元獲取處理水樣本:進(jìn)廠水、泥沙濃縮儲(chǔ)存、沉淀池出水、后加氯點(diǎn)、出廠水。

根據(jù)工程方案，進(jìn)廠水取樣點(diǎn)設(shè)置在調(diào)流及安全閥間前、進(jìn)水流量計(jì)之后，通過(guò)取樣泵加壓進(jìn)入進(jìn)廠水儀表檢測(cè)區(qū)，進(jìn)水儀表檢測(cè)區(qū)布置在調(diào)流及安全閥間內(nèi)。

出廠水取樣點(diǎn)設(shè)置在清水池后總管，通過(guò)引流管引入出廠水儀表檢測(cè)區(qū)。

其他過(guò)程儀表根據(jù)工藝設(shè)計(jì)體現(xiàn)的運(yùn)行要求進(jìn)行配置。

3 自控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)分為3 個(gè)層次:第1 層，設(shè)備監(jiān)控，包括可編程序邏輯控制器(PLC);第2 層，現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面(HMI);第3 層，管理層。

第1 層，采用可編程序邏輯控制器(PLC)類(lèi)設(shè)備作為主控制器，對(duì)流程進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)過(guò)程參數(shù)、設(shè)備工況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守。

第2 層，操作人員可在現(xiàn)場(chǎng)控制站使用觸摸屏作為就地人機(jī)交互接口，對(duì)設(shè)備進(jìn)行就地集中控制。

第3 層，管理系統(tǒng)。位于中控室內(nèi)，由0#工業(yè)交換機(jī)為核心組成光纖以太環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其由工控制算機(jī)、服務(wù)器和有通訊功能的可編程控制器等組成。

3.2 控制站設(shè)置

根據(jù)工藝流程和構(gòu)筑物位置分布，設(shè)置以下管理、監(jiān)視及控制站:中央監(jiān)控主站(0#PLC)、預(yù)處理控制站(1#PLC)、二級(jí)處理控制站(2#PLC)、加氯加藥控制站(3#PLC)、污泥處理控制站(4#PLC)、加壓泵房控制站(5#PLC)。

中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)及現(xiàn)場(chǎng)控制站組成廠區(qū)工控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控。廠區(qū)工業(yè)控制網(wǎng)采用以太光纖網(wǎng)，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性。全系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)縫的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)備用一定量的控制設(shè)備，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以及時(shí)更換以保證系統(tǒng)盡快正常運(yùn)行。

1)中央監(jiān)控主站(0#PLC)。中央監(jiān)控主站設(shè)置在中控室，配置如下:a.實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)計(jì)算機(jī)2 臺(tái)。b.用于與現(xiàn)場(chǎng)PLC 子站相連的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊接口適配器。c.報(bào)表打印機(jī)和事故報(bào)警打印機(jī)，互為備用。d.不間斷電源(UPS)。e.投影儀系統(tǒng)。f.便攜式編程終端。g.調(diào)度及信息發(fā)布控制計(jì)算機(jī)。h.2 臺(tái)中央操作計(jì)算機(jī)及1 臺(tái)工程師站計(jì)算機(jī)。i.供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)GPRS DTU。中央操作計(jì)算機(jī)作為中控室人機(jī)接口，配置良好的人機(jī)界面。

2)預(yù)處理控制站(1#PLC)。1#PLC 站設(shè)置變配電間。監(jiān)控范圍為:格柵配水車(chē)間、安全及控流閥間、進(jìn)水檢測(cè)儀表、變配電間低壓表計(jì)等。

3)二級(jí)處理控制站(2#PLC)。2#PLC 站設(shè)置在沉淀池車(chē)間。監(jiān)控范圍為:沉淀池車(chē)間、清水池、出廠水流量計(jì)井、出水檢測(cè)儀表等。

4)加氯加藥控制站(3#PLC)。3#PLC 站設(shè)置在加氯、加藥間。監(jiān)控范圍為:加氯間、加藥間等。

5)泥沙處理控制站(4#PLC)。4#PLC 站設(shè)置在泥沙處理車(chē)間。監(jiān)控范圍為:泥沙處理車(chē)間、泥沙濃縮池、平衡池。脫水系統(tǒng)配套控制裝置，通過(guò)開(kāi)放協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)4#工業(yè)交換機(jī)接入全廠控制網(wǎng)絡(luò)。

6)加壓泵房控制站(5#PLC)。5#PLC 站設(shè)置在廠外泵站變配電間。監(jiān)控范圍為:廠外加壓泵房、廠外變配電間等。

7)現(xiàn)場(chǎng)控制站配置。現(xiàn)場(chǎng)控制站通常情況下由PLC 對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，特殊情況下也可由操作人員通過(guò)就地控制箱進(jìn)行人為干預(yù)。也可通過(guò)上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)監(jiān)控界面的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制站使用的控制設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊式、通訊接口多樣化，滿足日后擴(kuò)展要求。

3.3 控制描述

1)中央集中監(jiān)控。本工程采用集散型監(jiān)控管理系統(tǒng)。在控制室設(shè)置實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)為熱備冗余系統(tǒng)，2 臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以雙冗余模式運(yùn)行同時(shí)作為服務(wù)器，接收、處理所有的上傳數(shù)據(jù)，集中管理、控制水廠現(xiàn)場(chǎng)PLC，提供清晰、友善的人機(jī)界面，完成生產(chǎn)管理的日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)，也可以在中央控制室集中控制水廠的運(yùn)行。主備轉(zhuǎn)換時(shí)，系統(tǒng)無(wú)數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置了數(shù)據(jù)服務(wù)器與廠信息管理系統(tǒng)相連，在廠長(zhǎng)室、副廠長(zhǎng)室、總工室等有關(guān)部室可設(shè)置計(jì)算機(jī)顯示終端。監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)放、靈活，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，具有動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示功能、報(bào)警、報(bào)表輸出功能、趨勢(shì)預(yù)測(cè)功能、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。軟件應(yīng)采用全中文操作模式，能夠組態(tài)中文顯示畫(huà)面等功能。具有使用方便、簡(jiǎn)單易學(xué)、軟件組態(tài)靈活的特性，應(yīng)該確保用戶可快速開(kāi)發(fā)出實(shí)用、可靠、有效的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2)報(bào)警。所有報(bào)警均被鎖定，直到操作員對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)為止。如果報(bào)警是通過(guò)指示燈的方式顯示的，那么該指示燈將保持閃爍，直到被確認(rèn)為止;報(bào)警被清除之前，將保持穩(wěn)定。報(bào)警為就地報(bào)警。閥門(mén)和設(shè)備狀態(tài)采用統(tǒng)一的符號(hào)和顏色;其狀態(tài)通過(guò)指示燈或彩色電腦屏幕進(jìn)行表示。至少提供以下的報(bào)警:過(guò)程旋轉(zhuǎn)元件的高扭矩狀況。過(guò)程水池和其他開(kāi)面水道中的高水位。藥物儲(chǔ)罐、儲(chǔ)池中的高、低液位。高、低給藥速度。泵井的高、低水位。原水和過(guò)程處理水的超標(biāo)值。工廠出水的pH、余氯、濁度超標(biāo)值。泵機(jī)和過(guò)程電動(dòng)機(jī)的脫扣或運(yùn)行故障。氯儲(chǔ)存、計(jì)量和注入室中的氯氣檢測(cè)。氯稱重裝置低重量。閥門(mén)運(yùn)行故障。對(duì)于能夠關(guān)閉設(shè)備或系統(tǒng)的所有控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，為其提供報(bào)警功能。

3)進(jìn)水處理。進(jìn)水經(jīng)調(diào)流閥及安全閥進(jìn)入格柵配水井，以備后期沉淀及加藥處理。進(jìn)水經(jīng)取樣泵至調(diào)流及安全閥間供進(jìn)水儀表檢測(cè)，取樣點(diǎn)在進(jìn)水流量計(jì)至調(diào)流閥之間的兩處管段。前加氯點(diǎn)在安全及控流閥間內(nèi)。采集進(jìn)出水瞬時(shí)流量、累計(jì)流量。累計(jì)流量主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行采集。流量配比前加氯量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送加氯量信號(hào)至加藥控制站。設(shè)置雙控電磁閥控制加氯管進(jìn)行前加氯控制。采集并控制活塞式調(diào)流閥、蓄能罐式液控安全閥的啟閉;采集并控制調(diào)流閥開(kāi)度。檢測(cè)進(jìn)水的pH/T、濁度計(jì)等檢測(cè)儀表的參數(shù)信號(hào)。

4)源水及清水提升控制。廠外加壓泵站源水設(shè)置了4 臺(tái)75 kW離心泵，其中2 臺(tái)變頻，2 臺(tái)正轉(zhuǎn)、2 臺(tái)反轉(zhuǎn)，出口為電動(dòng)法蘭式蝶閥;清水設(shè)置2 臺(tái)250 kW 離心管道泵，1 用1 備。采集單管出水壓力信號(hào)。通過(guò)總線采集電機(jī)保護(hù)裝置信號(hào)。進(jìn)行電動(dòng)機(jī)監(jiān)視，控制離心泵運(yùn)行。采集其自動(dòng)、運(yùn)行、故障等信號(hào)。通過(guò)壓力、溫度和其他參數(shù)對(duì)泵機(jī)進(jìn)行控制。采集總管壓力。通過(guò)總管壓力和其他參數(shù)對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)度。調(diào)度過(guò)程中根據(jù)回路母線結(jié)構(gòu)分配運(yùn)行機(jī)組。

5)加氯系統(tǒng)。前、后加氯系統(tǒng)均采用全自動(dòng)柜式加氯機(jī)，通過(guò)水射器進(jìn)行管道投加。因此加氯間屬爆炸氣體危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域，配備有處理量Q=2 000 kg/hr 漏氯吸收裝置1 套，所有儀表、設(shè)備均為本安隔爆型設(shè)備，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。完成采集漏氯報(bào)警器的狀態(tài)，檢測(cè)氯氣泄漏，按工藝要求聯(lián)動(dòng)漏氯吸收裝置、軸流風(fēng)機(jī)并聲光報(bào)警。檢測(cè)加氯機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)氯瓶稱重進(jìn)行檢測(cè)，并設(shè)低限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，保證不間斷供氯;根據(jù)1#PLC加氯量控制信號(hào)對(duì)前加氯機(jī)形成閉環(huán)控制。根據(jù)4#PLC 余氯信號(hào)，按照復(fù)合環(huán)方式控制后加氯機(jī)加氯。

6)加藥系統(tǒng)。本廠包含PAC 投加及PAM 投加兩套相互獨(dú)立的加藥系統(tǒng)。PAC 投加范圍Q=3×150 L/h，PAM 投加范圍Q=3×300 L/h。a.PAC 投加。實(shí)現(xiàn)配藥全自動(dòng)控制，控制體系包括儲(chǔ)液池液位計(jì)、投配池液位計(jì)、投加藥電動(dòng)球閥、投配藥電動(dòng)球閥、藥電磁流量計(jì)、水電磁流量計(jì)、原液提升耐腐蝕泵、羅茨鼓風(fēng)機(jī)。實(shí)現(xiàn)投加全自動(dòng)控制，控制體系包括計(jì)量泵、投配池液位計(jì)、沉淀池出水濁度。采集全系統(tǒng)藥泵、管路閥門(mén)、鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)投加泵的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)有1 臺(tái)泵發(fā)生故障或運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，自動(dòng)切換備用泵運(yùn)行。定時(shí)啟停鼓風(fēng)機(jī)。b.PAM 投加。PAM 投加為全自動(dòng)制備系統(tǒng)，主要考慮采集制備系統(tǒng)、螺桿泵等設(shè)備狀態(tài)。整機(jī)啟停PAM 投加系統(tǒng)。

7)出水控制。采集清水池液位。液位通過(guò)在排空管上進(jìn)行靜壓測(cè)量的方式獲得。這是清水池的最低點(diǎn)，管道中的流量不會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響，且常規(guī)狀態(tài)下沒(méi)有流量。在沖刷操作的過(guò)程中(該操作非常罕見(jiàn)，一般每5 年～10 年進(jìn)行一次)，測(cè)量值將會(huì)是錯(cuò)誤的。清水池液位被用于自動(dòng)控制泵機(jī)的啟動(dòng)保護(hù)。采集后加氯取樣點(diǎn)的余氯信號(hào)，經(jīng)微調(diào)、計(jì)算，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送加氯量信號(hào)至加藥控制站。采集流出管線配置的電磁流量計(jì)信號(hào)，累計(jì)流量主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行采集。實(shí)現(xiàn)對(duì)出水水質(zhì)、壓力的監(jiān)測(cè)。水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)pH、濁度、余氯。

8)污泥處理。斜管沉淀池排泥水至2 座泥沙濃縮池濃縮排除上清液后，經(jīng)由平衡池由污泥泵將污泥送入脫水設(shè)備，脫水設(shè)備采用2 臺(tái)臥式螺旋沉降離心機(jī)，一用一備。由藥劑泵投藥后進(jìn)行脫水，脫水后制成泥餅外運(yùn)。脫水系統(tǒng)全套設(shè)備及控制集成由廠商提供，廠區(qū)自控系統(tǒng)集成商完成配合條件的滿足。監(jiān)控濃縮池中心傳動(dòng)濃縮機(jī)。監(jiān)控濃縮池液位，聯(lián)動(dòng)濃縮機(jī)低液位保護(hù)。監(jiān)控平衡池進(jìn)料泵及攪拌機(jī)。監(jiān)控平衡池液位，聯(lián)動(dòng)攪拌機(jī)低液位保護(hù)。由脫水系統(tǒng)提供開(kāi)放協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)脫水系統(tǒng)與全廠控制網(wǎng)絡(luò)連接。以下功能由脫水系統(tǒng)配套控制柜實(shí)現(xiàn)集成:對(duì)絮凝劑流量、污泥流量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)平衡池液位控制進(jìn)料泵啟停。采集污泥流量、絮凝劑流量等參數(shù)，控制藥液及污泥投加。采集儲(chǔ)泥斗料位，控制系統(tǒng)及輸送機(jī)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸餅。采集污泥泵、藥劑泵、軸流風(fēng)機(jī)、絮凝劑制備系統(tǒng)、輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制污泥泵、藥劑泵、軸流風(fēng)機(jī)、絮凝劑制備系統(tǒng)、輸送機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行。提供開(kāi)放協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口，負(fù)責(zé)調(diào)通與全廠控制網(wǎng)絡(luò)的通訊。

［1］王江榮，蘇 新.給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)——電氣與自控［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002:612-640.

［2］肖建章.自動(dòng)控制技術(shù)［M］.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2004:20-21.