基于WinCC的現(xiàn)代化水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高絹絹

【摘 要】德州市第四水廠一期規(guī)模為10萬噸/天，生產(chǎn)工藝為常規(guī)處理—臭氧+生物活性炭深度處理，生產(chǎn)水質(zhì)達(dá)到了直飲水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且污泥處理過程采用了先進(jìn)工藝，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。本文闡述了水廠自控系統(tǒng)的構(gòu)成，對生產(chǎn)流程中重點(diǎn)環(huán)節(jié)的自控過程進(jìn)行了說明，并對組態(tài)軟件WInCC進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

【關(guān)鍵詞】深度水處理 WinCC PLC

1 項(xiàng)目簡介

德州市第四水廠于2014年5月建成通水，第一期規(guī)模為10萬噸/天。第四水廠是一座現(xiàn)代化水廠，為了滿足人們對環(huán)境保護(hù)和飲用水質(zhì)量的需求，其工藝流程除取水、加藥、平流沉淀、V型濾池、加氯、配送水等常規(guī)工藝環(huán)節(jié)，還增加了臭氧+生物活性炭深度處理工藝以及污泥濃縮處理等控制環(huán)節(jié)。該水廠對所有工藝環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制和對系統(tǒng)主要參數(shù)的在線監(jiān)測；污泥濃縮處理系統(tǒng)對濾池反沖洗水進(jìn)行回收濃縮處理，節(jié)約水資源，保護(hù)水體不受污染，符合現(xiàn)代化水廠的要求。

2 自控系統(tǒng)構(gòu)成

目前國內(nèi)采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就其形式可劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC+PLC系統(tǒng)、總線式工業(yè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)[1]。根據(jù)德州第四水廠的工藝特點(diǎn)以及主要構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用了由工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）和可編程序控制器（PLC）組成的IPC+PLC分布控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)置6套PLC-300總站分布于加氯間、臭氧控制間、污泥處理間、加藥間、濾站和送水泵房，位于污泥處理間的3#PLC控制總站同時(shí)監(jiān)測平流沉淀池刮泥機(jī)的PLC-300子站。每個(gè)PLC-300總站都備有3KVA30min不間斷電源（UPS）。中心機(jī)房設(shè)置有上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、主服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并配有6KVA30min不間斷電源（UPS）。控制系統(tǒng)主干網(wǎng)絡(luò)采用主流100Mb/s的環(huán)型光纖工業(yè)以太網(wǎng)，每個(gè)控制總站配置具有環(huán)網(wǎng)管理功能的2光口6電口的100Mb/s工業(yè)光纖交換機(jī)。在加氯間、臭氧控制間、污泥脫水間、加藥間、濾站和送水泵房配有6臺HMI_Touch，可供現(xiàn)場人員了解現(xiàn)場數(shù)據(jù)和全廠概況。

自控系統(tǒng)基于組態(tài)軟件WinCC開發(fā)平臺，使用CP5611通訊卡通過PROFIBUS連接西門子S7-300 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史記錄、故障報(bào)警等功能，可以在中央監(jiān)控室對整個(gè)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控管一體化。

3 生產(chǎn)過程控制要點(diǎn)

3.1 加氯系統(tǒng)

加氯系統(tǒng)采用真空加氯機(jī)，采用前加氯結(jié)合后加氯的殺菌處理工藝。前加氯系統(tǒng)的投加方式根據(jù)進(jìn)水流量采用比例控制，凈水工通過計(jì)算機(jī)給控制系統(tǒng)設(shè)定加氯比例系數(shù)，自動(dòng)控制系統(tǒng)按這個(gè)設(shè)定比例自動(dòng)控制加氯機(jī)投加氯氣，當(dāng)進(jìn)水流量變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整加氯量，自動(dòng)保持系統(tǒng)按比例投加氯氣。后加氯系統(tǒng)的投加方式采用余氯結(jié)合流量閉環(huán)反饋控制，凈水工通過計(jì)算機(jī)給控制系統(tǒng)輸入出廠水余氯指標(biāo)系數(shù)，例如每立方清水余氯含量要求保持在0.5mg，通過余氯分析儀檢測到清水中余氯實(shí)際含量后送給自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制后加氯機(jī)投加氯氣，使出廠清水中余氯含量恒定保持在0.5mg[2]。

3.2 加藥系統(tǒng)

凈水廠目前使用的凈水藥劑為聚合氯化鐵鋁藥液，加藥控制過程是通過控制計(jì)量泵的頻率及沖程來控制加藥量，加藥系統(tǒng)采用針對藥基數(shù)的PID閉環(huán)控制方式。藥基數(shù)是指在千噸水中需投加藥液的量，其值應(yīng)該根據(jù)在原水中投加絮凝劑，經(jīng)過平流沉淀處理后水的濁度控制在10NTU 以內(nèi)來標(biāo)定。濾前濁度過小將造成藥劑浪費(fèi)，相反濁度過大則會(huì)加重濾池負(fù)荷，導(dǎo)致濾池頻繁反沖，浪費(fèi)水源。系統(tǒng)將該值作為控制過程的目標(biāo)設(shè)定值，通過PID調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)計(jì)量泵頻率及沖程大小，將實(shí)際藥基數(shù)控制在目標(biāo)值允許范圍以內(nèi)，保證平流沉淀池出水水質(zhì)穩(wěn)定。

3.3 臭氧投加

前預(yù)臭氧投加基數(shù)為0.5～1.5mg/L，投加過程根據(jù)進(jìn)水流量進(jìn)行比例控制。主臭氧接觸池出水要求余臭氧濃度為0.2～0.4mg/L，后臭氧根據(jù)進(jìn)水量、出水余臭氧采用PID閉環(huán)控制臭氧投加量。臭氧發(fā)生器是臭氧系統(tǒng)的核心設(shè)備，通過控制臭氧發(fā)生器的出口調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)出口流量，保證所需的臭氧量等于實(shí)際產(chǎn)生量。

3.4 濾站

該站主要監(jiān)控10格炭濾池和8格砂濾池的過濾、反沖洗過程及相關(guān)參數(shù)。

3.4.1 濾池過濾

炭濾池和砂濾池采用恒定水位控制原理，濾池的清水閥為無級可調(diào)比例閥（開啟度為0～100%），根據(jù)濾池的液位、水頭損失值、清水閥現(xiàn)有開度的反饋信號通過PID閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整閥門的開度，從而確保濾池恒水位過濾。

3.4.2 濾池反沖

炭濾池根據(jù)水頭損失、反沖周期及人工強(qiáng)制3個(gè)條件按優(yōu)先權(quán)進(jìn)行氣水兩階段反沖。砂濾池根據(jù)水頭損失、反沖周期及人工強(qiáng)制3個(gè)條件按優(yōu)先權(quán)進(jìn)行氣水三階段反沖。

濾池反沖洗的3種控制方式有：①強(qiáng)制反沖；②根據(jù)水頭損失PLC系統(tǒng)自動(dòng)反沖；③根據(jù)過濾時(shí)間系統(tǒng)自動(dòng)反沖。優(yōu)先原則是：第①種方式最為優(yōu)先，第②種方式次之，最后為第③種。

3.5 送水泵房

將檢測到的出水管網(wǎng)上的壓力信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算后得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，變頻器通過控制水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定壓力范圍內(nèi)；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水能力后，通過PLC控制器加泵。根據(jù)實(shí)際用水量的大小由PLC控制變頻器對水泵進(jìn)行調(diào)速及增減水泵數(shù)量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

3.6 污泥處理

平流沉淀池的排泥水和濾池沖洗水集中到到污泥調(diào)節(jié)池里等待處理，當(dāng)系統(tǒng)檢測到調(diào)節(jié)池液位達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，開啟三臺潛水泵將調(diào)節(jié)池內(nèi)污水輸送至濃縮池，為防止污泥沉積池底同時(shí)開啟池內(nèi)攪拌機(jī)。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)入濃縮池的污泥流量值計(jì)算出需要投加絮凝劑PAM的量，自動(dòng)開啟PAM計(jì)量泵，通過導(dǎo)泥管與排泥水混合，在機(jī)械濃縮機(jī)的慢速攪拌過程中，泥水逐漸分離，上清液回收再利用，絮凝泥團(tuán)沉入池底并被刮泥機(jī)集中到池底中央，再通過抽吸泵將泥團(tuán)抽到儲(chǔ)泥池等待處理。

通過送泥泵將儲(chǔ)泥池中的濃縮污泥輸送至離心脫水機(jī)，PLC系統(tǒng)根據(jù)送泥量調(diào)節(jié)PAM投加泵的頻率來控制PAM的加入量，污泥與絮凝劑在進(jìn)入脫水機(jī)之前經(jīng)過混凝器的攪拌形成團(tuán)絮凝體，經(jīng)過脫水機(jī)的離心作用，快速形成含固量在30%～35%的泥餅，泥餅經(jīng)烘干后進(jìn)行掩埋處理。

4 組態(tài)軟件應(yīng)用[3]

上位監(jiān)控系統(tǒng)用WinCC6.0組態(tài)軟件開發(fā)，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)下位機(jī)選用的是西門子S7-300系列及編程工具為STEP7，與WinCC同為德國SIEMENS公司研發(fā)產(chǎn)品，WinCC本身就提供S7-300的驅(qū)動(dòng)軟件，使PLC與上位機(jī)的聯(lián)接非常容易，利于系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。

工控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息歸檔，以及報(bào)表的功能模塊。高性能的過程耦合，快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性。WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案，可以集成通過ODBC和SQL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問，以及通過OLE210和ActiveX控件的對象和文檔的鏈接.

WinCC組態(tài)軟件包括五個(gè)功能模塊，即通訊組態(tài)、變量組態(tài)、控制組態(tài)、圖形組態(tài)和報(bào)表組態(tài)。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所需要完成的功能就是讀取計(jì)算機(jī)內(nèi)部關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的要求，鏈接組態(tài)系統(tǒng)提供的功能模塊，最終生成一個(gè)針對特定工業(yè)現(xiàn)場的、符合用戶要求的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行情況的管理控制。

該監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)界面能直觀、生動(dòng)呈現(xiàn)整個(gè)水生產(chǎn)過程中的工藝，動(dòng)畫形式多樣、直觀、逼真，且與各種型號的PLC通訊簡單。該中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成的功能主要有：

（1）遠(yuǎn)程控制各PLC現(xiàn)場子站，實(shí)時(shí)接收PLC采集的各種數(shù)據(jù)，建立檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫；處理并顯示各種數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)測整個(gè)生產(chǎn)工藝流程和各細(xì)部的動(dòng)態(tài)模擬圖形。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水廠整體工藝流程、各主要工藝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、過程控制及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與現(xiàn)實(shí)。

（3）從檢測項(xiàng)目中，按需要顯示歷史記錄和趨勢分析曲線。能夠了解生產(chǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)情況，便于生產(chǎn)調(diào)度管理。

（4）重要設(shè)備主要參數(shù)的工況及事故報(bào)警、打印制表。包括工藝數(shù)據(jù)報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警，并根據(jù)不同的報(bào)警信息提供不同的報(bào)警畫面。

（5）編制和打印生產(chǎn)日、月、年統(tǒng)計(jì)報(bào)表。對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

5 運(yùn)行結(jié)果

德州市第四水廠運(yùn)行兩年來，提高了水質(zhì)處理的效率和水平，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了水廠運(yùn)行的安全和可靠性。使用了基于WinCC組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作界面直觀友好、易于管理和維護(hù)等完善的特點(diǎn)，完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，生產(chǎn)管理更為科學(xué)有效，為水廠的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉增環(huán)，張博，吳宏圖.高可靠性水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2012，07.

[2]錢莉莉.楊樹浦水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].凈水技術(shù)，2009，03.

[3]劉華波.組態(tài)軟件WinCC及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009，07.