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橋東水廠自動控制系統的設計及應用
The Application and Designing of Automation control in QiaoDong Waterworks
                                                               文瑾瑜    張戎
                                                             Wen,Jinyu   Zhong,Rong

摘要：本文主要介紹了惠州市橋東水廠自動化控制系統的設計思路、設備選型，應用情況，
對控制系統進行了相關的介紹，通過自動化系統的運用，實現了橋東水廠向現代化水廠的轉
變。
關鍵詞：系統  PLC  自動控制

Abstract:This article mainly introduced the automation control system of Huizhou
QiaoDong water works' designing methods, choosing equipments, using situation, and
the related information about the control system. Through the automated system
utilization, the QiaoDong water works has Realized to the modernized water works
transformation.
Keywords:system  plc  Automation control

一、概述：
惠州市橋東水廠原屬老廠，日產量11萬噸/日，共分三期建成，第一期產量3萬噸/日，由廣東省建筑設計院于1982年設計，其凈水工藝為機械反應+斜管沉淀+雙閥濾池，并于1984年投產；第二期產量4萬噸/日，由廣州市自來水公司于1987年設計，其凈水工藝為網格反應+斜管沉淀+虹吸濾池，于1988年投產；第三期產量4萬噸/日，套用二期的圖紙，于1994年投產。后因水質性缺水，整個橋東水廠于1999年9月停產。
隨著惠州市經濟的快速發展，總量為38萬噸/日（河南岸水廠18萬噸/日
和江北水廠20萬噸/日）的供水已不能滿足需求，故我公司于2003年底決定
對橋東水廠進行挖潛改造。由于時間緊、資金少、地方有限，加上原凈水構筑
物擱置時間久，使改造工程增加了不少難度。改造工程總體原則為，在基本保
持原工藝構筑物基礎上，對整個工藝流程進行現代化、自動化全面改造。整個
凈水工藝為網格反應+斜管沉淀+小阻力快濾池，于2004年3月開工,2005年2
月4日正式投產，改造后供水能力為12萬噸/日。
橋東水廠自動控制系統設計是在原有兩個水廠經驗積累上設計出來的，起點高，具有更強的實用性、控制性、通用性、開放性、可擴展性。整個工程的設計、施工、安裝、調試全部由公司技術人員自己完成，現已成功運行三個多月。本工程全部凈水工藝過程由計算機自動控制（備有手動操作），控制系統設計采用集中管理、分散控制，由三級組成：第一級，就地控制（即現場控制盤）；第二級，現場控制PLC站；第三級，中央控制室。在實際應用中，自控系統保持了安全、可靠的運行，體現了自控系統便于管理，優質供水、節能降耗、提高設備的使用壽命等特點，為管理人員提供了可靠的的數據依據，提高了勞動生產力，大大降低了勞動強度，同時也提高了社會效益和經濟效益。

二、自動化設備的選型及依據：
只有把自動化技術與生產工藝合理結合，改造工程才能達到節約投資的目的。隨著技術的進步，新設備更新很快，我們沒有必要追求最高級、最好的設備，而應當根據本企業的實際情況，選用技術成熟、性價比好的設備，滿足功能需求即可。通過實用性及經濟性分析，在自動控制方面決定著重保證凈水系統自動化，這涉及到設備選型問題。設備選型工作是一個非常重要的環節。實際上，老水廠的改造往往比新建水廠更為復雜。它受到原有系統和資金等方面的限制，不但要關系到水廠未來的自動化方向，同時更要滿足現在的控制要求。避免那種設備沒用多少年就無法購買到備件的現象。我們深切的體會到進口產品配件更新換代快，供貨周期長，價格昂貴的特點。同時在設備選型上應盡量選熟悉的品牌，并且開放性要好，為以后的升級打下好的基礎。在橋東水廠自動化設備選型時，重要設備、儀表，如投藥泵、加氯機、部分在線儀表、PLC、變頻器等采用進口產品，其它設備，如在濾池工藝自控設備選型中，我們大膽選用國產閥門及機組，在控制上對這些設備針對性的做些處理。其它各種電氣設備（繼電器，各種開關等），通訊、控制電纜，各種水位、壓力儀表，計算機等等也都有選用國內產品。實踐證明，即能滿足生產的要求，同時大大降低了生產成本。

三、 自控系統概況
橋東水廠凈水系統采用微機自動化控制系統（兼有手動操作控制），控制方式體現了國內目前自動化水平和特點。水廠采用PLC+PC的控制系統，該系統是一個由PLC和計算機組成的實時多任務集散型（集中管理、分散控制）網絡控制系統，數據處理能力強，能對生產過程進行實時監控，系統穩定性能好。能實現中心控制站和現場手動操作的分級控制，其模塊的結構設計，具有擴展靈活，結構開放，組網能力強的特點。
硬件設備方面，該系統包括三菱公司Q系列可編程控制器、變頻器、臺灣大眾工控機。SCADA軟件選用Intellution公司IFIX 3.5組態軟件。
該系統包括四個部分，投加自動化、沉淀池排泥自動化、濾池自動化、數據采集自動化。整個水廠按生產工藝，共設置了8個PLC工作站，所有PLC之間通過同軸電纜以MELSECNET/H網互聯通訊，傳輸速度達25Mbps，通訊網為令牌總線網。它提供一種浮動主站功能，當一個主PLC站停止運行，網絡系統仍能讓所有掛網的PLC繼續正常運行。
工控主機與PLC之間采用RS232接口進行通信。其中一部主機還負責向總公司中心調度室進行數據傳輸工作，通訊線路目前是采用電信局的幀中繼業務，數據庫采用關系數據庫SQL SERVER，利用ODBC進行數據通信。
系統的關系結構圖如圖1：
 
圖1  橋東水廠自動化系統結構圖

系統從功能上可分為兩部分，實時自動控制部分及監控管理部分，前者由7個站構成（一期濾池站、二期濾池站、三期濾池站、一期排泥車站、二三期排泥車站、一期投加站、二三期投加站），后者由通訊主站組成。
3．1 通訊主站:
主站是全廠生產指揮的調度中心，動態反映各工藝環節的工作狀況和主要技術參數，是用于監控所有濾池站、投加站、排泥車站。主站配有2個通訊模塊，串口通訊，用于人機對話。在其上位機上可隨時調出各生產區段的組態運行模擬圖及相關技術參數，實時記錄打印有關運行曲線及報表，并向各區段發送指揮生產的各項指令。
主站與上位機通信選用兩臺工業計算機，雙機熱備，確保一定的冗余。可對報警信號進行報警顯示。當其它PLC站產生故障報警信號，主站報警鈴響，并且相應的光字牌會亮。
在設計時還要充分考慮控制線路的干擾問題，通訊電纜、控制電纜包括儀表信號走線應該避開強電設備，以避免產生干擾。
3．2 一期濾池站、二期濾池站、三期濾池站：
濾池站的工藝是最復雜的，與其有關的控制系統也非常繁瑣。該站主要完成濾水及反沖兩項控制任務，一般將濾池工作狀態分為3種：停池、濾水、反沖。主要采集濾池水位、處理反沖排隊、最大工作周期設置等工作。
對于每一個濾池的自動控制，主要是通過控制其裝設的4個閥門（進水閥、濾水閥、反沖閥、排污閥）的開關來實現。從工藝及經濟考慮這四種閥門均選用電控閥門，每個濾池設有遠傳壓力式水位計，壓力值遠傳至PLC進行自動化監控處理。
在濾水狀態，按控制程序實現水位階段性控制，最初濾閥控制采用PID控制，由于電動閥門不能頻繁開關。最后將程序改為以水位為基準，階段性進行控制，使濾水閥盡可能地工作在安全區內。
濾池在工作狀態下，根據生產經驗將需要反沖的依據定為濾池周期，當計時時間到轉為反沖狀態，或按強沖按鈕進行反沖。濾池進入反沖洗過程，自動化監控系統首先暫停濾水程序，使濾閥開度保持在濾水程序暫停前位置，進行設定時間的濾水，并關閉進水閥。濾水時間到，進行反沖，先開啟反沖泵、排污閥，然后打開反沖水閥。反沖完成后，關閉反沖水閥、反沖泵、最后關閉排污閥，打開進水閥進行正常濾水。
3．3 一期投加站、二三期投加站：
投加站的作用主要是對投礬、投氯實行全自動控制，對水質儀表的參數（投礬量、加氯量、原水濁度、原水PH、SCD值等）進行監視，并將部分參數（原水流量、余氯量、SCM值等）用于過程控制。
投礬控制：按原水流量和SCD信號進行復合環控制。源水流量計送出4―20mA水流信號給變頻器，控制計量泵的轉速。另一路4―20mA信號則從SCM送至伺服馬達控制器，控制計量泵的行程，從而控制投礬量。控制原理圖如圖2
      
圖2   投礬系統控制原理圖

投氯控制：前加氯采用以實時源水流量信號為指導的比例開環控制方式，后加氯采用以實時源水流量信號為指導的比例開環為主，濾后水（入清水池前）余氯量信號為輔的PID加權復合環控制方式（后加氯機自備復合環控制模式）。以其達到良好的處理水消毒效果。其控制原理如圖3。
                       圖3   后加氯系統控制原理圖

3．4 一期排泥車站、二三期排泥車站：
排泥車站的主要作用是監控排泥車的工作狀態，以及反應池、沉淀池各閥門的開關狀態。
對排泥車提供全自動及中控室排泥車手動兩種控制方式。排泥車控制選擇全自動方式時，只要由生產監控人員按照生產的實際情況和要求，通過中控室監控計算機設定了排泥周期，排泥車的啟停及排泥全過程全部由PLC自動控制完成，PLC程序采用雙程排泥及池段變速的排泥行走方式。
反應池配備了電控液動排泥閥，控制方式采用手動及全自動兩種控制方式。全自動根據設定的排泥周期、排泥時間自動進行排污。

四：系統運行效果及經濟效益：
橋東水廠改造工程自動化系統完成了21個控制柜的設計、安裝、調試。進行了8套共計10000多行PLC程序的編制；2套人機界面的編制和通訊設計；900多個數據的配置，加上硬盤錄像監控系統，數據通過幀中繼業務將生產數據實時傳送至總公司等項目，整個工程的費用將近100萬，大大降低工程成本。最重要的是：系統的核心技術都是自已開發的，擁有了自己的技術才能真正做到不受制于人，便于日后的自動化系統升級，降低了水廠的維護成本。

五、 結束語
在橋東水廠正常運行的幾個月時間內，平均藥耗3.25Kg/km3，平均氯耗1.13 Kg/km3，出廠水濁度長期在0.2NTU以下，出廠水余氯在0.3∽0.7mg/L范圍內，其它水質檢測項目全部符合國家標準。通過對橋東水廠的自動化系統的設計、安裝、調試，我公司在自動化工程技術方面有了質的提高，增加了很多寶貴的工程經驗。橋東水廠的自動控制系統的功能并不是最好的，可是比較實用及節省投資，運行效果理想，系統維護方便，運行可靠，成本低，具有令人滿意的性能價格比。

作者簡介
文瑾瑜（1970年―  ）女，漢族，工學士, 電氣自動化工程師 ,主要從事水廠自動化系統的設計及調試   聯系電話: 13829985604
e-mail:Wenjyu@hotmail.com
張戎（1963―），男，漢族，工學士，給水排水高級工程師，惠州市自來水總公司總工程師，從事城市供水工作二十多年，對給水設計、施工、管理有豐富的經驗。聯系電話：0752―2816978。e-mail:ZhangRong817@21cn.com
Author brief introduction: Wen  jinyu ,female, electric automation control engineer, Major
automation control system of water works' designing and debug. Tel:13829985604 
e-mail:Wenjyu@hotmail.com
 (516003 廣東惠州 惠州市自來水總公司) 文瑾瑜 張戎    13829985604