黃志剛

（佛山市順德區(qū)水業(yè)控股有限公司，廣東佛山528311）

自來(lái)水廠供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

黃志剛

（佛山市順德區(qū)水業(yè)控股有限公司，廣東佛山528311）

通過(guò)對(duì)自來(lái)水供應(yīng)工藝流程分析，探討了自來(lái)水自動(dòng)供應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)投加系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并基于PLC控制設(shè)計(jì)了一款自來(lái)水廠供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能大大提高供水企業(yè)現(xiàn)代化管理水平，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

供水系統(tǒng)；自動(dòng)控制；PLC控制

城市供水是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有全局性和先導(dǎo)性影響的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是完善城市功能、提高城市化水平和人居環(huán)境質(zhì)量的重要標(biāo)志［1］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多先進(jìn)技術(shù)被引入到制水過(guò)程當(dāng)中（比如文獻(xiàn)［2］和［3］將CIMS技術(shù)應(yīng)用到制水系統(tǒng)中），促使我國(guó)的水廠自動(dòng)控制技術(shù)在穩(wěn)步向前發(fā)展，近年來(lái)陸續(xù)出現(xiàn)了許多成功的案例，如文獻(xiàn)［4］介紹的北京市第九水廠凈配水廠水處理過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)［5］介紹的飛來(lái)峽水利樞紐水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及文獻(xiàn)［6］介紹的津?yàn)I水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)等等。

本文借鑒以上的成功案例，通過(guò)分析自來(lái)水供應(yīng)的工藝流程，從系統(tǒng)規(guī)劃、硬件配置和軟件編程等幾個(gè)方面探討PLC在自來(lái)水供應(yīng)過(guò)程中的應(yīng)用，并對(duì)投加系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)研究，在傳統(tǒng)的水廠供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)一款新的自來(lái)水供水控制系統(tǒng)。為提高供水企業(yè)現(xiàn)代化管理水平，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本提供有力的支持條件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自來(lái)水處理工藝一般分為兩大類(lèi)，一類(lèi)為常規(guī)處理，包括混凝、沉淀、過(guò)濾和澄清。但隨著106項(xiàng)國(guó)標(biāo)的正式施行，原水水質(zhì)面臨著不斷惡化，一般常規(guī)處理不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，從而產(chǎn)生了新的處理工藝，名為深度處理，處理方法有活性炭過(guò)濾法、臭氧—活性炭法、膜法、光催化氧化法等，目的是彌補(bǔ)常規(guī)處理工藝的不足，從而達(dá)到對(duì)水中有毒有害物質(zhì)的進(jìn)一步去除。圖1為普通水廠的一般工藝流程圖。

根據(jù)制水工藝的流程，本文所設(shè)計(jì)的供水自動(dòng)控制系統(tǒng)包括以下功能模塊：主監(jiān)控平臺(tái)、制水環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)窗口、遠(yuǎn)程操作面板、事故報(bào)警處理、工況趨勢(shì)圖、系統(tǒng)自檢和監(jiān)視、登錄管理、系統(tǒng)維護(hù)。

1.1 主監(jiān)控平臺(tái)

各監(jiān)控操作界面主監(jiān)控平臺(tái)全面、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地顯示各自監(jiān)控對(duì)象生產(chǎn)流程的運(yùn)行工況，作為系統(tǒng)的主要操作頁(yè)面，其內(nèi)容包括：

圖1 水廠制水工藝流程

（1）以本監(jiān)控區(qū)域圖形化生產(chǎn)工藝流程為背景，顯示出各工況數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和控制點(diǎn)的廠內(nèi)位置和布局；

（2）通過(guò)點(diǎn)擊顯示界面上的車(chē)間或設(shè)備圖標(biāo)，可進(jìn)入該車(chē)間和設(shè)備的監(jiān)控界面進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制，以及相關(guān)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置操作；

（3）主監(jiān)控平臺(tái)界面上，動(dòng)態(tài)顯示水平衡、藥平衡、電平衡等關(guān)聯(lián)工況參數(shù)；

（4）監(jiān)控平臺(tái)會(huì)在警報(bào)事件出現(xiàn)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息和警報(bào)聲，在對(duì)話(huà)框內(nèi)顯示詳細(xì)的問(wèn)題描述（包括時(shí)間、站點(diǎn)、警報(bào)信息等），值班人員可以在界面上清晰地看到報(bào)警站點(diǎn)的位置圖標(biāo)閃爍；

（5）在操作界面上可查詢(xún)完整的報(bào)警記錄；

（6）提供本系統(tǒng)的整體構(gòu)架畫(huà)面，并顯示水廠監(jiān)控系統(tǒng)自檢情況。

1.2 制水環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

本系統(tǒng)制水環(huán)節(jié)包括取水泵房、加藥間、加氯間、濾池、沖洗泵房、二泵房等，對(duì)于各制水環(huán)節(jié)，系統(tǒng)提供以下監(jiān)測(cè)內(nèi)容：

（1）以圖形方式，直觀顯示該制水環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀況；

（2）以數(shù)據(jù)列表和趨勢(shì)圖的形式，有序顯示工況參數(shù)；

（3）以動(dòng)態(tài)圖標(biāo)的形式，顯示受控設(shè)備狀態(tài)、壓力流量等主要運(yùn)行指標(biāo)；

（4）工況信息即時(shí)查詢(xún)操作面板；

（5）提供站點(diǎn)報(bào)警記錄和事件記錄，提供主要工況參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖，并分類(lèi)顯示“報(bào)警和事件記錄庫(kù)”。

1.3 事故報(bào)警處理（1）當(dāng)發(fā)生設(shè)備故障時(shí)，警報(bào)聲會(huì)立刻響起，并彈出報(bào)警框（包括：時(shí)間、故障站點(diǎn)以及故障說(shuō)明）；（2）當(dāng)有多件報(bào)警事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按發(fā)生順序依次在界面彈出對(duì)話(huà)框，需要值班人員逐一確認(rèn)后才可消除，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把操作記錄寫(xiě)入到庫(kù)；

（3）為了方便值班人員查看各個(gè)站點(diǎn)的工作情況，系統(tǒng)會(huì)將報(bào)警記錄寫(xiě)入到相應(yīng)的站點(diǎn)分庫(kù)內(nèi)，并且注明發(fā)生、確認(rèn)和消除的日期。

1.4 工況趨勢(shì)圖顯示

（1）對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)，系統(tǒng)提供檢測(cè)參數(shù)趨勢(shì)圖；

（2）對(duì)于制水過(guò)程，系統(tǒng)提供水位、壓力、流量、水質(zhì)等工況趨勢(shì)圖；

（3）系統(tǒng)不僅提供實(shí)時(shí)工況趨勢(shì)分析，同時(shí)提供各關(guān)聯(lián)工況參數(shù)在同一趨勢(shì)圖中進(jìn)行組合、比較、分析，并自動(dòng)計(jì)算最大最小值和平均值；

（4）趨勢(shì)圖只在一條時(shí)間軸上連續(xù)顯示，可以隨意放大、縮小以及移動(dòng)時(shí)間軸上的坐標(biāo)，方便用戶(hù)查看系統(tǒng)分析情況和歷史趨勢(shì)。

1.5 系統(tǒng)自檢和運(yùn)行狀態(tài)管理

（1）監(jiān)控主機(jī)的系統(tǒng)運(yùn)行資源信息（CPU占用率、物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存使用狀況、硬盤(pán)空余容量等等）；

（2）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)故障報(bào)警；各PLC站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)自檢和實(shí)時(shí)顯示、故障報(bào)警；

（3）72 h無(wú)須人為干預(yù)，生產(chǎn)正常運(yùn)行，出廠水質(zhì)、水壓、水量符合指標(biāo)，設(shè)備正常運(yùn)行；

（4）PLC系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信系統(tǒng)平均無(wú)故障間隔時(shí)間MTBF＞20 000 h，可用率A≥99.8％，平均恢復(fù)時(shí)間MTTR=34 h，系統(tǒng)綜合誤差：σ≤1.0％，數(shù)據(jù)正確率I＞99％，數(shù)據(jù)通信負(fù)載容量平均負(fù)荷a≤2％，峰值負(fù)荷A≤10％，主機(jī)的聯(lián)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間t≤2 min，查詢(xún)相應(yīng)時(shí)間t≤5 s，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新時(shí)間t≤3 s，控制指令的響應(yīng)時(shí)間t≤3 s。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 加氯系統(tǒng)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)

投氯系統(tǒng)是自來(lái)水廠水處理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)投氯過(guò)程需要嚴(yán)格把關(guān)。由于流量比例控制和余氯反饋控制［7-8］相結(jié)合的傳統(tǒng)控制方法達(dá)不到理想效果，在實(shí)際運(yùn)行中仍存在許多問(wèn)題，所以本設(shè)計(jì)采用了一種新的控制方法——模糊控制［9-10］。

系統(tǒng)采用多子站控制相結(jié)合的方式進(jìn)行管理，其中設(shè)一個(gè)氯氣投放PLC控制子站到加氯間，由主監(jiān)控平臺(tái)調(diào)度分配任務(wù)到各個(gè)子系統(tǒng)，再由制水環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視管理整個(gè)凈水過(guò)程。其主要功能如下：

（1）利用重力傳感器對(duì)氯瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到氣瓶?jī)?nèi)氯氣即將用完時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行切換，從而保證氯氣供應(yīng)連續(xù)不斷；

（2）對(duì)蒸發(fā)器的運(yùn)行狀況、壓力切換器以及氯氣管路電動(dòng)球閥的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

（3）當(dāng)發(fā)生氯氣泄漏的情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)切換到故障狀態(tài)，記錄泄漏時(shí)間、漏氯量、加氯狀態(tài)等參數(shù)。

值班人員可憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)整，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于水廠生產(chǎn)運(yùn)行，將藥劑投加至平流沉淀池，處理過(guò)的水通過(guò)提升潛水泵加壓至濾池，過(guò)濾沉淀及定時(shí)反沖洗，最終通過(guò)多臺(tái)大型離心泵將自來(lái)水以一定的壓力和流量送入供水管網(wǎng)［11-16］。

提升泵運(yùn)行控制采用跟蹤提升泵房進(jìn)水渠道水位的恒水位PID變頻調(diào)節(jié)方式，如圖3、4所示，其中圖3為提升泵流程框圖，圖4為提升泵調(diào)節(jié)框圖。

圖3 提升泵流程框圖

在濾水狀態(tài)下，PLC系統(tǒng)主要進(jìn)行濾池的恒水位調(diào)節(jié)，即根據(jù)濾池的水位調(diào)節(jié)清水閥的開(kāi)度，以確保濾池水位的基本恒定；其次，PLC系統(tǒng)根據(jù)濾池的水頭損失或者根據(jù)時(shí)間的設(shè)定，循環(huán)對(duì)濾格進(jìn)行反沖洗操作，去除均質(zhì)濾料濾層過(guò)濾中積存的雜質(zhì)，保持濾池的過(guò)濾特性。離心泵電動(dòng)機(jī)采用邏輯控制方法實(shí)現(xiàn)遙控啟停，在軟件系統(tǒng)界面上設(shè)置了“一鍵操作”功能，用戶(hù)只需點(diǎn)擊按鈕即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟停以及閥門(mén)的開(kāi)與關(guān)；用戶(hù)也可以手動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止，而且不受PLC控制的影響。文獻(xiàn)［11］詳細(xì)地介紹了濾池恒液位控制、自動(dòng)反沖洗及離心泵遠(yuǎn)程遙控一步化啟停的控制方法，本文不再贅述。

2.3 制水常見(jiàn)問(wèn)題的解決

（1）真空工藝導(dǎo)致的問(wèn)題。過(guò)濾工藝作為自來(lái)水生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其整個(gè)流程必須嚴(yán)格監(jiān)控。通常在過(guò)濾工藝開(kāi)始之前，會(huì)通過(guò)進(jìn)水虹吸管把待濾水送進(jìn)濾池，以恒水位方式進(jìn)行過(guò)濾。在此過(guò)程中，必須確保進(jìn)水虹吸管為密封狀態(tài)，否則虹吸會(huì)在進(jìn)水不久后遭到破壞，導(dǎo)致待濾水無(wú)法進(jìn)入濾池；與此同時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)按原來(lái)所設(shè)時(shí)間進(jìn)入反沖過(guò)程，從而使濾池工作陷入混亂，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。為解決漏氣問(wèn)題，可使用水封方法，詳細(xì)內(nèi)容可查閱文獻(xiàn)［17］。

（2）自來(lái)水紅蟲(chóng)問(wèn)題。紅蟲(chóng)問(wèn)題一直是供水行業(yè)中不可忽視的問(wèn)題，根據(jù)有關(guān)報(bào)道，城市供水系統(tǒng)經(jīng)常受到紅蟲(chóng)污染。紅蟲(chóng)一般由搖蚊幼蟲(chóng)引起，主要產(chǎn)生在以水庫(kù)或湖水為水源的水廠，若污染嚴(yán)重，必須采取過(guò)濾或投加化學(xué)藥劑等方法治理。即便水廠建立在市區(qū)內(nèi)，如果沒(méi)有做好濾池的通風(fēng)工作，也會(huì)因搖蚊聚集而引發(fā)紅蟲(chóng)問(wèn)題，文獻(xiàn)［18］中提到的使用滅蚊燈的殺滅方法能有效地解決此問(wèn)題。

圖4 提升泵調(diào)節(jié)框圖

3 小結(jié)

隨著行業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展，自控系統(tǒng)已成為水廠建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施和標(biāo)準(zhǔn)配置。本文所設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)已投入運(yùn)行，取得了較好成效，大大提高了員工的工作效率，加強(qiáng)了過(guò)程控制，可以全程實(shí)時(shí)監(jiān)控到生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而提高了生產(chǎn)的安全性和可靠性。

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【責(zé)任編輯：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Design and development of water supply control system in waterworks

HUANGZhi-gang

（Shunde Water Resource Co.,Lit.,Foshan 528311,China）

Via an analysis of water-supply process in waterworks,the paper makes an investigation on some key-techniques of automatic water-supply procedure,paying attention to the feeding subsystem.Then the paper uses PLC control technology to design a water-supply control system for a waterworks.The designed system can enhance the work efficiency of water-supply,decrease the cost of water works,and greatly improve the capacities ofmodern water enterprises.

water supply;automatic control;PLCcontrol

TU991.3

A

1008-0171（2015）03-0061-05

2014-10-17

黃志剛（1967-），男，青海西寧人，佛山市順德區(qū)水業(yè)控股有限公司工程師。