□ 李海波□ 趙小磊 □ 李傳東

1.中工國際工程股份有限公司 北京 100080

2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京分公司 北京 100037

3.山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司 能源動(dòng)力廠 山東萊蕪 271104

1 設(shè)計(jì)背景

孟加拉國帕德瑪水廠位于于孟加拉國達(dá)卡市南部，帕德瑪河（恒河）北岸，是一座日處理能力45萬t的水廠。

中工國際工程股份有限公司于2014年啟動(dòng)帕德瑪水廠的設(shè)計(jì)及建設(shè)工作。項(xiàng)目建成后，帕德瑪水廠將解決孟加拉國達(dá)卡市的供水短缺問題，是孟加拉國的一項(xiàng)民生工程。

2 水廠工藝流程

帕德瑪水廠主要由三部分組成。

第一部分為位于帕德瑪河北岸的原水車間，將帕德瑪河水引入水泵房，加壓后通過輸水管線輸送到凈水廠。設(shè)計(jì)取水量為4.95×105m3/d，進(jìn)水泵房的設(shè)計(jì)流量為5.73 m3/s。進(jìn)水泵房配有六臺(tái)立式混流泵，其中四臺(tái)日常使用，一臺(tái)備用，還有一臺(tái)作為備件不安裝。每臺(tái)泵流量為1.43 m3/s，揚(yáng)程為17 m，電機(jī)功率為350 kW，并配有一套變頻器。

第二部分為凈水廠，凈水廠負(fù)責(zé)對原水進(jìn)行澄清、過濾，然后通過送水泵房送入輸送管線。送水泵房計(jì)劃安裝八臺(tái)泵，至少有兩種可變輸送速度。六臺(tái)泵用于正常使用，另外兩臺(tái)備用。每臺(tái)泵的排放量為0.87 m3/s，揚(yáng)程為 57 m，轉(zhuǎn)速為970 r/min，電機(jī)功率為710 kW。

第三部分為增壓泵房。增壓泵房將處理后的水供向城市供水管網(wǎng)。增壓泵房出水管道上的壓力為0.30 MPa，日供水量為4.5×105m3/d。泵房內(nèi)設(shè)有八臺(tái)水泵，均有兩個(gè)可變輸送速度。六臺(tái)泵正常使用，兩臺(tái)備用。每臺(tái)泵的流量為0.87 m3/s，轉(zhuǎn)速為970 r/min，電機(jī)功率為1 000 kW。

水廠的主要工藝參數(shù)見表1、表2。

表1 原水主要工藝參數(shù)

表2 凈水主要工藝參數(shù)

3 水廠自控系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)步驟

（1）確定設(shè)計(jì)依據(jù)和范圍，包括設(shè)計(jì)的依據(jù)性文件和資料、適用的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、其它專業(yè)所提供的設(shè)計(jì)委托書等。

（2）根據(jù)工藝要求及總圖布置，確定自控系統(tǒng)的控制方式和拓?fù)鋱D。

（3）根據(jù)各車間工藝設(shè)備情況，確定每臺(tái)可編程序控制器（PLC）的具體配置情況，包括通信接口模塊及輸入、輸出模塊。

（4）確定上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信方式。

（5）確定中央控制室和電控室的布置方式。

（6）確定自動(dòng)控制設(shè)備選型。

（7）完成自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備非標(biāo)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)。

（8）結(jié)合工藝要求，完成編程調(diào)試工作。

3.2 總體方案

水廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行可靠、操作方便的原則,根據(jù)工藝要求、流程特點(diǎn)、操作需要，以集中監(jiān)視、分散控制為主，采用設(shè)置現(xiàn)場分布式控制站的方式完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、過程控制、信息處理、安全報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)等功能。在主控室設(shè)置上位機(jī)操作員站和工程師站，可以實(shí)現(xiàn)操作員對全廠生產(chǎn)情況監(jiān)控，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與報(bào)表打印功能[1]。

根據(jù)水廠總圖布置方式，設(shè)置四套現(xiàn)場PLC控制站。1號PLC控制站設(shè)置于反沖洗泵房配電室，2號PLC控制站設(shè)置于送水泵房配電室，3號PLC控制站設(shè)置于投藥車間控制室，4號PLC控制站設(shè)置于加氯車間控制室。每一個(gè)現(xiàn)場PLC控制站都可以獨(dú)立完成對工藝工段進(jìn)行生產(chǎn)過程控制，現(xiàn)場PLC控制站與變頻器，以及軟啟動(dòng)器與遠(yuǎn)程子站之間通過現(xiàn)場總線通信。每個(gè)現(xiàn)場PLC控制站通過工業(yè)以太網(wǎng)相互連接，形成一個(gè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。環(huán)網(wǎng)通過設(shè)置在中控室的交換機(jī)與上位機(jī)相連，并預(yù)留與二、三級管理系統(tǒng)通信接口。這樣整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個(gè)分層控制網(wǎng)絡(luò)，可以將電氣、儀控、信息管理通過數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)電氣控制信息一體化[2-3]。水廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水廠的主要流程為：原水→格柵和配水池→澄清池→過濾池→凈水蓄水池→送水泵房→輸水管→增壓泵站→注入點(diǎn)。

3.3 反沖洗泵房PLC控制站

反沖洗泵房PLC控制站設(shè)在反沖洗泵房的配電室，負(fù)責(zé)以下設(shè)備監(jiān)控和工藝參數(shù)的采集。

（1）控制井。測量流入流量、混濁度、pH值、溫度、溶解氧和控制井水位等。

（2）澄清池。測量澄清池的污泥界面和出水混濁度。監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，以及控制攪拌器。

圖1 水廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（3）過濾。測量格柵過濾池的壓力損失、過濾水位和過濾出水混濁度等。監(jiān)測入水氣動(dòng)蝶閥、出水氣動(dòng)蝶閥、反沖洗進(jìn)水氣動(dòng)蝶閥、反沖洗排水氣動(dòng)蝶閥和排氣電磁閥的設(shè)備狀態(tài)[4]。

（4）反沖洗室。測量水流、氣流、風(fēng)管壓力、水管壓力。監(jiān)測反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)。

反沖洗泵房PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據(jù)高密度澄清池的污泥界面，控制運(yùn)行排污泵。

（2）根據(jù)進(jìn)水流量和高密度澄清池出水混濁度，控制比例劑量。

（3）根據(jù)格濾池的水位，控制出水氣動(dòng)蝶閥，保持水位恒定。

（4）根據(jù)過濾壓力損失和反沖洗期，控制每個(gè)氣動(dòng)閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)順序反沖洗。一次只允許清洗一個(gè)格濾池，在這個(gè)格濾池清洗過程中，禁止其它格濾池啟動(dòng)清洗程序[5]。

（5）根據(jù)反沖洗池水位保護(hù)反沖洗泵。當(dāng)水位太低時(shí)，停泵以防止空運(yùn)行。

3.4 送水泵房PLC控制站

送水泵房PLC控制站設(shè)置在送水泵房和配電室，負(fù)責(zé)以下設(shè)備監(jiān)控和工藝參數(shù)的采集。

（1）變配電房。中壓系統(tǒng)微機(jī)綜合保護(hù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)連接，通過通信接口，獲得電力參數(shù)。

（2）水泵房。測量吸水井水位、出水流量、出水管壓、出水剩余氯、出水混濁度和pH值等，并監(jiān)控水泵。

（3）清水池。測量清水池的水位。

送水泵房PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據(jù)吸水井水位參數(shù)保護(hù)送水泵。當(dāng)水位較低時(shí)，停泵以防止空運(yùn)行。

（2）根據(jù)出水管壓力，控制送水泵的變頻，以實(shí)現(xiàn)恒壓水供給。送水泵房計(jì)劃安裝八臺(tái)泵，六用兩備，其中兩臺(tái)為變頻控制。通過設(shè)置水泵的并聯(lián)特性曲線，結(jié)合配水量、出水管壓力值，使送水泵工作在高效區(qū)范圍內(nèi)。每臺(tái)送水泵出水管上安裝電動(dòng)出水閥及液力緩閉止回閥，當(dāng)閥門正常關(guān)閉或水泵機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，液力緩閉止回閥自動(dòng)關(guān)閉，消除停泵水錘，使出水管水壓保持平穩(wěn)，保證水泵及管道的安全運(yùn)行。水泵的啟停與電動(dòng)閥一步化操作。

3.5 投藥車間PLC控制站

投藥車間PLC控制站設(shè)置在投藥車間的控制室，負(fù)責(zé)設(shè)備監(jiān)控和工藝參數(shù)的采集，具體有化學(xué)溶解槽水位、計(jì)量箱水位等，同時(shí)監(jiān)控計(jì)量泵和攪拌機(jī)的動(dòng)作過程。

投藥車間PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）通過水位控制化學(xué)溶解攪拌機(jī)的啟停。

（2）當(dāng)攪拌室的計(jì)量泵失效或未以最小標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量時(shí)，由警報(bào)設(shè)備提醒。

3.6 加氯車間PLC控制站

加氯車間PLC控制站設(shè)置在投藥車間的控制室，負(fù)責(zé)以下設(shè)備監(jiān)控和工藝參數(shù)的采集。

（1）測量氯氣瓶的質(zhì)量和氯氣泄漏警報(bào)器。

（2）監(jiān)控加氯機(jī)。

加氯車間PLC控制站工藝控制的作用如下。

（1）根據(jù)總進(jìn)水參數(shù)，控制進(jìn)水氯化井以實(shí)現(xiàn)氯配比的控制。

（2）根據(jù)清水池的水流和進(jìn)水殘余氯，控制清水池進(jìn)水管以實(shí)現(xiàn)復(fù)合環(huán)路加氯的控制[6]。

3.7 中央控制室

中央控制室內(nèi)放置三個(gè)操作員站、一個(gè)工程師站、兩臺(tái)打印機(jī)、一臺(tái)投影儀，以及不間斷電源、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。中央控制室布置如圖2所示。

圖2 中央控制室布置

操作員站采用三臺(tái)硬件配置相同的工業(yè)計(jì)算機(jī)，軟件采用基于WinCC平臺(tái)開發(fā)的專用監(jiān)控系統(tǒng)，正常運(yùn)行時(shí)采用兩用一備方式，提高系統(tǒng)的可靠性。工程師站采用專用工控機(jī)，可使儀控工程師在線實(shí)時(shí)監(jiān)控各PLC控制站、變頻器、軟啟動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)，在線修改PLC應(yīng)用程序，以及處理緊急事故[7]。

3.8 人機(jī)交互界面功能

（1）使操作人員對全廠生產(chǎn)情況和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。如送水泵房內(nèi)各臺(tái)送水泵的工作狀態(tài)顯示，包括泵電機(jī)的啟停、電壓、電流、頻率、轉(zhuǎn)速、機(jī)組運(yùn)行工況、流量、壓力、水位信號、溫度、混濁度等主要生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)[8]。

（2）使操作人員對全廠各設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。如操作員站可遠(yuǎn)程對設(shè)備的啟停進(jìn)行操作。

（3）對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)、顯示和打印，包括工作班組記錄、操作記錄、設(shè)備運(yùn)行記錄、報(bào)警記錄、歷史趨勢和動(dòng)態(tài)流程畫面等[9]。

（4）報(bào)表生成及打印，包括日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表及多年歷史數(shù)據(jù)。

（5）提供系統(tǒng)分級管理功能，對不同級別操作人員提供不同的監(jiān)控權(quán)限。

4 結(jié)語

孟加拉國帕德瑪水廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在確保高可靠性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化和低成本的特點(diǎn)。通過對設(shè)備的集中管理與分散控制，確保生產(chǎn)正常穩(wěn)定運(yùn)行，并進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升，降低運(yùn)行成本，提高供水質(zhì)量。此外，充分考慮控制系統(tǒng)的先進(jìn)性、可擴(kuò)展性，為今后用戶改造和擴(kuò)建提供空間和技術(shù)上的支持[10]。