楚晏妮

摘 要：本文對(duì)來(lái)水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要的介紹，主要闡述了相關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)流程以及水廠主要工藝。利用PID控制器及其他控制指令實(shí)現(xiàn)了全廠的自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)通信方式的研究，實(shí)現(xiàn)了PLC之間、PLC與工控機(jī)的通信。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，滿足生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng);自來(lái)水廠;PLC

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)在供水企業(yè)遠(yuǎn)程控制管理水廠，水廠操作人員可以在水廠控制室遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)廠內(nèi)水池水位、進(jìn)出廠流量、出廠壓力、水質(zhì)等信息;遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)加壓泵組、配電設(shè)備及其它自動(dòng)化設(shè)備的工作情況;可以遠(yuǎn)程控制加壓泵的啟停。水司調(diào)度中心工作人員及公司主管領(lǐng)導(dǎo)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)各水廠的工作情況及水廠操作人員的操作情況。本文對(duì)水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)做簡(jiǎn)單介紹。

（一）絮凝沉淀

水廠一般使用的絮凝劑是聚合氯化鋁，在折板絮凝平流沉淀池的入口處投加。絮凝沉淀是顆粒物在水中作絮凝沉淀的過(guò)程。在水中投加混凝劑后，其中懸浮物的膠體及分散顆粒在分子力的相互作用下生成絮狀體且在沉降過(guò)程中它們互相碰撞凝聚，其尺寸和質(zhì)量不斷變大，沉速不斷增加。在原水水中投加混凝劑后形成的礬花。在平流沉淀池，隨著水流放緩，不溶于水的礬花基本上都沉入池底。此處的難點(diǎn)是絮凝劑投加量的控制 ， 控制系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)水量、進(jìn)水濁度、絮凝劑濃度計(jì)算出投加量，同時(shí)監(jiān)測(cè)投加絮凝劑泵出口的流量計(jì) ，利用 PID 控制器調(diào)整絮凝劑泵的頻率實(shí)現(xiàn)閉循環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整投加量。這樣即滿足生產(chǎn)要求又不會(huì)浪費(fèi)絮凝劑。

（二）濾池過(guò)濾、反沖

經(jīng)沉淀池沉淀后，較大的顆粒已去除，但還無(wú)法保證滿足國(guó)家對(duì)出廠水濁度的要求， 此時(shí)就需要濾池進(jìn)一步過(guò)濾。本廠采用的是 V 型濾池 ， 當(dāng)水位在濾料上方 1.2米時(shí)過(guò)濾可達(dá)到最好的效果[1]。因進(jìn)水流量和濾池阻塞率是隨時(shí)間變化的，要保證水位的恒定就要實(shí)時(shí)調(diào)整出口閥門的開(kāi)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)濾池進(jìn)出水量的平衡。

濾池過(guò)濾過(guò)程中，水中的懸浮雜質(zhì)被濾料層截留。過(guò)濾池工作一段時(shí)間后，由于被截留的污染物穿透濾層，使水質(zhì)急劇變壞，或由于濾層過(guò)濾阻力增大至超過(guò)最大允許的阻力，需要利用反向水流（自下而上）對(duì)過(guò)濾層進(jìn)行沖洗，從而使濾層再生，濾池重新開(kāi)始正常工作。濾池的反沖洗需要閥門、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)，步驟繁雜，人為操作難度大且易出錯(cuò)， 需要自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。

（三）消毒殺菌

液氯是迄今為止最常用的方法，其特點(diǎn)是液氯成本低、工藝成熟、效果穩(wěn)定可靠。次氯酸的強(qiáng)氧化性可有效殺滅水中的微生物，實(shí)現(xiàn)消毒殺菌的效果。次氯酸雖有消毒殺菌的作用，其本身也有毒性，因此投加量需要嚴(yán)格控制，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。

（四）恒壓供水

恒壓供水能夠保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。具體方式是通過(guò)改變變頻泵頻率保持出水壓力恒定的方式調(diào)整出水量，滿足城市管網(wǎng)用水需求。

以上水廠的主要工藝均要求控制系統(tǒng)能及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整工藝設(shè)備。以 PLC 為基礎(chǔ)的精確控制系統(tǒng)可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，其自帶的 PID 控制器屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以一直對(duì)誤差進(jìn)行監(jiān)視與修正，來(lái)實(shí)現(xiàn)精確控制的要求。

一、硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由若干現(xiàn)場(chǎng)控制站與中央監(jiān)控工作站組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由可編程控制器 （PLC） 與其配套設(shè)備組成，集中安裝在 PLC 控制柜中。用于監(jiān)控廠區(qū)設(shè)備 ， 采集、處理、匯總儀表信息。各現(xiàn)場(chǎng)控制站之間交換數(shù)據(jù)信息，滿足控制需要。中控監(jiān)控工作站由兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī) ， 一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器，一臺(tái)打印機(jī)組成。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要用于對(duì)全廠儀表與設(shè)備的監(jiān)視、集中操作、控制參數(shù)設(shè)定、歷史曲線的生產(chǎn)與查看、故障報(bào)警匯總記錄等。兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)互為熱備 ， 即使其中有一臺(tái)無(wú)法正常工作，另一臺(tái)仍可獨(dú)立運(yùn)行。數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、定時(shí)存儲(chǔ) ， 根據(jù)需要生成、打印報(bào)表。

全廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，支持 TCP/IP，UDP/IP 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。為提高傳輸距離 ， 使用單模光纖傳輸數(shù)據(jù)，連接每個(gè)工作站的交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸。網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一個(gè)方向不通時(shí)走另一個(gè)方向，可以自動(dòng)規(guī)避部分硬件原因?qū)е碌耐ㄓ嵵袛?，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。

二、數(shù)據(jù)通訊

為了縮短設(shè)備儀表與 PLC 間的距離，在廠區(qū)不同位置合理設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)控制站。即節(jié)省了資源，也可減少信號(hào)因長(zhǎng)距離傳輸所受到的干擾。但是有些數(shù)據(jù)，如液位、流量等，不止一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站需要采集，而且這些數(shù)據(jù)是本站完成控制流程所必須的數(shù)據(jù)。尤其是在濾池，每個(gè)濾格上有自己的 PLC，而控制反沖洗的泵與風(fēng)機(jī)在濾池總站的PLC 上，另外同一時(shí)間不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的濾格在反沖洗。這就需要 PLC 間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由一個(gè)總的PLC 來(lái)控制反沖洗流程，通過(guò)通信告知各濾格該進(jìn)行怎樣的操作。

現(xiàn)場(chǎng)控制站全部使用的是進(jìn)口控制器。這每種 PLC都支持 Ethernet/IP 的應(yīng)用層協(xié)議 CIP。CIP 是基于信息的協(xié)議，它通過(guò)“生產(chǎn)數(shù)據(jù)”的設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到“消費(fèi)數(shù)據(jù)”的設(shè)備 ， 實(shí)現(xiàn)信息的通信 ，CIP 使用的就是這種“生產(chǎn)者 / 消費(fèi)者”模型。這種模式取代了傳統(tǒng)的主/從模式 （ 只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信 ）， 支持多信道廣播通信 ，可減少網(wǎng)絡(luò)通信量 ， 提高通信效率。

三、濾池控制

自來(lái)水廠里最復(fù)雜的工藝就是濾池的過(guò)濾與反沖。它既要使用 PID 控制器進(jìn)行恒液位控制，也需要多個(gè)PLC 之間一直進(jìn)行通信 ，同時(shí)濾池反沖洗過(guò)程步驟復(fù)雜，是對(duì)精確控制要求最高的工藝段。

（一） PID 控制器

在工業(yè)上， 因不同的廠區(qū)甚至某個(gè)廠區(qū)不同工藝段存在相當(dāng)大的差異，很難找到一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)滿足精確控制的需求。而為每個(gè)工藝建立一個(gè)模型則需要很長(zhǎng)時(shí)間的觀察總結(jié)， 極大浪費(fèi)人力與物力。此時(shí)就需要一種簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的控制方式， 些正是 PID 控制的優(yōu)勢(shì)所在。PID 控制有三個(gè)基本參數(shù)比例 （P）、積分 （I）、微分 （D）， 使用中一般只需調(diào)整這三個(gè)基本參數(shù)即可。這三個(gè)參數(shù)的合理設(shè)置可滿足大多數(shù)工業(yè)上的精確控制。PID 調(diào)節(jié)屬于閉環(huán)控制 ， 可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋信息自動(dòng)調(diào)整 ，消除偏差 ， 有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)控制站利用 PLC 控制設(shè)備狀態(tài) ，PLC 有相關(guān)的PID 指令?？刂品匠倘缦?：

比例調(diào)節(jié)使偏差值與控制輸出成比例關(guān)系[2]，控制系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，比例增益立即產(chǎn)生作用，調(diào)整偏差。當(dāng)沒(méi)有偏差時(shí)，比例增益作用消失。提高比例增益，可以加快響應(yīng)速度，縮短調(diào)整時(shí)間。但過(guò)大的比例會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。積分調(diào)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。若誤差存在，積分調(diào)節(jié)就持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)誤差消失，積分調(diào)節(jié)停止，輸出一個(gè)固定值。積分調(diào)節(jié)一般不獨(dú)立使用 ，常與比例調(diào)節(jié)一起組成 PI 控制器。微分調(diào)節(jié)的輸出與偏差的變化速度成正比，對(duì)偏差變化的趨勢(shì)具有預(yù)見(jiàn)性，可有效減少超調(diào)和最大偏差值。微分是根據(jù)變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差值不再變化時(shí)，輸出為零。微分調(diào)節(jié)常與另外兩種調(diào)節(jié)方式組合使用，形成 PD 或 PID 控制器。

（二）濾池恒水位

濾池共有 4 格 ， 每格濾池均安裝一臺(tái)液位計(jì) ， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上傳液位信息。如圖1所示 ， 每格濾池濾后出水口有一個(gè)可以調(diào)整開(kāi)度的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 ， 使用 4-20ma信號(hào)控制。

在生產(chǎn)過(guò)程中，為保證較好的過(guò)濾效果，濾池液位要保持恒定。要使濾池液位恒定，最理想的狀態(tài)是進(jìn)、出水都保持恒定。但是城市管網(wǎng)對(duì)自來(lái)水的需求量隨時(shí)間變化，導(dǎo)致進(jìn)、出水量不可能保持恒定。另外濾池過(guò)濾的作用是將水中的懸浮雜質(zhì)截留在濾料層中，減小出水濁度。當(dāng)濾料層中的懸浮雜質(zhì)增多，濾池的水頭損失就會(huì)逐漸增大，導(dǎo)致出水閥在相同開(kāi)度時(shí)出水量逐漸減少。這兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致濾池液位的不穩(wěn)定，影響過(guò)濾效果。此時(shí)使用 PID 控制器就可以比較實(shí)際液位與設(shè)定的液位，計(jì)算出出水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，通過(guò)控制閥門調(diào)整出水量，使進(jìn)、出水量相同，達(dá)到恒定液位的目的。

（三） 濾池自動(dòng)反沖洗

當(dāng)濾池水頭損失增加到一定值，濾池的過(guò)濾效果會(huì)明顯變差，此時(shí)需要進(jìn)行反沖洗，將濾料層中的懸浮雜質(zhì)排出，恢復(fù)濾池的過(guò)濾功能。濾池自動(dòng)反沖洗流程參見(jiàn)表1所示。

1、排水階段：關(guān)進(jìn)水閘，開(kāi)出水調(diào)節(jié)閥（100%），將池中的清水濾出，避免反沖時(shí)浪費(fèi)。當(dāng)液位低于80cm 時(shí)關(guān)出水調(diào)節(jié)閥。

2、氣洗階段：開(kāi)反沖洗排水閘、開(kāi)第一臺(tái)反沖洗鼓風(fēng)機(jī)，反沖洗鼓風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)后開(kāi)反沖洗進(jìn)氣閥。延時(shí) 10 秒，開(kāi)第二臺(tái)反沖洗鼓風(fēng)機(jī)。同時(shí)開(kāi)進(jìn)水閘，進(jìn)行表面沖洗。3min （中控室可調(diào)整 ） 后氣洗結(jié)束。

3、氣、水合洗階段：開(kāi)第一臺(tái)反沖洗泵，反沖洗泵正常啟動(dòng)后開(kāi)反沖洗進(jìn)水閥。4min（中控室可調(diào)整 ）后關(guān)反沖洗進(jìn)氣閥，逐臺(tái)關(guān)閉反沖洗鼓風(fēng)機(jī)。

4、水洗階段：開(kāi)第二臺(tái)反沖洗泵，5min（ 中控室可調(diào)整 ）后水洗結(jié)束，關(guān)反沖洗進(jìn)水閥、逐臺(tái)關(guān)閉反沖洗泵、開(kāi)進(jìn)水閘門，恢復(fù)過(guò)濾狀態(tài)。

（四） 程序設(shè)計(jì)如下

1、 運(yùn)行模式介紹[5]

每個(gè)濾格都有 3 種運(yùn)行模式 ， 分別是維護(hù)、停止、運(yùn)行。當(dāng)某個(gè)濾格設(shè)備有問(wèn)題 ， 需要維修時(shí) ， 將濾格置于維護(hù)模式。只有在此模式下才可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制站的觸摸屏控制濾格的某個(gè)設(shè)備 ， 其他兩種模式均由程序自動(dòng)控制?？紤]到此模式下可能正在對(duì)濾格設(shè)備進(jìn)行維修 ，程序里不允許對(duì)任何濾格進(jìn)行自動(dòng)反沖洗。當(dāng)不使用某個(gè)濾格時(shí) ， 可將其切換至停止模式 ， 此時(shí)所有閘門、閥門均關(guān)閉 ， 也不能進(jìn)行任何操作。運(yùn)行模式下濾池正常過(guò)濾 ， 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒水位控制與反沖洗。

2、恒水位控制

濾池處于運(yùn)行模式，正常過(guò)濾時(shí)，恒液位控制自動(dòng)運(yùn)行。PID 控制器根據(jù)液位設(shè)定與實(shí)際液位計(jì)算并控制出水調(diào)節(jié)閥，調(diào)整出水量，保持進(jìn)出水量平衡。

當(dāng)管網(wǎng)供水有變化時(shí)，取水泵房需根據(jù)情況增減一臺(tái)水泵，或某個(gè)濾格剛開(kāi)始反沖洗時(shí)，濾格的進(jìn)水量會(huì)有一些變化，需要較快地調(diào)整開(kāi)度。而多數(shù)情況下，格的進(jìn)水量保持恒定，而濾格的水頭損失短時(shí)間內(nèi)變化不大。鑒于此種情況，為減少調(diào)節(jié)閥動(dòng)作次數(shù)，可以在進(jìn)出水基本平衡的時(shí)候，不再調(diào)整閥門開(kāi)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，增減泵或反沖洗可引起超過(guò) 10cm 的水位波動(dòng)，PID 控制器的快速調(diào)整，一般可在 5 分鐘實(shí)現(xiàn)水位的恒定。因此當(dāng)液位值與實(shí)際值的差值在 5cm 以內(nèi)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，此狀態(tài)持續(xù)保持 5 分鐘后屏蔽 PID 程序，不再調(diào)整出水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度。直至液位差值再次超過(guò) 5cm。

參考文獻(xiàn)：

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[2]段嫦娥 . 變參數(shù) PID 控制器的討論 [J]. 重工與起重技術(shù) ，2008，（4）：18-20.