小議中小型水廠自動化科技整改

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目前，我國北方大部分中小型水廠均采用兩級泵站的管理模式，即：由深井泵組成一級泵站采取地下水至水廠蓄水池進行水處理；而后，由二級加壓泵站向用戶管網供水。控制方式一般為人工控制的繼接方式，自動化水平低，水、電資源浪費嚴重，設備事故隱患多、管理困難。我們為某縣自來水廠開發了一套由上位機、可編程控制器(PLC)、變頻器、相應傳感器及執行機構組成的水廠微機集散控制系統，該系統已連續運轉三年，性能穩定可靠，提供了一種針對中小型水廠的，以節能降耗、提高自動化水平為主要目的的技術改造方案。

1系統的主要功能

該水廠的基本情況為：一級泵站包括5口深井，每口深井配備22kW多級潛水泵1臺，共同向一蓄水能力為2000m3的蓄水池蓄水；加壓泵組為5臺45kWDL型立式泵，向管網加壓供水。對控制系統的設計要求是：對水廠的設備運行及生產狀況進行自動化控制和管理。該控制系統的基本功能如下：

(1)保證用戶管網供水壓力恒定。操作人員設定管網壓力后，系統根據設定值和壓力傳感器采取的管網實際壓力信號，采用1臺調速泵配合1～4臺恒速泵的運行模式，自動調整加壓泵站中恒速泵的啟動臺數和調速泵的轉速，在較高的精度范圍內保證管網的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下最大限度地節省電能。同時，減少了由于無謂磨損、頻繁啟停等原因對水泵造成的損害；以及用水低峰時，由于管網壓力過高造成跑、冒事故，浪費寶貴的水資源。

(2)蓄水池水位自動控制。由于用戶用水量的變化較大且具有隨機性，而水廠對蓄水池內水位控制的精度要求較高。故在水位控制系統的設計中，采用模糊算法在保證蓄水池水位維持在標準范圍內的前提下，合理安排潛水泵的啟動臺數，避免潛水泵的頻繁啟停及無效運轉。

(3)自動倒泵功能。為防止某臺水泵長期不運轉發生銹蝕，由PLC控制4臺水泵定期輪換作為變量泵運轉，即自動倒泵功能。

(4)防水錘電器互鎖功能。由于管網壓力較高，為防止水錘對水泵的沖擊，在每臺加壓泵的出水口處安裝電動蝶閥，由PLC按照先開泵后開閥、先關閥后關泵的模式進行控制，有效地防止了水錘的危害。

(5)直觀的圖形顯示及尋檢功能。上位機采用14寸彩顯，以動畫圖形及中文方式顯示水池液位、管網壓力、水泵及閥門運行狀態、生產狀況、耗電量、產水量、設備狀況等信息。

(6)生產管理功能。上位機隨時檢測并記錄水廠各臺水泵的出水量及運轉狀態，以班次為單位生成生產報表，自動統計出水量及耗電量，并存入指定單元。

(7)報警及保護功能。當發生電氣、液位、機械等故障時系統進行聲、光報警，并采取相應措施。上位機故障時，PLC及變頻器可以組成獨立控制系統進行工作；若整個上、下位自動系統均發生故障，現場控制柜具有手動功能，以保證向用戶供水的不間斷。

2控制系統硬件結構

(1)上位機：水廠需24h連續運轉，現場干擾源多、環境惡劣。因此，上位機選用了具有較高可靠性、較強抗干擾能力的研華(ADVANTECH)IPC-610/486型工業用微機。上位機與PLC之間采用RS232標準串行口進行通訊，傳輸速率9600b/s，11位數據格式，數據長度7位，1位校驗位，啟動1位，停止2位。另選研華10位A/D采集卡，采集蓄水池水位信號和加壓泵組出水流量信號，對水位信號運用模糊算法進行計算后，給出控制信息由PLC控制潛水泵的啟動臺數。當水位過低時，認為發生故障，停止一、二次泵組的運行并聲光報警。上位機為720M硬盤、8M內存，可以同時處理大量數據且歷史記錄較長。

(2)主控單元：主控單元選用日本立石公司的C60P型可編程序控制器作為主控單元，它具有40路開關量的輸入、20路開關量的輸出，可擴展模入、模出模塊，并有RS-232標準串口。C60P為積木式結構，系統構成及擴展方便，抗干擾性能好，作為現場主控部件較理想。由它完成自動倒泵、防水錘互鎖、變頻器邏輯控制等邏輯控制功能。

(3)管網恒壓調控系統：調速泵的調節由富士G-45變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網的壓力信號(4mA～20mA)送至自制的調節板上，與給定信號比較后送至日產RKC調節器中，經PID運算后產生調節信號送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調節水泵轉速。變頻器本身對應其輸出頻率有0～5V(DC)信號輸出，將其引回調節板，由系統對輸出頻率進行檢測，若變頻器的輸出大于49Hz一定時間后，管網壓力仍達不到要求，延時確定后，PLC按照一定規則逐個以自耦減壓方式啟動恒速泵，直至管網壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時間后，管網壓力仍超過給定值，則依次關閉恒速泵，配合調整調速泵直至壓力穩定。

(4)自耦減壓啟動柜：恒速泵及潛水泵均采用自耦減壓啟動方式，有效地減小了電動機啟動時對電網的沖擊。

(5)傳感器及執行機構：管網壓力信號的采取利用最大量程為1.0MPa的遠傳壓力表，以方便在采樣點觀察壓力信號；流量信號的采取利用渦街流量計；水位信號的采取利用壓力式水位傳感器；利用電動蝶閥作為執行機構來控制加壓泵的出水口狀態。

3系統的軟件

系統軟件主要包括上位機管理程序、PLC控制與監測程序以及它們之間的通訊程序。

(1)上位機的管理程序主要完成設備運行狀況的圖形顯示監測、生產狀況的數據庫管理、檢測數據的處理、菜單處理以及報警等功能。采用C語言結合匯編編程，充分利用C語言結構化強、簡潔和運行速度快等優點，同時也提高了程序的可讀性、可靠性及可移植性。軟件設計采用模塊化結構，人機界面為圖形形式，菜單驅動，全部中文顯示與提示非常友好。系統主要功能模塊包括：使用說明、水廠控制系統功能介紹、生產狀況監測及管理、水位系統的運行狀態控制等。采用查詢方式完成與PLC的通訊及檢測數據的處理；將管網壓力、流量、液位、各水泵運行狀態及各處閥門開啟狀態等信息以圖形及數據的方式顯示于顯示器上；如有報警信號則顯示相應圖形，同時進行聲光報警。監測的出水量、耗電量等信號可長期保存于存儲器中，隨時作為資料查詢。

(2)蓄水池分為沉淀池和出水池兩部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒處理，而后，經過濾到達清水池。因此，水位控制功能要求較高，正常狀態下，1～2臺潛水泵長期運轉，其余根據用水量的大小自動切換。為保證水的正常供應并防止潛水泵的頻繁啟停，在水位控制中采用了模糊算法。將水位高度分為七級，將水位的變化率也分為七級，將潛水泵的開啟臺數分為5檔，形成了一個二維矩陣數組，由計算機運算后確定應開啟的深井泵臺數。經反復試驗后，確定了數組中各參數的值，經實際使用，獲得了較好的運行效果。

(3)可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現場邏輯控制均與其有關。它的控制程序具有較強的邏輯性要求。一般來說變頻器嚴禁付邊加裝接觸器，但是為了節省投資、實現4臺恒速泵輪流作為調速泵，必須在變頻器的付邊裝接觸器(電路原理圖如圖2所示)。為防止在電動機高速運轉時，當變頻器的原邊未切斷電源或剛剛切斷電源，付邊接觸器斷開，電動機定子線圈放電造成高電壓，損壞變頻器的輸出功率模塊，在PLC的程序設計中必須考慮到較復雜的互鎖及時間控制關系，即PLC計算倒泵時間到后，首先按照閥、泵互鎖關系關閉擬轉入變量運行的定量泵；接著關閉原變量泵，此時變頻器輸出頻率先降至零，而后切斷變頻器原邊接觸器，延時幾秒后，切斷其付邊接觸器。而后，將變頻器輸出與待轉入變量運行的水泵接通，幾秒后按照閥、泵開啟的順序依次接通變頻器的電源，啟動水泵并打開水閥；同時，原調速泵轉為恒速泵使用，這樣做保證4臺加壓泵的運轉時間相近，避免某臺泵長時間不運轉發生銹蝕等故障。

(4)上位機與PLC之間的通訊借助標準RS-232口來完成。可以由上位機完成給定倒泵的間隔時間、設定管網的壓力等工作。同時，下位系統定時將恒速泵的開啟臺數、調速泵的運行狀態(頻率、轉速、消耗功率等)、管網壓力等信息報上位機進行處理和顯示。

4結束語

中小型自來水廠的自動化技術改造有著廣泛的前景。依靠現代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，節省寶貴的水、電資源，是技術發展的必然趨勢。本控制系統將上位機、PLC、變頻器、相應傳感器和執行機構有機地結合起來，發揮各自優勢，軟件設計合理，系統調試較方便；且系統各級之間可獨立運行，保證了水廠的不間斷生產。實踐證明，本系統不僅滿足了生產的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節電一項就為水廠創造了巨大的經濟效益。