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橋東水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)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(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)備選型，應(yīng)用情況，
對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的介紹，通過自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了橋東水廠向現(xiàn)代化水廠的轉(zhuǎn)
變。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)  PLC  自動(dòng)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(chǎn)量11萬(wàn)噸/日，共分三期建成，第一期產(chǎn)量3萬(wàn)噸/日，由廣東省建筑設(shè)計(jì)院于1982年設(shè)計(jì)，其凈水工藝為機(jī)械反應(yīng)+斜管沉淀+雙閥濾池，并于1984年投產(chǎn)；第二期產(chǎn)量4萬(wàn)噸/日，由廣州市自來水公司于1987年設(shè)計(jì)，其凈水工藝為網(wǎng)格反應(yīng)+斜管沉淀+虹吸濾池，于1988年投產(chǎn)；第三期產(chǎn)量4萬(wàn)噸/日，套用二期的圖紙，于1994年投產(chǎn)。后因水質(zhì)性缺水，整個(gè)橋東水廠于1999年9月停產(chǎn)。
隨著惠州市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，總量為38萬(wàn)噸/日（河南岸水廠18萬(wàn)噸/日
和江北水廠20萬(wàn)噸/日）的供水已不能滿足需求，故我公司于2003年底決定
對(duì)橋東水廠進(jìn)行挖潛改造。由于時(shí)間緊、資金少、地方有限，加上原凈水構(gòu)筑
物擱置時(shí)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(gòu)筑物基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行現(xiàn)代化、自動(dòng)化全面改造。整個(gè)
凈水工藝為網(wǎng)格反應(yīng)+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(chǎn)，改造后供水能力為12萬(wàn)噸/日。
橋東水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在原有兩個(gè)水廠經(jīng)驗(yàn)積累上設(shè)計(jì)出來的，起點(diǎn)高，具有更強(qiáng)的實(shí)用性、控制性、通用性、開放性、可擴(kuò)展性。整個(gè)工程的設(shè)計(jì)、施工、安裝、調(diào)試全部由公司技術(shù)人員自己完成，現(xiàn)已成功運(yùn)行三個(gè)多月。本工程全部?jī)羲に囘^程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制（備有手動(dòng)操作），控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集中管理、分散控制，由三級(jí)組成：第一級(jí)，就地控制（即現(xiàn)場(chǎng)控制盤）；第二級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)控制PLC站；第三級(jí)，中央控制室。在實(shí)際應(yīng)用中，自控系統(tǒng)保持了安全、可靠的運(yùn)行，體現(xiàn)了自控系統(tǒng)便于管理，優(yōu)質(zhì)供水、節(jié)能降耗、提高設(shè)備的使用壽命等特點(diǎn)，為管理人員提供了可靠的的數(shù)據(jù)依據(jù)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)力，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也提高了社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、自動(dòng)化設(shè)備的選型及依據(jù)：
只有把自動(dòng)化技術(shù)與生產(chǎn)工藝合理結(jié)合，改造工程才能達(dá)到節(jié)約投資的目的。隨著技術(shù)的進(jìn)步，新設(shè)備更新很快，我們沒有必要追求最高級(jí)、最好的設(shè)備，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況，選用技術(shù)成熟、性價(jià)比好的設(shè)備，滿足功能需求即可。通過實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性分析，在自動(dòng)控制方面決定著重保證凈水系統(tǒng)自動(dòng)化，這涉及到設(shè)備選型問題。設(shè)備選型工作是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。實(shí)際上，老水廠的改造往往比新建水廠更為復(fù)雜。它受到原有系統(tǒng)和資金等方面的限制，不但要關(guān)系到水廠未來的自動(dòng)化方向，同時(shí)更要滿足現(xiàn)在的控制要求。避免那種設(shè)備沒用多少年就無法購(gòu)買到備件的現(xiàn)象。我們深切的體會(huì)到進(jìn)口產(chǎn)品配件更新?lián)Q代快，供貨周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。同時(shí)在設(shè)備選型上應(yīng)盡量選熟悉的品牌，并且開放性要好，為以后的升級(jí)打下好的基礎(chǔ)。在橋東水廠自動(dòng)化設(shè)備選型時(shí)，重要設(shè)備、儀表，如投藥泵、加氯機(jī)、部分在線儀表、PLC、變頻器等采用進(jìn)口產(chǎn)品，其它設(shè)備，如在濾池工藝自控設(shè)備選型中，我們大膽選用國(guó)產(chǎn)閥門及機(jī)組，在控制上對(duì)這些設(shè)備針對(duì)性的做些處理。其它各種電氣設(shè)備（繼電器，各種開關(guān)等），通訊、控制電纜，各種水位、壓力儀表，計(jì)算機(jī)等等也都有選用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。實(shí)踐證明，即能滿足生產(chǎn)的要求，同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本。

三、 自控系統(tǒng)概況
橋東水廠凈水系統(tǒng)采用微機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)（兼有手動(dòng)操作控制），控制方式體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)目前自動(dòng)化水平和特點(diǎn)。水廠采用PLC+PC的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)由PLC和計(jì)算機(jī)組成的實(shí)時(shí)多任務(wù)集散型（集中管理、分散控制）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好。能實(shí)現(xiàn)中心控制站和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作的分級(jí)控制，其模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有擴(kuò)展靈活，結(jié)構(gòu)開放，組網(wǎng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
硬件設(shè)備方面，該系統(tǒng)包括三菱公司Q系列可編程控制器、變頻器、臺(tái)灣大眾工控機(jī)。SCADA軟件選用Intellution公司IFIX 3.5組態(tài)軟件。
該系統(tǒng)包括四個(gè)部分，投加自動(dòng)化、沉淀池排泥自動(dòng)化、濾池自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。整個(gè)水廠按生產(chǎn)工藝，共設(shè)置了8個(gè)PLC工作站，所有PLC之間通過同軸電纜以MELSECNET/H網(wǎng)互聯(lián)通訊，傳輸速度達(dá)25Mbps，通訊網(wǎng)為令牌總線網(wǎng)。它提供一種浮動(dòng)主站功能，當(dāng)一個(gè)主PLC站停止運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍能讓所有掛網(wǎng)的PLC繼續(xù)正常運(yùn)行。
工控主機(jī)與PLC之間采用RS232接口進(jìn)行通信。其中一部主機(jī)還負(fù)責(zé)向總公司中心調(diào)度室進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，通訊線路目前是采用電信局的幀中繼業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL SERVER，利用ODBC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
系統(tǒng)的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖如圖1：
 
圖1  橋東水廠自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)從功能上可分為兩部分，實(shí)時(shí)自動(dòng)控制部分及監(jiān)控管理部分，前者由7個(gè)站構(gòu)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(chǎn)指揮的調(diào)度中心，動(dòng)態(tài)反映各工藝環(huán)節(jié)的工作狀況和主要技術(shù)參數(shù)，是用于監(jiān)控所有濾池站、投加站、排泥車站。主站配有2個(gè)通訊模塊，串口通訊，用于人機(jī)對(duì)話。在其上位機(jī)上可隨時(shí)調(diào)出各生產(chǎn)區(qū)段的組態(tài)運(yùn)行模擬圖及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄打印有關(guān)運(yùn)行曲線及報(bào)表，并向各區(qū)段發(fā)送指揮生產(chǎn)的各項(xiàng)指令。
主站與上位機(jī)通信選用兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，雙機(jī)熱備，確保一定的冗余。可對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行報(bào)警顯示。當(dāng)其它PLC站產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，主站報(bào)警鈴響，并且相應(yīng)的光字牌會(huì)亮。
在設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)走線應(yīng)該避開強(qiáng)電設(shè)備，以避免產(chǎn)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(fù)雜的，與其有關(guān)的控制系統(tǒng)也非常繁瑣。該站主要完成濾水及反沖兩項(xiàng)控制任務(wù)，一般將濾池工作狀態(tài)分為3種：停池、濾水、反沖。主要采集濾池水位、處理反沖排隊(duì)、最大工作周期設(shè)置等工作。
對(duì)于每一個(gè)濾池的自動(dòng)控制，主要是通過控制其裝設(shè)的4個(gè)閥門（進(jìn)水閥、濾水閥、反沖閥、排污閥）的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。從工藝及經(jīng)濟(jì)考慮這四種閥門均選用電控閥門，每個(gè)濾池設(shè)有遠(yuǎn)傳壓力式水位計(jì)，壓力值遠(yuǎn)傳至PLC進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控處理。
在濾水狀態(tài)，按控制程序?qū)崿F(xiàn)水位階段性控制，最初濾閥控制采用PID控制，由于電動(dòng)閥門不能頻繁開關(guān)。最后將程序改為以水位為基準(zhǔn)，階段性進(jìn)行控制，使濾水閥盡可能地工作在安全區(qū)內(nèi)。
濾池在工作狀態(tài)下，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)將需要反沖的依據(jù)定為濾池周期，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到轉(zhuǎn)為反沖狀態(tài)，或按強(qiáng)沖按鈕進(jìn)行反沖。濾池進(jìn)入反沖洗過程，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)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(jìn)行設(shè)定時(shí)間的濾水，并關(guān)閉進(jìn)水閥。濾水時(shí)間到，進(jìn)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(guān)閉反沖水閥、反沖泵、最后關(guān)閉排污閥，打開進(jìn)水閥進(jìn)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(duì)投礬、投氯實(shí)行全自動(dòng)控制，對(duì)水質(zhì)儀表的參數(shù)（投礬量、加氯量、原水濁度、原水PH、SCD值等）進(jìn)行監(jiān)視，并將部分參數(shù)（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(hào)進(jìn)行復(fù)合環(huán)控制。源水流量計(jì)送出4―20mA水流信號(hào)給變頻器，控制計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速。另一路4―20mA信號(hào)則從SCM送至伺服馬達(dá)控制器，控制計(jì)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(tǒng)控制原理圖

投氯控制：前加氯采用以實(shí)時(shí)源水流量信號(hào)為指導(dǎo)的比例開環(huán)控制方式，后加氯采用以實(shí)時(shí)源水流量信號(hào)為指導(dǎo)的比例開環(huán)為主，濾后水（入清水池前）余氯量信號(hào)為輔的PID加權(quán)復(fù)合環(huán)控制方式（后加氯機(jī)自備復(fù)合環(huán)控制模式）。以其達(dá)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(tǒng)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(jiān)控排泥車的工作狀態(tài)，以及反應(yīng)池、沉淀池各閥門的開關(guān)狀態(tài)。
對(duì)排泥車提供全自動(dòng)及中控室排泥車手動(dòng)兩種控制方式。排泥車控制選擇全自動(dòng)方式時(shí)，只要由生產(chǎn)監(jiān)控人員按照生產(chǎn)的實(shí)際情況和要求，通過中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)定了排泥周期，排泥車的啟停及排泥全過程全部由PLC自動(dòng)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(yīng)池配備了電控液動(dòng)排泥閥，控制方式采用手動(dòng)及全自動(dòng)兩種控制方式。全自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的排泥周期、排泥時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行排污。

四：系統(tǒng)運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益：
橋東水廠改造工程自動(dòng)化系統(tǒng)完成了21個(gè)控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試。進(jìn)行了8套共計(jì)10000多行PLC程序的編制；2套人機(jī)界面的編制和通訊設(shè)計(jì)；900多個(gè)數(shù)據(jù)的配置，加上硬盤錄像監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過幀中繼業(yè)務(wù)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至總公司等項(xiàng)目，整個(gè)工程的費(fèi)用將近100萬(wàn)，大大降低工程成本。最重要的是：系統(tǒng)的核心技術(shù)都是自已開發(fā)的，擁有了自己的技術(shù)才能真正做到不受制于人，便于日后的自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)，降低了水廠的維護(hù)成本。

五、 結(jié)束語(yǔ)
在橋東水廠正常運(yùn)行的幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，平均藥耗3.25Kg/km3，平均氯耗1.13 Kg/km3，出廠水濁度長(zhǎng)期在0.2NTU以下，出廠水余氯在0.3∽0.7mg/L范圍內(nèi)，其它水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目全部符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)橋東水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試，我公司在自動(dòng)化工程技術(shù)方面有了質(zhì)的提高，增加了很多寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。橋東水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能并不是最好的，可是比較實(shí)用及節(jié)省投資，運(yùn)行效果理想，系統(tǒng)維護(hù)方便，運(yùn)行可靠，成本低，具有令人滿意的性能價(jià)格比。

作者簡(jiǎn)介
文瑾瑜（1970年―  ）女，漢族，工學(xué)士, 電氣自動(dòng)化工程師 ,主要從事水廠自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試   聯(lián)系電話: 13829985604
e-mail:Wenjyu@hotmail.com
張戎（1963―），男，漢族，工學(xué)士，給水排水高級(jí)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(duì)給水設(shè)計(jì)、施工、管理有豐富的經(jīng)驗(yàn)。聯(lián)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