桥东水厂自动控制系统的设计及应用

摘要：本文主要介绍了惠州市桥东水厂自动化控制系统的设计思路、设备选型，应用情况，对控制系统进行了相关的介绍，通过自动化系统的运用，实现了桥东水厂向现代化水厂的转变。
关键词：系统 PLC 自动控制

The Application and Designing of Automation control in QiaoDong Waterworks
Jinyu Wen, ,Rong Zhong
Guangdong Huizhou city running water main corporation, Huizhou, Guangdong 516003

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：
        惠州市桥东水厂原属老厂，日产量11万吨/日，共分三期建成，第一期产量3万吨/日，由广东省建筑设计院于1982年设计，其净水工艺为机械反应+斜管沉淀+双阀滤池，并于1984年投产；第二期产量4万吨/日，由广州市自来水公司于1987年设计，其净水工艺为网格反应+斜管沉淀+虹吸滤池，于1988年投产；第三期产量4万吨/日，套用二期的图纸，于1994年投产。后因水质性缺水，整个桥东水厂于1999年9月停产。
随着惠州市经济的快速发展，总量为38万吨/日（河南岸水厂18万吨/日和江北水厂20万吨/日）的
供水已不能满足需求，故我公司于2003年底决定对桥东水厂进行挖潜改造。由于时间紧、资金少、地方
有限，加上原净水构筑物搁置时间久，使改造工程增加了不少难度。改造工程总体原则为，在基本保持
原工艺构筑物基础上，对整个工艺流程进行现代化、自动化全面改造。整个净水工艺为网格反应+斜管沉
淀+小阻力快滤池，于2004年3月开工,2005年2月4日正式投产，改造后供水能力为12万吨/日。
       桥东水厂自动控制系统设计是在原有两个水厂经验积累上设计出来的，起点高，具有更强的实用性、控制性、通用性、开放性、可扩展性。整个工程的设计、施工、安装、调试全部由公司技术人员自己完成，现已成功运行三个多月。本工程全部净水工艺过程由计算机自动控制（备有手动操作），控制系统设计采用集中管理、分散控制，由三级组成：第一级，就地控制（即现场控制盘）；第二级，现场控制PLC站；第三级，中央控制室。在实际应用中，自控系统保持了安全、可靠的运行，体现了自控系统便于管理，优质供水、节能降耗、提高设备的使用寿命等特点，为管理人员提供了可靠的的数据依据，提高了劳动生产力，大大降低了劳动强度，同时也提高了社会效益和经济效益。

二、自动化设备的选型及依据
        只有把自动化技术与生产工艺合理结合，改造工程才能达到节约投资的目的。随着技术的进步，新设备更新很快，我们没有必要追求最高级、最好的设备，而应当根据本企业的实际情况，选用技术成熟、性价比好的设备，满足功能需求即可。通过实用性及经济性分析，在自动控制方面决定着重保证净水系统自动化，这涉及到设备选型问题。设备选型工作是一个非常重要的环节。实际上，老水厂的改造往往比新建水厂更为复杂。它受到原有系统和资金等方面的限制，不但要关系到水厂未来的自动化方向，同时更要满足现在的控制要求。避免那种设备没用多少年就无法购买到备件的现象。我们深切的体会到进口产品配件更新换代快，供货周期长，价格昂贵的特点。同时在设备选型上应尽量选熟悉的品牌，并且开放性要好，为以后的升级打下好的基础。在桥东水厂自动化设备选型时，重要设备、仪表，如投药泵、加氯机、部分在线仪表、PLC、变频器等采用进口产品，其它设备，如在滤池工艺自控设备选型中，我们大胆选用国产阀门及机组，在控制上对这些设备针对性的做些处理。其它各种电气设备（继电器，各种开关等），通讯、控制电缆，各种水位、压力仪表，计算机等等也都有选用国内产品。实践证明，即能满足生产的要求，同时大大降低了生产成本。

三、 自控系统概况
        桥东水厂净水系统采用微机自动化控制系统（兼有手动操作控制），控制方式体现了国内目前自动化水平和特点。水厂采用PLC+PC的控制系统，该系统是一个由PLC和计算机组成的实时多任务集散型（集中管理、分散控制）网络控制系统，数据处理能力强，能对生产过程进行实时监控，系统稳定性能好。能实现中心控制站和现场手动操作的分级控制，其模块的结构设计，具有扩展灵活，结构开放，组网能力强的特点。
        硬件设备方面，该系统包括三菱公司Q系列可编程控制器、变频器、台湾大众工控机。SCADA软件选用Intellution公司IFIX 3.5组态软件。
        该系统包括四个部分，投加自动化、沉淀池排泥自动化、滤池自动化、数据采集自动化。整个水厂按生产工艺，共设置了8个PLC工作站，所有PLC之间通过同轴电缆以MELSECNET/H网互联通讯，传输速度达25Mbps，通讯网为令牌总线网。它提供一种浮动主站功能，当一个主PLC站停止运行，网络系统仍能让所有挂网的PLC继续正常运行。
        工控主机与PLC之间采用RS232接口进行通信。其中一部主机还负责向总公司中心调度室进行数据传输工作，通讯线路目前是采用电信局的帧中继业务，数据库采用关系数据库SQL SERVER，利用ODBC进行数据通信。
系统的关系结构图如图1：

图1 桥东水厂自动化系统结构图
        系统从功能上可分为两部分，实时自动控制部分及监控管理部分，前者由7个站构成（一期滤池站、二期滤池站、三期滤池站、一期排泥车站、二三期排泥车站、一期投加站、二三期投加站），后者由通讯主站组成。
3．1 通讯主站
       主站是全厂生产指挥的调度中心，动态反映各工艺环节的工作状况和主要技术参数，是用于监控所有滤池站、投加站、排泥车站。主站配有2个通讯模块，串口通讯，用于人机对话。在其上位机上可随时调出各生产区段的组态运行模拟图及相关技术参数，实时记录打印有关运行曲线及报表，并向各区段发送指挥生产的各项指令。
        主站与上位机通信选用两台工业计算机，双机热备，确保一定的冗余。可对报警信号进行报警显示。当其它PLC站产生故障报警信号，主站报警铃响，并且相应的光字牌会亮。
在设计时还要充分考虑控制线路的干扰问题，通讯电缆、控制电缆包括仪表信号走线应该避开强电设备，以避免产生干扰。
3．2 一期滤池站、二期滤池站、三期滤池站
       滤池站的工艺是最复杂的，与其有关的控制系统也非常繁琐。该站主要完成滤水及反冲两项控制任务，一般将滤池工作状态分为3种：停池、滤水、反冲。主要采集滤池水位、处理反冲排队、最大工作周期设置等工作。
        对于每一个滤池的自动控制，主要是通过控制其装设的4个阀门（进水阀、滤水阀、反冲阀、排污阀）的开关来实现。从工艺及经济考虑这四种阀门均选用电控阀门，每个滤池设有远传压力式水位计，压力值远传至PLC进行自动化监控处理。
       在滤水状态，按控制程序实现水位阶段性控制，最初滤阀控制采用PID控制，由于电动阀门不能频繁开关。最后将程序改为以水位为基准，阶段性进行控制，使滤水阀尽可能地工作在安全区内。
滤池在工作状态下，根据生产经验将需要反冲的依据定为滤池周期，当计时时间到转为反冲状态，或按强冲按钮进行反冲。滤池进入反冲洗过程，自动化监控系统首先暂停滤水程序，使滤阀开度保持在滤水程序暂停前位置，进行设定时间的滤水，并关闭进水阀。滤水时间到，进行反冲，先开启反冲泵、排污阀，然后打开反冲水阀。反冲完成后，关闭反冲水阀、反冲泵、最后关闭排污阀，打开进水阀进行正常滤水。
3．3 一期投加站、二三期投加站
       投加站的作用主要是对投矾、投氯实行全自动控制，对水质仪表的参数（投矾量、加氯量、原水浊度、原水PH、SCD值等）进行监视，并将部分参数（原水流量、余氯量、SCM值等）用于过程控制。
投矾控制：按原水流量和SCD信号进行复合环控制。源水流量计送出4—20mA水流信号给变频器，控制计量泵的转速。另一路4—20mA信号则从SCM送至伺服马达控制器，控制计量泵的行程，从而控制投矾量。控制原理图如图2

图2 投矾系统控制原理图
投氯控制：前加氯采用以实时源水流量信号为指导的比例开环控制方式，后加氯采用以实时源水流量信号为指导的比例开环为主，滤后水（入清水池前）余氯量信号为辅的PID加权复合环控制方式（后加氯机自备复合环控制模式）。以其达到良好的处理<