摘 要:PLC可以有效的实现生产过程的综合自动化控制，有着极高的经济价值和社会效益。本文阐述了自来水厂的自动控制系统,并结合PLC技术特点,就PLC在自来水厂自动化系统中的应用进行了探讨，以期能为保障供水系统的安全、稳定运行奠定基础。
关键词:自来水厂；自动化控制；PLC
自来水厂是城市居民生活、生产的基础保障,是城市的生命线。随着小康社会的全面普及，科技的进步，人们对自来水供应的品质和安全都提出了更高要求，自来水厂的建设也日新月异，很多控制设备和控制流程不断涌现，PLC控制设备凭借其稳定性、可靠性、性价比等优势占据了主导地位。从当前PLC 运用现状看，具有成本低且安全性较高等特征，对于自来水厂管理、监控等各方面都可起到明显的效果。因此，本文对自来水厂中自控系统中PLC的运用进行了分析，具有十分重要的意义。
水厂自动控制系统
水厂生产工艺
对于自来水生产过程，各个水厂根据自己的实际情况，如取水水质、供水量等因素的影响，存在一定的差异，生产设备和控制系统也略有不同。但是，总体来讲，生产工艺的基本流程基本相同。生产工艺主要包括取水、混凝、沉淀、过滤、消毒、加压送入管网等几个过程，如图1所示。
图1 自来水厂生产工艺流程
首先，采用大型离心泵抽取原水，将水源地的原水经过原水泵加压输送入原水管网进入反应池，在反应池前端加入PAC（聚合氯化铝）混凝剂和二氧化氯消毒剂，实现混凝和初步消毒的目的。在混凝阶段利用聚合氯化铝的吸附作用，把水中水易深沉的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互聚结，再被吸附架桥，从而开成较大的絮凝颗粒从水中分离、沉淀下来。在完成絮凝沉淀处理后，把待滤水通过管道输送至过滤池，利用石英砂等有空隙的粒状滤料层把水中的悬浮颗粒黏附在滤料中，进一步去除水中细小的有机物、杂质等使待滤水进一步澄清。滤池则根据运行时间、阻塞值等进行定期反冲洗，而滤池的反冲洗水则通过管道输送至中心排泥池进行沉淀，上清液进行回用或无害化排放处理，底层污泥则通过污泥泵送入污泥处理车间脱水后，运送至无害化处理厂进行处理。在整个水处理过程中，沉淀与过滤过程是去除水中大部分悬浮物的重要环节，对于保证水质达标意义非常重大。滤后水则经过为消毒后进入清水池，最后完成加压送入城市供水管网。
水厂控制系统组成
根据水厂的生产工艺，控制系统采用PLC+PC的监控方式，设置一个中心控制室主站、3个PLC控制分站（加药分站、滤池分站和送水分站）和若干个二级控制站（CD01A、CD01B、CD01C、CD01D、CD01E）。二级控制站之间、二级控制站与现场分站之间、现场分站与中心控制室主站之间以及中心控制室内的计算机均通过以太网通讯。现场设备的控制分为手动与自动两种控制方式：手动时PLC监测设备的运行状态；自动时，PLC监控设备的运行。在自动状态下，还具有键控与自控两种控制方式：当处于自控控制方式时，现场分站PLC可以监控设备的运行，而中心控制室只能监测设备的运行状态；当处于键控控制方式时，中心控制室可以监控设备的运行。
为了便于监控和管理，在中控室配置2台用于生产管理与监控的计算机及2台激光打印机组成。计算机采用Windows XP操作系统。其中监控计算机采用具有模块化、易于扩充、分布式体系结构,某一任务的故障不影响其它任务的正常执行,具有友好的人机界面,动态显示功能非常强大，运行速度快、可靠性高、开发及生产维护方便等性能的RSView32监控组态软件，可显示包括涉及PLC控制的机电、加矾加氯设备与滤池等在内的模拟画面，可对系统的所有设备进行远程操作和控制，并具备显示工艺布置图、实时动态参数、设备的工作状态及实时/历史报警信号、在线仪表的实时/历史趋势曲线、水泵运行时间等功能，同时可进行离线/在线编程及设定参数的修改，编制和打印生产与管理报表。
水厂控制系统存在的问题
尽管我国的自来水厂生产基本实现了基于PLC的自动化控制，但是在实际生产中仍然存在一些问题需要解决。首先，国内大部分水厂没有实现真正的全部自动化。主要原因包括以下两个方面。一方面，我国水厂的生产工艺和管理水平有限，自动化运行受操作人员主观影响较大，最终一些设备不得不改成手动控制，造成自动化控制资源的浪费。另一方面，由于技术限制，我国自动化控制系统的设备基本需要国外进口，产品之间的兼容和通讯经常出现问题，阻碍了自动化生产的进程。
我国的水厂自动化设计和改造过程中，没有充分发挥自动化控制系统的优势，实现自来水生产的稳定、可靠、节能等方面的目的。设计过程没有统一的调度和自上而下的逐层深入设计，造成自动控制关键环节问题多发，最终造成设备闲置，浪费了大量设备资源。
水厂恒压供水
送水系统设计
水厂送水系统是水厂自动化控制系统中的重要组成部分，保证整个城市供水管网的供水平衡、水压稳定，当前采用较为普遍的是变频恒压供水系统。变频恒压供水原理是变频恒压供水系统根据设定的压力值，采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，变频器的 PID 功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较（这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或设定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。），并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。
在自动控制系统中，通常设定值是系统的输入变量，而被控变量是系统的输出变量。输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输入变量比较，因此称为反馈。输出变量与输入变量相比较的结果中偏差，控制装置根据偏差方向，大小或变化情况进行控制，使偏差减小或消除。发现偏差，然后除掉偏差，利用这一原理组成反馈控制系统。
控制方案设计
根据城市管网供水系统的用水特点，为了满足供水要求，水厂的供水控制系统一般采用集中管理、分布式控制系统结构。整个系统一般包括以下三个层次的设计:现场设备层、现场控制层和中央控制层，如图2所示。其中，现场设备层主要包括变频器、流量、液位、压力传感器以及各类开关装置；现场控制层是供水控制系统的核心组成部分，选用PLC作为控制设备，实现对现场I/O设备的控制。通过现场总线与设备连接，将各个设备输入的信号经过运算后输出控制信号，实现系统自动化控制。同时，PLC通过现场总线与上位机通讯。由于上位机良好的人机界面优势，可以对系统进行实时监控和数据记录等。
图2 供水控制系统结构图
水厂的变频恒压供水其实就是一个闭环控制。其设定值就是水厂所要求的出厂水水压，被控变量就是出厂水的压力变送器所检测到的压力值 。闭环控制的特点就是按偏差进行控制。当压力变送器所输出来的值低于设定值时，控制器就会要求水泵的频率提高，以求达到或接近设定值。而当夜晚要要求减小出厂水压力时，就会去调低设定值，此时，压力变送器所输出的值会高于设定值，这时PLC就会要求水泵的频率减小，使出厂水的压力低到或接近设定值。水厂流程监测就是一个开环控制，它只根据输入信号进行控制，不测量被控变量。
控制系统硬件设计
恒压变量的供水系统需要对数字量信号进行输入/输出，同时还需要完成模拟量信号的采集。例如，水压、流量、液位等测试信号都属于模拟量信号，需要输入PLC进行A/D转换后，在上位机进行显示记录。因此，在进行系统硬件设计时，需要预留模拟量I/O接口。
水泵变频控制系统采用西门子公司的PLC完成，主机采用S7-300系列PLC中的CPU功能较强的315-2DP模块。变频器采用西门子公司的M4系列变频器，根据水泵的变频要求，采用适用范围较广的MM440变频器，对水泵电机进行变频控制。通过PWM方式运行，可利用数字量来控制模拟量，对降低成本、提高设备的使用寿命提供了保证。通过对模拟量信号的支持，可以直接采集模拟量信号，并计算电机转速。
控制系统软件设计
根据设计，供水系统一般采用一台变频器控制三台机组。实际的运行工作中，根据管网需求，通过控制水泵调节管网的流量和压力。整个系统采用PID控制原理，整个过程控制流程图，如图3所示。在实际编程过程中，为了编程方便，可以把变频程序进行单独编辑，实际运用中只需对功能模块调用就可以实现控制目的。
图3 供水系统控制流程图
加药消毒系统
加药系统采用单闭环自动控制方式（见图4）
图4 加药控制原理图
基于中央控制器设定的一个SCD 值，结合原水的瞬时流量、原水PH 值、原水浊度等重要参数自动投加药，药和水经过静态混合器混和搅拌后由SCD 检测加药的效果，并转化成4-20MA 信号反馈给PLC，PLC 对设定值和反馈值进行比较后送给其内部PID 控制单元计算，计算结果用来控制计量泵的变频器的频率，调整电机的转速改变加药的多少，从而达到自动投加药的效果。
加氯系统自动控制方式与漏氯控制方式
前加氯控制方式
中央控制器设定的一个前加氯系数值给PLC3，PLC3 将采集到原水的瞬时流量与此设定值相乘做相应的处理后将结果转化成4-20MA 信号送给前加氯机，前加氯机按照此值进行加氯。
后加氯控制方式
中央控制器给PLC4 设定一个滤后水的余氯所需值，PLC4 对现场的余氯分析仪器所测的的余氯值进行实时采集，将两值进行比较，将此结果通过Fipway 网送给PLC3，PLC3 发出指令来控制后加氯机的加氯量。
漏氯控制方式
当现场测量仪器测的现场氯气量超过中央控制器设定的限定值时，PLC 3 发出报警信号，并且开启漏氯吸收中和装置。
滤池过滤与反冲洗控制方式
V型滤池的恒液位控制方式（见图5）
图5 恒液位控制原理图
每个滤池均装有一个水位计和一个差压计，用来检测滤池的液位和滤池的阻塞情况。滤池的滤后出水阀为无级可调比例阀(开启度为0～100%)，根据滤池的液位、阻塞值(即水头损失值)、滤后出水阀现有开度的反馈信号通过PLC系统自动调整。当滤池正常过滤的时候，其工艺要求就是要保持滤池水位的恒定，以保证滤池有一个稳定的生化环境。由于进水阀全开，瞬时进水量上下波动比较大，所以就需要通过控制滤后水阀的开启度，以达到滤池水位的恒定。在PLC自动控制系统中，超声波水位计实时监测滤池水位的变化，并传送回模拟数据，PLC利用专门的PID回路控制(闭环控制)指令，通过PID算法确定出滤后水阀的开启度，当进水量增大或因池内水头损失增大导致出水量减少，使水位上升高于设定水位时水位偏差e为正，e越大则u也越大，从而使滤后出水阀开度增大，相应地出水量也增大，使滤池水位下降趋于设定水位，以此保持滤池水位相对恒定。
V型滤池反冲洗
滤池在自动控制方式下有两种因素引起反冲洗，一种是按照冲洗周期（中央控制器内设定），周期性的过滤与反冲洗，另外一种是PLC 对现场的水头损失信号进行实时采集，若是采集到的信号超过中央控制器内设定值, 滤池进行反冲洗。当过滤时间达到设定的冲洗周期，滤池控制站就向PLC控制站发出冲洗请求，如获准冲洗，本格滤池就进入冲洗过程程序。
滤池的反冲洗控制，有三种方式控制滤池的反冲洗：第一种方式: 在中控室通过人工命令强制PLC进入立即反冲洗。第二种方式: 在中控室通过现场快速滤池冲洗命令使滤池立即反冲洗（与第一种方式的不同在于，第一种反冲洗方式是在滤池进入反冲洗状态后先将滤后水阀调到100%，是水位过滤后下降到反冲洗水位；而第二种方式是在滤池进入反冲洗状态后直接打开排水阀，将滤池内的水直接排到反冲洗水位的要求，这种方式在快速反冲洗时应用）第三种方式: 根据过滤时间（过滤时间可在中央控制室修改）、滤池的液位和滤池的阻塞情况，PLC自动反冲洗。
滤池主站在滤池反冲洗期间监控3台鼓风机、3台冲洗泵、2台空压机开/停、故障信号以及滤池水位、阻塞值等参数。三台反冲洗鼓风机按设定顺序轮换工作（如P1—P2；P2—P3;P3—P1），互为备用。三台反冲洗水泵的轮换原则同鼓风机相同。
结语
总之，自来水厂是一项关系群众切身利益、社会发展的基础设施。将PLC应用于自来水厂对提高水厂水质监控的准确性、实时性以及提高水厂工人的生产效率和设备的耐用性有着积极意义。本文就PLC在自来水厂自动化系统中的应用进行了探讨，相信对PLC控制技术更好地应用在自来水厂中有一定的帮助。
参考文献：
[1]闫骏.浅析PLC在自来水厂自动化控制系统中的应用[J].科研, 2017(3):00006-00006.
[2]刘东善.浅谈PLC自动控制系统在城市自来水生产中的应用[J].建筑知识, 2016(10).
论文作者:饶礼龙
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/19
标签：滤池论文; 水厂论文; 自来水厂论文; 信号论文; 方式论文; 水位论文; 设定值论文; 《防护工程》2017年第15期论文;