PLC技术在水厂自动控制系统中的应用研究

PLC技术在水厂自动控制系统中的应用研究

麦锦荣

中山市小榄水务有限公司

摘要:随着我国城市化进程的不断加快，城镇居民的生活、生产都离不开自来水的供应。自来水作为城市化进程中的重要组成部分，如何采取科学合理的自动化供给模式，是每位工作人员关注的主要问题之一。本文根据工程案例，对PLC技术在水厂自动控制系统中的应用进行研究，供借鉴参考。

关键词:PLC自来水厂；自动化控制；数据采集；数据处理

前言

随着PLC技术及自动化设备技术的进步，PLC控制代替了传统的继电器控制，有效实现各种复杂的顺序及逻辑控制，在自来水厂中得到广泛应用。PLC技术的控制，其程序具有较强的抗干扰能力、程序编制简单及可靠性高等特征，当前的物联网技术的发展，对PLC自动控制提供了有力的支持。

一、水厂自动控制系统

（一）水厂生产工艺

水厂在制水过程中，由于各个水厂的实际情况略有不同，受到供水量及水质等因素影响，存在一定的差异性。但整体上其生产工艺流程是相同的，生产工艺包括了取水、加药、沉淀、过滤、加氯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

第一，将原水进行加压送进取水管网，再加入药剂，实现初步消毒及混凝；第二，采取化学沉淀处理，将原水重金属离子、胶体颗粒、部分有机物等进行沉淀处理；第三，完成沉淀处理后，清水送入滤池进行下一步处理。污泥水通过增加泵送入污泥处理车间，进行进一步净化和无害化处理后排放。这个过程可以去除水中大部分悬浮物，对后续保证水质质量有着非常重要的意义。清水在滤池中进一步过滤，通过表面过滤、深层过滤的清水送入清水池，加氯消毒后加压送入管网。滤池要定期进行反冲洗，反冲洗废水同样需要进行无害化处理后排放。

（二）水厂控制系统组成

水厂的自动化控制系统主要包括以下几部分（见图2），共有5个PLC工作站，其系统采用DCS控制系统，包括原水提升增压模块、沉淀模块、加药加氯模块、沉淀模块和送水模块。为了方便控制和维护，为每个沉淀池配置了单独的PLC控制台。整个系统采用总线与中控室通讯。同时，为了方便现场控制，在每个工作模块配置了触摸屏，方便巡检人员根据实际情况进行操作。

图2水厂控制系统示意图

通过集控中心配置两台设备，方便监控及管理。通过PLC技术应用，实现各个模块的实时监控，根据实际情况对各个模块的有效调节控制，可视化操作人机界面良好，实时显示各个设备的工作状态，及时记录历史数据，并实现实时/历史报警功能，对水厂各部分的正常运行提供保障。

（三）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。

其次，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。

二、水厂供水系统PLC控制系统设计

供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，同时保证恒定的流量和扬程。既要保证用户用水的水压，又要保证水压稳定在管网额定压力以下的稳定数值，防止管网由于压力过大出现爆裂。因此，选取水厂供水系统进行PLC控制系统的设计，为水厂自动化生产系统PLC设计和优化提供参考和借鉴。

（一）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既：设备层、控制层和监管层，如图3所示。其中，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；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3供水控制系统结构图

（二）控制系统硬件设计

根据城市管网的用水特点，一般供水系统采用恒压变量的供水系统。该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。

（三）控制系统软件设计

根据设计，供水系统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，首先PLC将传感器反馈的信号进行比较，通过PID控制运算，将结果输送到变频器。通过变频器控制水泵转速的增加和减小，实现管网流量的调节。同时，为了便于检修和维护，系统要定期按照要求进行倒泵。整个过程控制流程图，如图4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4供水系统控制流程图

三、结束语

随着时代的进步和城镇化建设的深入，对自来水厂的自动化控制也提出了更高要求。自来水供应要求实现连续性和不间断性。PLC技术作为过程工业应用最为广泛的自动化控制技术，其在自来水厂中的应用，对于提高自来水供水品质和供水的自动化、无人值守化程度提供了重要保障。为了保证系统的稳定运行，需要对控制系统的各个环节，包括泵房、滤池、加药等各个环节的自动化控制做好设计和选型，进而实现全厂运行自动化，充分发挥PLC的性能，为供水的安全、连续、稳定提供保障。