厂级净水系统的自动控制与监测系统设计

厂级净水系统的自动控制与监测系统设计

潘纪昕 王政

1天津泰达水业有限公司

2天津泰达津联自来水有限公司

摘要：一般日供水量 50 万立方米的净水厂，运行人员至少需要配置 40 名左右，通过实现上述自动化控制方案，一方面水厂的运行人数可减少至 15 个人，提高人员工作效率，减少现场操作人员，另一方面利用多参数复合加药控制，在保证出水水质的情况下，降低了千吨水的药耗，对送水泵机组的多种组合运行方式的自动切换控制，提高了泵的整体效率，降低了千吨水电耗。水厂自动化控制方案的投运，极大的降低了制水成本，从而提升了企业的盈利能力。

关键词：净水厂；多参数复合控制；半自动运行；全自动控制

引言

国内外净水处理工艺已日趋成熟，常规的净水处理工艺基本可以满足我国大部分地区的地表饮用水处理需求。各地净水工艺虽然大同小异，一般都采用混合 - 反应絮凝 - 沉淀 - 过滤 - 消毒的处理过程，但自动化控制程度良莠不齐。我国净水厂自动化控制系统起步较晚，现大部分水厂基本上都只在滤池恒水位调节、滤池反冲洗及送水恒压调节达到了自动运行的程度，而在净水药剂投加、消毒药剂投加、污泥脱水、进厂水流量调节等环节均需要人工凭借经验来完成。

1进水流量自动控制

净水厂采用三个并列安装的电动阀门来控制进厂水流量（一个电动蝶阀，两个调流阀），利用电动蝶阀进行流量粗调，两个调流阀用于微调。为实现进水流量自动调节，将进厂水流量与废水调节池回流量的和值作为流量测量值，分别与三个进水调节阀构成两个PID 流量控制回路，其中与电动蝶阀构成间断输出的 PID 粗调节控制回路（测量值与设定值偏差大于规定值时输出刷新，偏差小于规定值时保持原来开度），与两个进水调节阀构成分程调节回路，进水流量设定后，调节阀根据进水设定流量自动调节阀门开度。进水流量可由人工设定，也可根据出水流量修正后自动设定，调节阀根据进水设定流量自动调节阀门开度，阀门全开（大于 90%）五分钟后，若流量设定值与测量值偏差大于 500m3/h 时发出声光报警信号。

2自动配药控制

该水厂设计有 2 个溶解池，8 个溶液池，溶解池用于配置设定浓度的 PAC 药液，溶液池则用于储存配置好的药液。为达到自动配药的效果，水厂配备了一套上药设备，上药设备主要由进药仓、给药机及螺旋输送机组成，进药仓上安装有料位计，给药机可根据设定药剂质量精确给药。在设定好配药浓度及体积后，根据溶液的浓度公式，自动计算出所需药剂的质量及水的质量，一键自动完成配药工作（自动开启进水阀进水至需要水位后关闭进水阀门—自动开启给料机向溶解池内输送定量的药剂 -- 开启混合搅拌机—配料完成—按照已选定的投配池控制相应的切换阀及传输泵将配好的药剂打入池内）。

3自动加药控制

传统的药剂投加多采用比例投加方式，但比例投加属于开环的控制方式，当水量及水质变化时，不易及时根据实时的水量、水质情况调节投加量，从而导致水量或水质波动时，沉淀池出水浊度大。本次药剂投加采用前馈 +反馈的多参数复合控制方式，将进水处理间流量、浊度、pH、温度经比例修正后作为 PID的前馈输入（设置好投加率后便可根据配置的浓度自动计算出投加比例），沉淀池出水浊度作为 PID 调节的反馈输入（由于浊度反馈存在较大的滞后性，因此修正后的浊度需引入惯性环节），在根据前馈和反馈的复合控制输出自动调节 PAC 计量泵输出频率，从而控制药剂投加量，减少人工干预，完成药剂的自动投加工作。

为了避免常规增量式 PID 控制中，当外界扰动或系统误差较大，以及系统存在滞后时，容易引起控制系统较大超调量及长时间运行不稳定的问题，本次采用了积分分离的 PID算法。采用积分分离的 PID 控制的基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，消除积分作用，单纯采用比例 - 微分作用（PD）使被控参数向设定值靠近，以免此时的积分作用是系统超调量增大，稳定性下降；当被控参数接近给定值后，再引入积分作用，从而消除静差，提高控制精度。

4滤池恒水位及自动反冲洗控制

净水厂 V 型滤池大都采用恒水位过滤，因此保持滤池水位恒定是保证滤池滤后水水浊度的关键，要实现恒水位自动调节，需使滤池水位与出水调节阀构成 PID 水位控制回路，通过滤池测量水位与设定水位的差值，进行 PID 运算，自动控制出水调节阀开度，从而使水位恒定，达到控制过滤速度的目的。在滤池运行一段时间后，滤池截留的污染物聚集过多将会直接导致滤后水浊度增高，水头压力减小（损失增大），在此运行过程中，需定时进行反冲洗操作。大型净水厂由于 V 型滤池数量较多，若采用人工反冲洗工作量大，冲洗效率低。因此我们需要一套完整的自动反冲洗程序来解决这个问题。为满足不同工况下的需求，滤池反冲洗程序设置为手动、半自动、自动三种运行模式。

a 手动状态下，由操作人员通过上位机依次远程控制鼓风机、反洗水泵及其对应的出入口阀门进行人工反冲洗操作。b 半自动状态下，由操作人员通过上位机上每个滤池对应的自动反冲洗按钮按照，气洗（时间可设定）- 汽水混合洗（时间可设定）—水洗（时间可设定）的过程完成自动反冲洗操作。

c 自动状态下，通过每个滤池的过滤时间（上一个反冲洗结束后，开始过滤算起）以及水头损失超出设定值（上位机设定），进行排队后自动进行反冲洗操作（时间与水头损失以先到为准）。

5 自动排泥控制

根据不同的净水处理工艺，排泥控制也不尽相同。该水厂采用折板絮凝 + 平流斜管沉淀的 +V 型滤池的净水工艺，在絮凝池及沉淀池均有排泥阀。絮凝池排泥阀采用手动一键排泥和定时自动运行两种模式。在手动模式下，运行人员根据泥位计测量出的泥位计经验顺序开启排泥阀进行排泥操作。沉淀池排泥阀与泥位计联锁，当泥位超过设定值，按照一定的顺序依次间隔开启排泥阀排泥，待泥位下降至设定低限以下时，依次关闭排泥阀。刮泥小车采用定时自动运行模式，每次运行 1 小时。定时间隔可根据工艺情况通过上位机设定。刮泥机运行时若沉淀池出水浊度过高（高于联锁至），自动停止刮泥机。

6 清水池及吸水井液位联锁控制

清水池及吸水井的控制多为水位与设备的联锁控制。清水池液位与进水阀联锁，液位高于设定值，关闭进水阀并发出清水池满声光报警。吸水井液位与对应离心泵联锁，液位低于 4.15 米（可根据泵的汽蚀余量做调整），自动停止离心泵（禁止启动离心泵）并发出声光报警。

结语

综上，某净水厂设计日供水能力为 50 万立方米/ 天，水厂采用预处理—机械混合—折板反应絮凝—复合沉淀—过滤—消毒的常规地表水处理工艺。此项目自控系统采用分布式集散型计算机控制系统，由一个中央控制室，五个现场控制站（分控站），28 个滤池控制站，28套滤池阀岛箱和 4 套沉淀池阀岛箱站组成。整个自控系统采用施耐德公司的 M580 系列 PLC热备冗余构成和 M340 系列 PLC 构成；所有远程 IO 站由冗余以太环网连接；SCADA 系统采用 C/S 架构 ,

参考文献：

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