水厂自动化运行系统设计

            水厂自动化运行系统设计

张成辉

广西柳州市三江侗族自治县农投供水有限公司 545000  

摘要 供水是国计民生发展的基础性行业，其运行效率性、发展稳定性都会直接影响到整个社会的生产发展活动。水厂自动化运行系统设计保证科学合理性就非常有必要，通过将PLC系统应用于自动化运行系统中，可以有效的改善整个系统运行的效率，改变了传统模式，提高了运行效率。本文进行了分析研究，结合使用文献研究法，从而全面阐述了水厂自动化运行系统设计的过程。

关键词：水厂；自动化运行系统；滤池自动化控制系统

一、相关概述

（一）水厂自动化运行系统设计重要性

水资源与人们的生活息息相关，是推动国民生活基础的重要命脉。然而随着工业化社会的发展，人们赖以生存发展的水资源已经收到了严重的污染，如果想要直接利用水资源，就需要进行必要的处理。水厂自动化运行系统，转变了以往手动、半自动运行模式，过渡到现在的自动化运行系统，这种运行系统具有数据采集与监控功能，提升了水厂自动化运行系统效率。

通过水厂生产运行的分布式自动控制模式，实现了实时监测系统设计。这样有助于将全厂生产运行工作流程置于严格的监控管理之下，形成了集中监控系统，有效的设定了水质处理过程中絮凝剂投加量与原水浊度问题，从而形成了一个复合环控制系统,结合出水浊度实际情况，使用调整参数，保证了絮凝沉淀车间运行控制，从而促进了滤池、反冲洗车间、加氯加药车间以及整个工艺生产的协调运行发展，有效的提升了净水处理的质量。

（二）水厂自动化运行系统设计发展现状

水厂最初使用的控制系统主要是利用常规仪表进行检测，到加药、加氯实现的拒不自动控制，在到发展至今的使用PLC（即可编程序控制器）的使用，水厂自动化控制系统才可以说是真正建立起来，PLC这种模式工作效率高、稳定性好且使用的编程方法非常简洁，在通讯联网时，功能强大。水厂自动化运行系统中，以PLC作为主控设备，建立控制系统的主要模式如下：在中控室上位监控计算机与PLC联网共同构成中水厂运行监控系统，每个分站会依据自身功能进行必要的划分，通过占中监控计算机对系统功能做出监控。然而当下PLC网络通讯能力逐步提高，系统可靠性也随之得到改善，分站中控制区域主要从原有的功能划分改编成以距离划分，这样就能够在中控室中，对水厂运行情况进行监督。

二、生产工艺和控制要求

（一）水厂采用的工艺流程

水产在生产发展过程中主要工艺流程如下：

取水，将附近河水抽入到净水厂中。第二，制备药剂并投加，此时需要根据工艺要求，制备生产需求的混凝剂，在制作时，需要在其中加入适量氯气，这样有助于实现混凝消毒作用。第三，混凝形式包括混合和絮凝，在水中加入混凝剂发生反应之后，就会沉淀出污泥。第四，平流沉淀，在加入混凝剂之后，水厂中水会以较低的速度流过沉淀池，这样才能提高污泥沉淀效率。第五，过滤，利用颗粒介质可以除去沉淀水中杂质，对石英砂进行反复冲洗。第六，送水，经过离心泵形成一定的压力以及流量，就会将水输入到供水管中，完成水厂整个运行功能[2]。

（二）水厂的控制要求

水厂自动化控制系统在运行过程中，应该结合水厂特征制定相应的控制要求，如果超出控制范围，就应该对控制系统做出必要的调整。具体要求如下:在保证水质质量的同时，应该将药耗、氯耗以及电耗都控制在最低水平。水在出厂之后，其浊度应该低于1NTU，同时还应该保证有0.5mg/l左右的余氯。在滤池系统运行过程中，应该选择恒水位进行运行，水位巡演存在一定误差，但是应该保持在2.5cm范围捏，结合水头损失情况，对整个系统运行周期做好反冲洗。在一个时间段内需要能进行一个反冲洗活动。在水厂自动化运行系统控制时，需要根据不同的要求开展运行工作，这样才能够促进整个系统的稳定运行发展。

三、自动化控制系统设计

（一）滤池自动化控制系统

滤池是自来水厂处理工序中最为重要的环节，其运行水平直接决定了水厂生产质量。滤池最大的特征就是运行成本参数相对较多，阀门位置相对分散，所处的环境有十分恶劣。过去在设计滤池时，一般会使用常规继电器控制，控制线路相对繁琐，维护起来非常困难，出现的故障率相对较高。针对于这种问题，就可以通过自动控制系统进行解决

1.滤池结构及自控条件

水厂滤池结构大多为长方形，面积根据水厂生产需求设定。在滤池两边边缘会架设轨道，在轨道之上，安装大车向东西方向进行移动，同时还要在大车之中安置小车，其移动方向主要为南北方向。此外还应该在小车内设置吸污罩和吸污泵，从而完成滤池吸污工作。

吸泥机在工作中主要有三种自动控制方式：第一种为上位机手动吸泥。这种形式主要就是利用上位机控制软件界面，操作人员根据工作情况，实施相应的启动命令，PLC系统接收到命令之后，就会执行吸泥工作。第二种就是定时吸泥形式，此时需要设定一个时间周期，达到相应的时间点，PLC就可以开启自动吸泥工作。第三种控制方式就是泥位吸泥，在沉淀池中，都会设置泥位计，掌握沉淀池中淤泥累积厚度，如果淤泥累计厚度超过之前设定值的话，PLC就会开启自动吸泥工作。

2.滤池自动化控制系统设计方案

依据滤池自控控制系统要求，在电气控制图中设置了手动与自动运行两种形式，其中手动运行一般是当滤池出现故障之后，为了保证滤池能够正常运作，工作人员在上位机界面中通过使用手动进行操作，从而保证设备的正常运行。在切换到“自动”状态时，只需要按上位机画面中“自动”按钮，即转变成自动运行状态。如果自动化控制系统出现紧急状况之后，应该及时按下紧急开关，系统就会迅速切断同时被锁停，这样就能够保证整个系统的稳定运行与发展。系统中设置了熔断器，如果出现短路之后，会进行必要的保护，在设计系统时，大车正行或者是反行时，小车都不能与吸污泵之间同时运行。而在小车运行过程中，无论为正行亦或是反省，大车和吸污泵同样不能进行运动。当吸污泵进行运动时，大车以及小车都不允许同时发声动作，这种设计形式保证了整个系统的稳定运行。

（二）恒压供水系统

恒压供水系统主要是由PLC、变频器、压力传感器、TC时间控制器、PID调节器、动力控制线路、液位传感器和水泵构成。工作人员在操作过程中，主要是利用控制柜面板上各种指示灯、按钮以及各种转换开关对整个系统作出必要的控制和调节。通常会在出水管网上安装压力传感器，此时出口压力型号就会成为4-20mA，以标准信号形式传输至PI调节器中，通过运算之后，对给定压力参数做出比较，并得到相应的调节参数，将该参数运行如下图3.1所示。

图3.1恒压供水系统原理图

在恒压供水系统中，还配备了时间控制器以及PID控制器，主要的功能就是在具体的时间内实施环泵运行功能以及双工作压力设定功能。为了保证整个系统的稳定运行发展，还需要对系统进行各种保护，避免供水系统中硬件以及软件初选功能问题。这样就有效的保护了整个系统的稳定供水。在使用过程中，还需要对水泵运行情况做出定期检查工作，在检查时要按照一定的顺序进行检查，从而避免遗漏。在恒压工会随系统在运行中发生故障，系统就会对故障做出必要的处理，即发出故障报警，如系统中发生变频器故障、液位下限、超压以及差压等问题，系统都会对此作出反应并发出报警信号，这样维修工作人员就能够及时接收到信息，进行维修。此外当水泵运行一段时间之后，还应该及时做出检修工作，为了保证不影响系统的正常运行，可以采用轮休形式检修水泵，主要方式就是在系统中，设置软件备用功能，定时切换，这样在检修水泵时，就不会影响整个系统稳定运行。

（三）对沉淀池虹吸泥机控制

虹吸式吸泥机主要的功能就是用语污水处理厂、自来水厂平流沉淀处理。在应用虹吸式吸泥机时，可以保证将沉淀在池底的污泥，有效的刮到泵吸泥口处，家住虹吸式吸泥机有效的将泥沙吸走，最后把污泥排出到水池之外，这样就可以有效的解决污泥的困扰。将虹吸式吸泥机应用于水厂自动化运行系统中，能够提高水厂自动化控制效率。具体的方法如下：最常规的控制形式就是把虹吸式吸泥机工作时状态和运行过程中发生故障产生的各种信号，使用点对点形式，传输至PLC中，而PLC对于接收到的信号，主要是利用硬接点形式。通过这种形式保证了一台吸泥机就可以拥有很多个DI/DO点，在众多结点保证之下，吸泥机就可以始终在沉淀池附近进行移动，处理效果得以保证。需要指出的是在这种工作模式之下，还需要大卷的移动电缆作为保证，也可以使用多级滑导。然而这些设备如果长期处于室外环境中，就很有可能会造成信号传输处于波动状态，长时间下去就会造成一定的误差[6]。

针对于这种问题，水厂在设计自动化运行系统时，就应该充分考虑这个问题，主要解决的方法是在每座沉淀池上，都要设定两台吸泥机，这样如果水厂有两座沉淀池，那么总共有四台吸泥机，同时在吸泥机上设置小型PLC一台，这样PLC就能够充分控制吸泥机。同时通过加药分站内主控PLC，能够得到吸泥机在运行过程中状态以及出现的故障信息，这就保证了吸泥机运行状况就不会应为出现错误信号而发生一定的干扰。这样当机器出现故障之后，就可以及时找人进行修理。

（四）对药剂的制备与投加的控制

1.自动加药控制

药剂制备与投加控制水平直接关乎着水厂水质，在系统设计中，为了进一步控制水厂自动化对水质以及运行成本控制，对加药系统进行设计就尤为重要。在设计自动加药控制系统时，要充分保证出厂水质条件，同时在自动化控制系统作用之下，降低药耗有效的将成本控制在合理的范围内。为了实现这样的目标，就需要水厂依据自身运行条件，设计适合自身发展的加药控制参数，借助流量比例分析，保证加入适当药品，从而实现保证水质的同时，还能够降低药耗。

2.自动加氯控制

水厂自动化控制系统中，经常使用液氯杀菌消毒手段，在工艺设计过程中，一般是在过滤之前在水体中加入氯（原水），并在滤后加入氯（滤池出水），在这两个环节中 加入氯点，可以提高水质过滤的效果。控制系统运行过程中，应该设计完善的加氯量控制方法，从而保证系统运行稳定性，具体如下：

滤后加氯主要是采用流量比例形式，结合系统处理标准，加入适当的氯。此外还可以使用余氯反馈“复合环路”形式，进一步控制加氯水平。滤后加氯是自来水厂自动化控制系统，实现水消毒处理最为重要的环节之一。需要注意的是在水中加入适量的氯之后，还需要对时间进行必要的控制，通常在清水池中，一般需要半个小时左右的充分接触之后，才能够达到高效杀菌的作用，这种形式也是典型的滞后控制，并不能完全保证杀菌的效果。所以为了解决滞后问题，提高控制系统水平，应该把滤后加氯检测取样点移至清水池前，距离加氯点10到12D那么远（D为管径长度）。

四、PLC介绍与说明

（一）PLC一般结构

PLC即可编程控制器，简称PLC，其主要功能就是可以替代继电器，并开展逻辑控制，当下在科学技术手段发展之下，该装置功能早已经超出了正常逻辑控制的范围。在使用可编程控制器对水厂自动化运行系统实施控制活动时，主要是利用算法进行输入输出，对各种信息进行控制，在物理介质作用下实现每种算法功能。在物理实现过程中，应该注意要将可能会产生干扰的信号进行必要的排出，确保输出可以放大到工业控制水平，这样就可以对控制整个系统，使其操作起来更加便捷。在对I/O系统电路进行专门设计时，主要使用典型的计算机结构，包括CPU、RAM、ROM以及输入输出接口电路。

（二）PLC工作原理

PLC在工作中与计算机工作模式有着很大的不同，PLC在工作过程中，主要是在一个循环往复的顺序之下开展扫描工作，每一次扫描所花费的时间称之为扫描周期。系统中CPU从第一条指令开始时，会依据顺序实施用户程序，直至用户程序结束之后，又重新返回到最初的指令进行重新扫描工作，这就是整个工作模式以及流程。PLC在工作时整个过程可以划分为三个阶段，依次为输入采样、程序执行以及输出刷新阶段。在第一个阶段中，PLC会依次不落的扫描系统中所有端子，同时会将美中输入状态存入内存之中，输入映象寄存器随之就会被刷新。进入到程序执行阶段之后，系统会结合PLC扫描原则，先左后右、先上后下对每个语句都开展扫描工作，借助程序进行必要的计算，得出的结果就会存入到元件映像寄存器中。最后在输出刷新阶段，当完成所有执行指令之后，使用相应的输出方式，从而驱动外部荷载目的。PLC编程简洁、高效，切实用起来非常轻便，因此被应用于水厂自动化运行系统中。

（三）可编程序控制特征

在水厂自动化运行系统中，可编程序控制器还呈现出以下的特征，整个系统的运行需要依据特征进行运行，具体如下：

第一，想要充分发挥PLC功能，需要保证各种硬件配套完备，这样水厂在使用过程中才会更加方便。一般情况下PLC各种硬件装置非常齐全，保证用户在使用时充分选用，这样就不用用户自身对实际使用情况做出设计。本身在安装接线时，也会非常便捷，利用接线端子就能够在外部进行接线。第二，编程时，需要使用相应的编程方法，PLC编程相对简单，主要是使用梯形图语言，这种语言电路符号与表达方式，与继电器电路原理图非常相似，在PLC中只需要使用逻辑控制指令，就能够发挥继电器功能。第三，自身适用性较好，PLC本身具有系列化以及模块化，硬件配置非常灵活，可形成适应性较好的控制系统。在硬件配置确定之后，用户在全县范围内，能够对原有程序进行必要的修改，从而更加适应工艺条件的变化。第四，在对水厂自动化运行系统进行设计时，PLC利用软件功能就能够避免使用中间继电器功能，这样在设计控制柜时，只能装以及界限工作量就会会减少。第五，PLC呈现出高可靠性以及良好的抗干扰能力，主要是因为PLC以软件形式替代了原有系统中使用的各种继电器系统，减少了接线以及触电发生的可能性。水厂自动化运行系统在PLC控制下，各种功能得以正常运行，系统运行效率有显著改善。

五、结论

综上所述，本文对水厂自动化生产工艺和控制要求、动化控制系统设计、PLC介绍与说明等内容进行了论述，可以看出当下在计算机技术以及工业生产工艺的进步，结合使用PLC，水厂自动化控制系统的整体功能已经得到了明显的改善，为推动水厂生产发展奠定了技术条件。

参考文献

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[2]雷玉祥.自来水厂自动化控制系统设计与应用[J].今日自动化,2019(6):2.

[3]焦琨.探究自来水厂生产过程自动化系统的设计与实现[J].科技创新与应用,2017(10):189.

[4]宋庆堃.水厂自动化供水系统的优化设计[J].电脑迷,2017(02):86-87.

[5]孙智敏.水厂自动配矾和矾剂切换系统的设计与实现[J].净水技术,2019,38(A01):4.

[6]法丽扎.厂级净水系统的自动控制与监测系统设计[D].大连理工大学,2020.