施耐德PremiumPLC在现代化水厂中的应用

        摘要：金沙湾水厂是浙江省金华市重点工程，占地面积120亩，日供水能力30万t，承担金华市区及周边乡镇的供水任务，是浙江省现代化水厂。水源取自沙畈、金兰水库，采用重力流取水，利用自然高差向城市管网供水。文章就通过施耐德的plc产品介绍它在水处理工艺中的应用。
　　
　　1、水厂工艺
　　
　　原水在加矾、加碱、加氯后经过管道混合器进入折板反应池，通过平流式沉淀池沉淀后进入V型滤池。滤池采用气水反冲洗工艺，滤后水经加氯后进入清水池，出厂水经补氯后，自流进入市区供水管网。水处理工艺流程图如图1所示。　　　　
　　2、水厂自动化生产网络结构
　　
　　金沙湾水厂的工业网络有3层，*层由全厂7个PLC主站（施耐~-PremiumTSX57系列）及管理、控制电脑构成100M光纤以太网，该网络防电磁干扰，输入输出光电隔离，能适应恶劣的工业环境；第二层由滤池公共站PLC与16个滤格PLC（施耐~TrsxMicro系列）组成FIPWAY主从网；第三层为Modbus网络：取水PLC站与配电智能表、吸泥行车与控制计算机通过Modbus无线网通信（施耐德TsxMicro系列）。水厂网络结构图如图2所示。　　　　
　　3、施耐德PLC的主要应用功能
　　
　　（1）PLC对工艺电气设备的各种生产数据，如电流、水位、压力、流量、浊度、余氯、温度等，完成实时采集和记录，并通过100M光纤以太网，实时传输给监控计算机。
　　
　　（2）PLC通过输入和输出信号，按照设计好的程序自动完成各种设备的开启或关闭控制。
　　
　　（3）PLC根据设备运行实况，分析和综合判断出各种电气设备是否会发生故障，并能进行预报警、故障报
　　
　　警及故障保护。
　　
　　（4）PLC对水质在线检测仪表数据进行实时采集，显示并进行分析和判断，做出各种预报警和故障报警。
　　
　　4、关键PLC站点及自动化程序设计
　　
　　工艺总图如图3所示。　　　　
　　设备运行大体分为手动控制和遥控控制2种方式，遥控控制即为中控电脑控制，又分为自动控制和中控控制。
　　
　　4.1取水泵房PLC站
　　
　　PLC控制2只重力流调流阀、4套水泵机组及其配套的电动进水阀门、电动出水阀门的运行、监测、故障保护。取水泵管中标高为103m，2根自流管中标高为110m，自流极限为115．30m，设计库水水位达到118m以上时，利用进水重力流取水，当库水水位低于118m时，采用取水泵动力取水。
　　
　　自动控制方式下实现重力流调流阀清水池恒水位控制，程序设计如下：在一个检测周期内（6—20min可调），当清水池水位小于清水池设定水位10cm且水位呈下降趋势，进水调流阀开度增大，调流阀调节幅度根据
　　
　　清水池水位与清水池设定水位之差、水位下降率、出厂水流量综合数学计算；同理，当清水池水位大于清水池设定水位10cm且水位呈上升趋势，进水调流阀开度减小；当清水池水位在清水池设定水位±10cm之间，调流阀不动作保持恒水位。
　　
　　自动控制方式下实现取水泵清水池水位控制（1台泵运行流量基本上等于出厂水zui小流量，2台泵运行流量大于出厂水zui大流量），程序设计如下：当清水池水位小于清水池设定水位80cm时，2台泵运行，当清水池水位大于清水池设定水位80cm时，1台泵运行。按启停次数智能化轮换选择运行（4台取水泵）。
　　
　　4.2加药问PLC站
　　
　　通过PLC完成矾（碱）池自动切换、自动配矾（碱）等功能，并采集原水流量、浊度、PH值、温度、反应池PH值等参数进行综合数学计算控制矾（碱）投加量。程序设计主要采用2种方式：利用PremiumPLC的PID运算功能与反应池现场PH仪表反馈值并结合流量进行分段（主要参数：比例、积分、周期）实现复合环控制（碱），使反应池pH稳定在设定值（可调）；根据原水流量，按照设定系数（可调）实现流量比例运算控制（矾，碱）。
　　
　　4.3反应池排泥系统
　　
　　一期、二期反应池排泥电动球阀各60只，分为4组，每组15只。
　　
　　PLC控制下的排泥流程：1、2号排泥阀排泥一3、4号排泥阀排泥一5、6号排泥阀排泥一7、8号排泥阀排泥一9、10号排泥阀排泥一11、12号排泥阀排泥一13、14号排泥阀排泥一15号排泥阀排泥一完成。程序设计主要采用PLC步进指令顺序控制。
　　
　　4.4加氯系统PLC
　　
　　加氯问PLC负责加氯设备的自动控制以及漏氯中和装置和风机的运转，并实现气源切换和漏氯报警以及过程的监测和自动控制。在这里加氯量控制程序设计采用PID运算功能并不适合，原因为：加氯机与投加点距离长，系大滞后控制系统（滤后水反应周期为5—9min，出厂水反应时间为13—18min），温度影响反应时间幅度大，且加氯机开度电机不宜长期频繁动作，如采用Premium的常规PID控制，参数很难调整，不仅稳定性差，而且加氯机开度电机动作频繁。现主要采用经验值结合流量比例控制，在每个判断周期内通过现场余氯反馈值综合计算控制加氯量，加氯机开度电机zui多也是单反应周期动作一次（余氯在设定值的±0．1×10-6之间不动作），控制速度快，稳定性好。
　　
　　4.5滤池公共站PLC
　　
　　滤池阀门全部采用气动阀，反应快，可长期频繁动作，故障率小。滤池程序的设计是极其关键的，对出厂水质的影响至关重要。滤池冲洗，通过主PLC与滤池PLC协调工作来完成，一般情况气水反冲洗控制包括2部分：
　　
　　（1）*部分为公共反冲洗设备控制，由公用PLC和滤池PLC子站配合实现设备的顺序启停控制，依每格滤池子PLC上送的“请求冲洗”申请的次序，组成一队列，并按次序启动各格滤池子PLC共同自动完成反冲洗过程。当有多个滤池同时发出“冲洗”请求时，公用PLC采用FIFO堆栈原则，即*先出原则进行排队冲洗（FIFO1处理人工请求，FIFO2处理自动请求，FIFO1优先于FIFO2）。
　　
　　（2）第二部分为气水反冲自动程序控制。当某个格滤池满足反冲洗条件时，即进入自动反冲洗程序：关闭进水闸板阀，待滤池水位下降到一定值时关闭清水出水阀，开排水阀，关排气阀，开气冲阀，起动2台鼓风机，进行气冲；约y分钟后停一台鼓风机，打开水冲洗阀，起动一台反冲洗泵，进行气水混合冲洗；约z分钟后停鼓风机，关气冲阀，开排气阀，起动第二台反冲洗泵，进行水冲洗；约Ⅳ分钟后停反冲洗泵，关闭水冲洗阀，关闭排水阀，开进水闸板阀开完成反冲洗过程。
　　
　　待滤池水位上升至一定值时开清水出水阀，滤池进入正常过滤阶段。整个冲洗过程主要采用PLC移位指令程序配合一定的数学计算来实现。
　　
　　滤池正常过滤为恒水控制；PLC采集滤格水位，并与设定的控制水位相比较，得出差值进行相应的PID运算后去控制清水蝶阀的开度，来调节滤格的出水量，使得滤池水位保持在设定值。设定水位为1．1Om，上下偏差为0．05m，滤池在启动时，恒水水位控制软件自动投入运行。
　　
　　4.6沉淀池行车排泥系统
　　
　　行车行进速度大约为每分钟lm，沉淀池长约105m，全程排泥累计时问约105min。
　　
　　吸泥行车自动控制PLC程序设计流程（采用Modbus无线网通信）：
　　
　　A一等待排泥时间一*阶段前程排泥（排泥时间为设定时间X1）一前排时间到一空车返回一后退到位一停留等待一等待时间到一第二阶段前程排泥（排泥时间为设定时间×2）一前排时间到一空车返回一后退到位一停留等待一等待时间到一全程排泥一前进到位一空车返回一后退到位一A。
　　
　　程序同滤格反冲洗一样，主要采用PLC移位指令程序，如图4所示。　　　　
　　5、人机界面
　　
　　计算机监控软件使用美国W0ndeware公司的Intouch软件作为开发平台，显示全厂和各工艺单元流程图，通：t~MBENET访问以太网PLC，通信速度及人机界面刷新反应快，主要实现下列功能：
　　
　　（1）动态数据显示：动态显示各种模拟信号、开关信号、各类累计量信号数值和范围清单。
　　
　　（2）趋势曲线：显示各主要工艺参数变化曲线，各种模拟量的历史曲线、即时曲线图。
　　
　　（3）报表打印：即时报表、日报表、月报表、年报表。
　　
　　（4）控制调节功能：在动态流程图和参数设置上能进行各种被控工艺参数设定值的调整及运行设备的控制。
　　
　　（5）报警功能：故障发生时中控室及相应PLC发出声响报警，控制软件跳出故障报警，显示故障现象。
　　
　　（6）数据库管理功能：为提高数据的安全可靠性，采用了微软公司的SQLserver2005数据库，根据生产需求和数据类型分别建立了模拟量数据表，累积量数据表，配电数据表等，并进行相关代码的编写，增加了自动备份功能，提高了生产数据的安全性。
　　
　　6、自控工程系统特点
　　
　　（1）技术*。现代化的水厂要求与时俱进，自动化控制系统无论是从使用的现场总线、通信网络、PLC、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有*水平。
　　
　　（2）稳定可靠。选用的自动化产品绝大部分来自国外品牌，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定可靠地运行。
　　
　　（3）自动化程度高，使用简单。对于全厂的控制中心——中控室上位机界面，采用全中文的设计界面，下位机采用Premium系列PLC作为主要的控制器，该系列PLC是施耐德公司近年主推的中档PLC产品。
　　
　　（4）安全性。自动化控制采用全面的设备保护体系，包括潜水泵的保护、自控平台的信号及电源防雷保护、出水水质异常保护、各类报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。
　　
　　（5）扩展性和兼容性。本系统具有很强的兼容性，为了保证在今后的扩建和改造时满足控制要求，在设计时充分考虑了系统的扩展能力，在满足现有功能要求的基础上，为今后系统的扩展和互连提供了充足的接口。
　　
　　7、总结
　　
　　施耐德电气PremiumPLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，现场安装方便，程序编写智能简便，系统投运后自动化智能化程度高，工作人员维护量小。