浅析自动化系统在水厂中的应用

　　摘要：随着我国经济的发展及人民生活水平提高，各行各业的发展速度也有所加快，在再加上城市供水问题的日益严峻，自来水厂中的各种自动化设备与自动化流程不断引进并大力应用。本文将对自动化系统在水厂的应用进行分析与阐述。
　　关键词：自动化；水厂；应用
　　水厂的自动化控制系统中，在中控室中布置主控设备，对全厂所有的机电设备运行状况进行检测与分析，准确接收或发送监控信息，对水厂的主要机电设备实现操控。在自动化控制系统中，主要包括恒压供水、加药、滤池等生产过程中各种阐述的测量，以及实时监控设备状况，加强关键点的控制。提高自动化系统的应用效率，确保工作质量。
　　1、 恒压供水技术
　　在水厂中，恒压供水主要遵循如下思路：利用电机调速装置，加强对水泵组的调速控制和运行，同时自动调节水泵组运行的台数，以完成整个供水压力闭环的控制过程。当管网流量产生变化时，则实现稳定供水压力并节能目标。在该自动化系统中，可随意设定供水的压力值，通过PID对其反馈值和总管实际压力进行调速控制，以优化水泵机组的运行状况，如台数、速度等，进而调整供水压力。恒压供水技术中应用的调速设备多为变频调速器，且在系统控制器中采用单片机、单板机、控温器和可编程序控制器（PLC）。经过PLC控制的变频恒压供水系统当前在水厂的恒压供水控制中发挥重要作用，凭借其编程的简单化、灵活性强、可靠性高以及自动化水平高等特点，应用十分普遍。PLC除了实现基本的数字PID调节功能之外，还可实现对水泵组工作状况的监控功能，并不断优化系统控制，实现节能节电。
　　尤其在中小型水厂的封闭管网中，泵站的供水流量主要依据用户需求来决定，而泵站的供水压力则要注意满足管网压力的最不利点，假设其最不利点的压力损失为△H、流量Q之间主要关系表现如下：
　　△ H=KQ²
　　另外，将压力的最不利点所需压力最低点设为HST，那么水厂泵站出口的总管压力H的关系为：
　　H=HST＋△H=HST＋KQ²
　　这样，既可满足不同用户的需求，同时达到节能效果。
　　可见，设定的供水系统压力应根据系统流量的变化而合理调整，这种恒压供水的技术方式即变量恒压供水。通过这种技术方法，在供水时自动检测泵站出水的流量状况。以我国当前水厂的发展状况来看，普遍存在流动性不稳定、可靠性与精准性较差等问题。因此，以流量作为主要控制量，必然对系统中的控制性能与可靠性造成一定影响，所以这种方法的应用实践较少。但是一般可以准确把握流量的变化，所以大多情况下可采取“时钟控制器”的定时改变功能，对压力进行设定，以符合流量规律。经大量应用实践证明，这种“分时可变恒压”的供水方式，可以实现较好的控制效果。同时考虑到停电状态下的供水问题，还应额外保持高位水池，但是由于这种情况下的管网不属于全封闭状态，所以无法根据管网的流量变化而合理选择供水压力。
　　当前，水厂大多以经验为出发点，确定一个相对合理的供水压力调节方案。但是由于变频器设备的价格相对较高，所以在水厂改造恒压供水时，大多选择一台调速泵与多台恒速泵联合运行方式；如果管网的流量产生变化，则采用恒速泵的大调与调速泵细调相结合的方式，这样既可保持供水稳定，也可实现节能效果。
　　2、 加氯加药的自动化应用
　　在水厂中，加药的自动控制有多种形式，例如，有些水厂以原水流量的信号作为反馈，结合游动电流控制仪（SCD）的后反馈联合控制；这种方式既考虑到流量的变化，也考虑了反应结果。在理论上具有较强的可行性。但是在我国，应用SCD的成功案例较少，因此这种方法并不适用。另外，还有些水厂采取单一化控制原水流量的方法，并建立数学模型，再将经过试验的最佳药量投入其中，与药液的流量计共同形成一个闭环式PID全自动加药系统，这种方法可较好地应用在原水水量变化中，但是不适合水质变化的应用，因此这种方法更适用于水质浊度变化较小的水厂中。
　　一般水厂的加氯环节自动控制多是由加氯机自身的PID控制器完成，主要包括单环与复合环两种方式。单环主要指采取流量计或者余氯计进行控制，而复合环则是二者的综合利用。以理论为出发点，应采取滤后水流量计，但是以我国常规的工艺情况来看，滤后水流量难以符合要求，因此复合环的控制功能难以实现。随着我国PLC控制器的广泛应用，再加上价格的优化调整，一些水厂已经不再使用这种控制器方式，而是通过区域内的PLC工作站完成，只要控制系统的加氯机中备有自动调节设置，就可以在PLC控制器中实行PID控制，也可取得较好效果，同时有效节约成本，将成为未来全面应用的发展方向。
　　3、 滤池的控制
　　在水厂的滤池正常工作情况下，应该将滤池中的水位保持在恒定2m左右，以此提供一个稳定的环境。由于此时进水阀处于全开状态，瞬间进水量的波动较大，因此应通过对滤后水阀的控制来调节，保持滤池的水位状况。在考虑如何选择滤后水阀调节的方法方面，传统的控制形式与PLC控制有较大区别。过去，大多依靠工作人员的经验与目测来调节水位高低，再手动调节滤后水阀的开度，以确保水位平衡，但是这种方法由于受到一些因素的影响，无法满足当前精准度与自动化的需求。通过PLC控制系统的应用，可利用超声波的水位计对水位变化情况实时监控，及时传输模拟指标，采取专用PID回路的控制指令，计算出滤后水阀的开启度状况，然后控制滤后水阀，自动保持滤池水位的稳定性。
　　有关PID的回路控制方式，如果滤池工作了一定时间，那么就需要对滤池实行反冲洗工作，去掉滤料层中的杂质，具体步骤为：关闭进水阀、将滤后水阀全开，排空滤水池中的水量，当滤水池水量降到一定程度时，再打开排污阀与气洗阀，将滤后水阀关闭，启动鼓风机，鼓风机应保持6分钟左右，然后将气洗阀关闭，再将水洗阀打开，清洗滤池。保持系统工作6分钟，再开启进水阀。当滤池的水位符合设定值，将滤后水阀打开，利用PID算法调节滤后水阀的开启度。
　　4、 反冲洗控制
　　水厂中滤池的反冲洗控制主要分为两部分，即反冲洗启动、反冲洗过程。反冲洗启动又分为上位机下达命令和在满足反冲洗条件情况下的开启反冲洗。反冲洗则要满足以下两个条件：一是定时冲洗，二是根据水头的损失状况进行冲洗。这两个条件仅需满足其一，就会开启反冲洗程序。定式冲洗可以确定具体的时间，也就是当过滤达到一定时间后，自动开启反冲洗。当反冲洗工作完成后，又重新开始过滤工作，将计时器定为24小时，当达到预设时间后则再次进入反冲洗程序。水头损失的反冲洗则按照如下规则设计：在液位控制情况下，如果此时清水阀已经开度最大，那么就需要进行液位和水头损失液位相比较，如果超出标准，则查看液位是否有所上升，在上升状态下，则反冲洗程序启动。
　　滤池反冲洗的过程相对繁琐，涉及到诸多开启阀门、关停阀门，开启鼓风机、关停鼓风机以及开水泵、管水泵等过程。当进水阀关闭后，如果液位降低到适用标准，则关闭清水阀、打开气冲阀与排水阀，同时开启鼓风机，此时水冲阀也随之开启；当气冲工作结束后，关闭鼓风机和气冲阀，将第二台泵开启，进行水冲工作。
　　当该项工作完成后，将反冲洗阀、水冲阀及排水阀按次序关闭。当反冲洗工作完毕后，则进水阀开启并开始过滤。在编制自动化控制的梯形图过程中，须严格控制开阀门和关阀门的条件，避免由于错误命令，而造成阀门故障。一方面，在反冲洗过程中，如果清水阀发生故障，除了发出报警信号之外，在短时间内没能及时排除故障，就需要重新开启进水阀，此时液位持续下降；另一方面，当水冲阀或者鼓风机停止工作后，关闭水冲阀或者气冲阀可能出现故障。一旦发生故障，则允许进入过滤工作状态，但是不能对其他滤格实现反冲洗。在反冲洗过程中，只有一套水泵和鼓风机，由多个滤格共用，因此要在水泵和鼓风机的控制命令中体现出每个滤格的手动命令，避免产生鼓风机或者水泵的运行故障。
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