摘要:目前,
自動(dòng)化控制系統(tǒng)在全國各水廠應(yīng)用較為廣泛,本篇主要描述了分布式控制系統(tǒng)(
DCS)在水廠濾池的應(yīng)用,并通過對(duì)控制系統(tǒng)的深入改造,使水廠濾池運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠,達(dá)到濾池全自動(dòng)控制的要求。
1、工藝概況
玉清水廠是濟(jì)南供水集團(tuán)新建的一座現(xiàn)代化地表水廠,由上海市政設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),日供水能力40萬噸,于2001年7月投產(chǎn)運(yùn)行,目前擔(dān)負(fù)著濟(jì)南市1/3的供水任務(wù)。水廠的原水取自玉清湖水庫,水廠采用混凝、沉淀、過濾、消毒等常規(guī)工藝處理。水廠的配電、自控、儀表、機(jī)組、閥門等均采用進(jìn)口設(shè)備,工作性能穩(wěn)定,可靠性較高。
水廠工藝流程如下:
原水通過渾水配水井后進(jìn)入4座平流沉淀池,經(jīng)136分鐘的絮凝、沉淀后,進(jìn)入2組(每組包括10格)V型濾池進(jìn)行過濾,濾后水經(jīng)加氯消毒后,進(jìn)入清水池,之后經(jīng)輸水泵房進(jìn)入市區(qū)管網(wǎng)。水廠濾池采用V型均質(zhì)濾料濾池,濾料厚度1.2米,采用恒水位等速過濾,運(yùn)行水位1.3米,設(shè)計(jì)控制調(diào)節(jié)幅度0.05米。過濾周期為48小時(shí)。反沖洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩臺(tái)75千瓦反沖水泵和兩臺(tái)132千瓦鼓風(fēng)機(jī),反沖時(shí)*行氣沖3-4分鐘,氣沖強(qiáng)度為15升/秒•平方米,再經(jīng)過氣水混沖,約10-15分鐘,zui后單水沖3-4分鐘,強(qiáng)度為4.2升/秒•平方米,同時(shí)加入渾水表面掃洗,強(qiáng)度為2.2升/秒•平方米。濾池閥門均采用氣動(dòng)閥門,反沖洗系統(tǒng)采用電動(dòng)閥門,動(dòng)作可靠,調(diào)節(jié)方便,使用效果較好。
2、濾池控制系統(tǒng)介紹
為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠濾池的自動(dòng)控制,設(shè)計(jì)中采用了ABB的DCS控制系統(tǒng),并由ABB公司專業(yè)人員設(shè)計(jì)施工。濾池控制系統(tǒng)上位圖形軟件采用澳大利亞CIT公司的Citect系統(tǒng)。該系統(tǒng)是專業(yè)軟件,能夠提供更加方便的人機(jī)界面。在濾池控制系統(tǒng)中,采用2臺(tái)微機(jī)分別控制2組濾池,兩臺(tái)微機(jī)可相互調(diào)用、修改各類控制參數(shù)。水廠各控制子站通過以太網(wǎng)互相通訊,在中心控制室配置兩臺(tái)服務(wù)器,調(diào)度人員可通過服務(wù)器對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控。操作人員對(duì)各工序設(shè)備可根據(jù)生產(chǎn)需要選擇控制方式和修改控制參數(shù)。
每格濾池均配置一臺(tái)單獨(dú)的控制器和通訊模塊,每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)配相應(yīng)的控制模塊,并支持熱插拔。如果某一模塊損壞,可直接進(jìn)行更換,并不影響其它濾格的運(yùn)行,使得其維護(hù)更為簡便。此類型控制模塊能夠以50毫秒的周期及時(shí)掃描數(shù)據(jù),控制器單獨(dú)運(yùn)算,保證了控制系統(tǒng)的及時(shí)性要求。水位控制采用PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。因?yàn)闉V池水位控制中,水位的變化較為滯后,普通控制方式會(huì)使清水閥門動(dòng)作變化較大,使單格濾池濾后水量變化頻繁,從而影響濾后水水質(zhì),因此采用PID控制方式較好地解決了這類問題。工程人員可靈活調(diào)節(jié)PID的參數(shù),以適應(yīng)清水閥門長期使用后閥門控制器參數(shù)的變化,從而保證了濾池恒水位等速過濾的要求。濾池運(yùn)行中可人工選擇手動(dòng)控制或由控制器進(jìn)行自動(dòng)控制,并可對(duì)過濾時(shí)間進(jìn)行累計(jì),運(yùn)行周期和水頭損失由微機(jī)顯示,反沖過程參數(shù)可由操作人員進(jìn)行修改。
濾池自動(dòng)反沖過程是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),玉清水廠的濾池反沖系統(tǒng)控制配置有6臺(tái)控制器,分別控制反沖系統(tǒng)的12臺(tái)閥門、2臺(tái)水泵和2臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)。各濾池的控制器通過MODBUS總線與反沖洗控制器通信鏈接。各濾池根據(jù)其設(shè)定的過濾周期和水頭損失等參數(shù)向反沖系統(tǒng)發(fā)出反沖申請(qǐng),由反沖系統(tǒng)對(duì)各濾池的申請(qǐng)進(jìn)行排隊(duì),以判斷其反沖順序,并判斷反沖系統(tǒng)是否完好,污泥池水位是否允許反沖等條件,然后發(fā)出相應(yīng)的反沖指令。濾池接到反沖指令后進(jìn)入自動(dòng)反沖狀態(tài)。首先關(guān)閉進(jìn)水閥門,之后加強(qiáng)過濾使水位降低到排水位置,打開排水閥門后開啟氣沖閥門,然后開啟一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī),按照設(shè)定時(shí)間進(jìn)行氣沖,同時(shí)微機(jī)顯示本格濾池的狀態(tài)和反沖時(shí)間。3-4分鐘后,開啟一臺(tái)反沖水泵,進(jìn)入氣水混沖狀態(tài)。10-15分鐘后,停鼓風(fēng)機(jī),之后關(guān)閉濾池氣沖閥門,并開啟進(jìn)水閥門,濾池進(jìn)入單水沖和渾水清掃狀態(tài)。3-4分鐘后,濾池關(guān)閉水沖閥門,之后停反沖水泵,并開啟排氣閥門進(jìn)行排氣,1分鐘后濾池關(guān)閉排水閥門和排氣閥門,開始下一過濾周期。
本廠濾池程序控制步序原理如下:
3、遇到的問題
在整個(gè)反沖過程中,反沖系統(tǒng)都將連續(xù)反復(fù)掃描整個(gè)反沖系統(tǒng)設(shè)備和濾池各閥門狀態(tài)。由于水廠配備的鼓風(fēng)機(jī)不允許閉閥運(yùn)行,如果反沖洗過程中氣沖閥門出現(xiàn)任何故障都將導(dǎo)致設(shè)備問題,甚至損壞,因此該軟件設(shè)計(jì)中包括部分保護(hù)功能。反沖洗過程當(dāng)中每一步首先判斷各閥門狀態(tài),出現(xiàn)任何設(shè)備或信號(hào)故障,反沖系統(tǒng)將首先停止運(yùn)行,以防止出現(xiàn)更大的系統(tǒng)故障。同時(shí),反沖中的濾池將根據(jù)故障現(xiàn)象分別進(jìn)入停止或運(yùn)行狀態(tài),微機(jī)將顯示故障設(shè)備,通知操作人員進(jìn)行人工處理。但是,當(dāng)反沖洗開始以后,如果閥門出現(xiàn)故障或現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)突發(fā)故障,則本程序無法及時(shí)處理,這將導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備問題,水廠曾多次發(fā)生過鼓風(fēng)機(jī)氣罐爆裂等現(xiàn)象。
原先濾池水位調(diào)節(jié)采用人工調(diào)節(jié)方式,水位變化幅度較大。人工調(diào)節(jié)屬非連續(xù)性調(diào)節(jié),濾后水流量變化較大,直接造成濾后水濁度在0.4-1.0NTU之間變化,從而影響了水廠的水質(zhì)。同時(shí),因?yàn)闉V池清水閥控制器長期使用后,其參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,給人工調(diào)節(jié)造成困難。
4、解決方法及效果
針對(duì)反沖中出現(xiàn)意外設(shè)備故障問題,經(jīng)過我們多次論證和研究,決定修改濾池的DCS控制系統(tǒng)軟件。在每格濾池反沖洗過程當(dāng)中,每一步都增加了對(duì)濾池閥門的狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè),反復(fù)掃描其狀態(tài)是否符合要求,當(dāng)反沖中的濾池閥門發(fā)生意外故障或控制臺(tái)發(fā)生故障時(shí),由控制器首先向反沖洗系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào),反沖洗系統(tǒng)控制器則首先停止反沖過程,將所開機(jī)組停止運(yùn)行,濾池控制器則發(fā)出故障指示,并將本格濾池退出運(yùn)行,交由人工處理。程序經(jīng)過修改后,使濾池運(yùn)行的安全性得到大幅度提高。自動(dòng)反沖系統(tǒng)投入運(yùn)行的當(dāng)月,發(fā)生一次因?yàn)V池照明線路意外故障造成濾池操作臺(tái)突然停電,此時(shí)反沖洗正在進(jìn)行。在以往,需人工停止反沖系統(tǒng),往往因不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題而造成設(shè)備損壞。這次由于控制器首先發(fā)出了故障指令,自動(dòng)停止了反沖過程。經(jīng)檢查,設(shè)備沒有造成任何損壞,故障修復(fù)后濾池立即投入運(yùn)行,保證了水廠生產(chǎn)的安全性。
針對(duì)水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的方式,水廠采用了可靈活調(diào)節(jié)參數(shù)的PID控制方式,如果清水閥門控制器參數(shù)發(fā)生變化,只需在微機(jī)中由工程人員反復(fù)修訂控制參數(shù),zui終使其自動(dòng)修正閥門參數(shù)的變化,從而保證了濾池恒水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。經(jīng)優(yōu)化后使用,現(xiàn)在水廠濾池*達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行中水位的變化小于0.02米,出水濁度小于0.3NTU,*符合生產(chǎn)要求,部分性能優(yōu)于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
5、結(jié)束語
隨著供水事業(yè)的快速發(fā)展,自控技術(shù)在水廠中的應(yīng)用越來越廣泛。DCS系統(tǒng)雖然能夠滿足水廠的自控要求,但是每個(gè)水廠都應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況,制定出符合生產(chǎn)需求的控制方案。自動(dòng)化的應(yīng)用不但能大大降低水廠職工的勞動(dòng)強(qiáng)度,保證出水水質(zhì),同時(shí)也能提高水廠運(yùn)行的安全性,避免意外故障對(duì)設(shè)備造成損壞。