潘治宇自来水厂水处理监控系统的设计与实现Word文档格式.docx
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目前，茂名市河东自来水厂己投入运行，系统稳定可靠，满足系统的监控要求，取得良好的社会和经济效益。
1.2国内外自来水厂自动化控制技术的现状和发展趋势
自来水生产过程自动化控制系统的发展状态:
水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。
从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。
PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。
水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:
由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。
开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。
近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。
取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，了在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。
目前大部分水厂都是采用的这种模式。
在这基础上，对水厂自动化又提出了新要求:
即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。
水处理工业自动化领域的发展趋势是管理一一控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管控一体化铺平道路。
信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管控一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管控一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。
1.3本论文研究的内容
本论文主要介绍以可编程控制器PLC和组态软件为核心，采用上、下位机方式设计水处理计算机实时监控系统的基本思路和方法。
本文研究的主要内容包括:
基于PLC的水处理计算机实时监控系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、水处理工艺设备控制方法、监控系统下位机各PLC子站软、硬件的设计，监控系统PLC工业网络的设计，网络通信功能的实现，上位机监控系统组态软件的设计和应用。
1.4本论文完成的工作
本论文的工作在于提出了采用可编程控制器PLC与工业计算机PC机组成的两级集散控制系统，建立通用的自来水厂计算机远程实时监控系统。
本论文作者在整个项目设计中主要参与了以下工作:
（1）通过分析整个自来水处理的工艺流程，与水处理工艺设计专家紧密合作，建立完整和实用的水处理过程的监控要求。
（2）深入分析国内外自来水自动控制技术的发展现状，深刻了解PLC,DCS的新技术，采用可编程控制器PLC与工业计算机PC相结合的方法，设计出适合水处理过程特点的计算机远程实时监控系统。
（3）参与系统的调试和试运行。
第二章水处理监控系统总体方案设计及其过程控制设计
2.1河东自来水厂工艺流程简介
自来水厂水处理基本过程如下图2-1所示:
图2-1河东水厂工艺流程图
河东水厂的源水由高州长坡水库通过东干渠输送到山阁镇老虎岭调节水库，然后通过1.6米水泥管道进入河东水厂。
源水进入厂区后，先进行前加氯、加矾，然后经混合槽混合，进入折板反应池充分混合反应后，流到平流沉淀池，进入恒速快滤池，经滤池过滤，再经过后加氯消毒，清水进入清水池，最后由清水泵房的泵机加压进入城市供水管网，则可以饮用。
为了正常控制水质，河东水厂水质控制指标为:
1.PH值:
源水、待滤水、出厂水PH值为6.5-7.5;
2.浊度
3.余氯待滤水<
3NTU,滤后水<
0.5NTU，出厂水<
0.5NTU;
滤后水余氯为0.40--0.70mg/L，出厂水余氯为0.50-0.80mg/L;
2.2河东自来水厂水处理监控系统的总体方案设计
2.2.1水处理监控系统的整体构想
本水厂拟采用可编程控制器和工业计算机组成两级的实时多任务集散控制系统，实现分散控制、集中管理，系统分为监控级和现场执行级。
根据水厂水处理工艺要求和的水厂的建设布局情况，该自控系统共设四个PLC子站，即:
加药间子站（PLC1）,滤池子站（PLC2），清水泵子站（PLC3）和中控室模拟屏子站（PLC4），监控系统主要对加药间、滤池、清水泵站及高低压设备实施监控。
河东水厂拟采用法国得利满公司先进的水处理工艺。
可编程控制器选用Thyssen公司的PLC,PLC之间组成了网络彼此进行通讯，实现数据共享。
工业机采用Wondware公司的Intouch组态软件作人机界面，通过光纤为主干网的LWL高速数据通信网与中控室主机进行通信，完成数据采集、处理、监督及控制功能。
中央控制级分为工程师站和操作员站，工程师站主要完成系统组态及控制参数的在线修改和设置等:
操作员站主要完成对整个水处理厂的数据采集、监控、报表及打印等功能。
在不需组态式修改参数时，工程师站与操作员站互为备用，提高了系统的可靠性。
为提高系统通讯的安全性，可靠性，整套系统考虑水厂的实际情况，拟采用双网络设计。
即各子站设有上位机，可显示各站监控画面及参数，当子站与中控室主机之间出现通讯故障时，各子站的上位机可以与自己站的PLC进行通讯，确保畅通。
各子站PLC也可以通过网络与中控室的PLC进行通讯，实现数据的采集与命令的执行。
2.2.2水处理控制系统的监控要求
根据水厂自来水处理的生产工艺流程，控制系统的预期设计应实现对以下设备、参数的监控，实现完善的系统功能。
1。
中央控制级:
监控级设在中央控制室，中央控制室是水厂的生产指挥中心，要求操作人员在中控室就可对全厂设备的情况进行监视和控制，并可用电脑作数据处理和存储，显示和通信，主要功能要求为:
（1）控制、操作功能:
在中央控制室能对全厂设备进行自动控制和人工干预，能对各子站的PLC的参数进行设定及修改:
（2）显示功能:
能形象、实时、动态显示各生产过程的主要技术参数，能显示所有设各的运行状态;
（3）十R警功能:
当某一参数异常或设备故障，能给出声、光报警，显示相应的提示信息和画面，并实时打印报警信息:
（4）数据库管理功能:
能建立生产数据库，存贮生产原始数据，供统计、分析用;
能建立故障数据库，记录PLC错误、系统错误及事故等:
（5）报表输出及打印功能:
可打印日报表、月报表、年报表及可实时打印故障记录;
（6）信息传送功能:
及时将水厂的生产情况通过无线电收发系统与总公司调度室互传;
（7）统计报表功能。
2.分布式控制站对监控系统的要求投药间子站PLCi
（1）监控两台投矾泵、两台加氯机、两台增压泵、两台提升泵等设备的运行过程及监示它们的运行状态（运行、停止、故障）;
（2）监示两个矾池液位;
（3）监示源水的浊度、PH值、流量、温度。
（4）监示SCD仪的检测值;
（5）对进水电机阀门和搅拌器实施监控;
（6）对前加氯机加氯量，并实施监控;
（7）对每个矾池上的两个注水阀、一个三通阀状态实施监示:
（8）对两路氯瓶压力状态实施监示;
（9）将以上信息传送到中控室，以便中控室实现对投矾加氯系统的自动控制。
滤池子站PLC2:
（1）对V型恒速快滤池12个格滤池的运行状态（过滤、停止、故障），实施监视;
（2）对每格滤池的滤速，实施监控;
（3）对滤池的反冲洗过程（分三步:
气冲洗、气水混合洗、水洗），进行监控;
（4）对两台反冲洗水泵、反冲洗风机实施监控;
（5）监示每个滤格的过滤时间和液位:
（6）监示待滤水的浊度，滤后水的浊度，反冲洗流量;
（7）监示反冲洗贮水池的水位:
（8）监示两台刮泥机的运行状态;
（9）对滤后水投氯值实施监测。
清水泵PLC3站:
（1）监示所有高压开关柜有关工作状态;
（2）监示进线高压开关柜的电流、电压、有功、无功、累计电量值;
（3）监示每台泵的电流、功率、压力、累计运行时间;
（4）对出厂水的压力、余氯、PH值、流量、浊度、累计流量值进行在线监测:
（5）对变频泵电机的频率进行控制:
（6）对六台加压水泵进行控制;
（7）对回收池的每一台泵及出口蝶阀进行控制。
2.2.3水处理控制系统操作方式的要求
整个水厂的设备要求采用三级控制:
（1）就地手动控制:
此方式指在设备现场通过现场开关或按钮直接操作设备。
此方式用设备调试和维修，在系统调试和投入运行之前，检验设备安装和接线是
否正确，投入运行之后，检测设备故障。
设备现场（现场控制箱）的“自动/手动”选择开关打向现场手动，现场设备线路和PLC控制系统断开，不受PLC控制，直接由接线控制，由现场开关控制启动及停止。
另外某些特殊设备有紧急停止开关，在紧急情况下，拉动急停开关，设备立即停止，PLC检测到此信号后，按设备故障处理。
（2）各子站PLC控制:
各子站PLC执行自己的控制程序，完成控制功能。
在与中控室脱机或通讯网络故障时，各个子站PLC能独立完成该站的控制任务。
（3）中控室集中控制:
自动流程方式指在计算机监控画面上用键盘或鼠标操作流程的自动启动和自动停止，它是控制系统工作的主要方式。
主控室控制柜面板上“计算机自动/现场手动”操作开关打向计算机自动方式，系统受自动控制装置监视控制。
监控程序进入自动流程操作画面，操作员在工控机的CRT画面上进行流程操作。
用键盘或鼠标选择工艺流程控制参数后，连同启动或停止流程命令传送给下位PLC,PLC运行梯形图程序，选择流程路径，控制系统自动启动流程或停止流程。
在流程的各个运行阶段，系统随时检测流程故障，有故障发生时，进行报警，并根据故障种类进行相应的故障处理。
另外在自动流程画面上有紧急停止按钮，在系统出现重大险情时，按此按钮，可使所有运行设备立即停止。
2.2.4水处理监控系统方案设计原则:
（1）系统性能稳定，运行可靠;
（2）操作简单，维护方便;
（3）易于扩展:
（4）运行经济节能，维护费用低;
（5）性能I价格比高。
2.3水处理过程控制设计
对投药间（包括:
投矾、投氯）和滤池的设备建立以PLC为主要控制核心的水处理自控系统，进行水处理，并对PLC控制网络进行联网控制，是实现水厂全自动化操作的关键。
本节以自来水厂的生产工艺流程为顺序，重点介绍水处理过程中几个重要环节，即:
投药间子站（PLC1站），滤池子站（PLC2站），清水泵子站（PLC3站）各设备的运行过程及其系统控制方法。
。
2.3.1投药间子站的过程控制
投药间包括投矾和投氯两部分。
投药间现场设备的配置为:
（1）4台加氯机（2台前加氯机、2台后加氯机，各1用1备。
）、2台增压泵;
（2）2台加矶泵、2台提升泵，各1用I备;
（3）2套漏氯检测系统、I套超声波流量计;
（4）4套PID调节器;
（5）1套PLC1和一套MCC1柜。
1.投矾系统
投矾环节是整个投加药过程的最重要部分，它的控制效果的好坏将直接影响到自来水的水质好坏，因此该环节的自动监控系统是本次设计的最主要的一环之
（1）水处理混凝投加机理源水之所以浑浊不清，是因为水中含有大量以胶体形式存在的粘土颗粒。
由于这些粘土颗粒一般都带有一定的负电荷，在静电的相斥作用下，这些颗粒一般不易结大而沉淀，原水始终表现为浑浊现象。
要让这些颗粒互相凝聚、结大而沉淀出来，最有效的办法之一是加入致沉作用强的三价铝离子[A13+]。
在铝离子的衍生物中，由于以聚合物形式存在的聚合氯化铝具有反应时间短、混凝效果好、形成矾花大、沉淀速度快、适应不同水质及较宽的pH范围等优点，在生产上我们采用加入聚合氯化铝水溶液的方法使浑浊的原水变得清澈。
聚合氯化铝的分子式可表示为:
[Alm（OH）nCl3m-n]o
我们把一定量的致沉剂（聚合氯化铝）溶液按比例混合到原水中，并在混合槽和反应池中充分混合、反应，凝聚成较大颗粒的矾花的过程称为混凝。
在混凝过程中起混凝作用的致沉剂，也可称为混凝剂。
水的混凝机理是水处理的一个重要的课题。
混凝包括凝聚与絮凝两种过程。
凝聚是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程。
凝聚是瞬间的，只需将化学药剂扩散到全部水中即可。
絮凝则是指胶体脱稳后（或由于高分子物质的吸附桥作用）聚结成大颗粒絮体的过程。
絮凝过程是
需要一定的时间去完成的。
但是一般情况下二者很难区分，因此把能起凝聚与絮凝作用的药剂通称为混凝剂。
值得注意的是，混凝剂的添加量存在一个最佳的范围。
添加少了，致沉作用不大;
添加多了，反而会因过多的铝离子致使原来带负电荷的胶粒变为带正电荷，颗粒间的斥力又增加了，从而导致凝聚效果下降。
因此，在投矾工艺中，必须准确控制添加量，且应经常跟踪投加效果。
（2）投矾系统的工艺过程
矾剂投入矾池并由电动搅拌器搅拌，提升泵将矾池中配制好的矶液提升到加药泵（计量泵）的入口处，由隔膜计量泵根据源水的流量按比例加入到源水管道中，并在混合槽进行充分地混合，然后进入折板反应池中充分反应，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒后，在后续的平流沉淀池中被排泥机除去。
①混合槽
混合槽是让矾液迅速而均匀地分散到水中，生成氢氧化铝胶体，可和水中杂质胶体相互凝聚，结成微小的矾花。
②反应池
折板反应池是使微小的矾花在缓慢的水流中经过多次的碰撞和吸附，凝聚成0.6-1.0mm大小的矾花颗粒，以便在平流沉淀池内迅速沉淀。
折板反应池的主要原理都是利用隔板产生紊流，以增加矾花颗粒间的碰撞次数。
源水在反应池的反应时间约为25分钟。
③沉淀池
该厂的沉淀池是平流沉淀池，其构造按作用可分成四个区进水区、沉淀区、积泥区和出水区。
源水在沉淀池的反应时间为1.5小时左右。
④沉淀池的排淤泥
沉淀池的排泥是运转中的重要问题，它关系到沉淀池的正常运行。
排泥设备有两种，一种是穿孔排泥管，另一种是刮泥机。
该厂采用虹吸刮泥机。
它是原理也相当简单，电动机拖动钢析架，析架沿着导轨运动，刮泥板将池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口处，轴流泵将压力水充满虹吸管产生虹吸，虹吸管就能将池底的淤泥连续不断地吸到池外了。
（3）投矾系统的自动控制本投
矾系统的每组投加设备由投矾泵、变频器，伺服电机、伺服控制器等组成。
投矾即是将矾液投加到源水管道的过程。
投矾量的大小是取决于水的浊度和矾液浓度（或流量）。
下面介绍本投矾系统几个主要环节的设计思路。
①信号检测
在信号检测部分，考虑到混凝效果受自来水输出流量、浊度、PH,混凝剂的流量和浓度等多方面因素的影响，如采用简化参数的方法将存在精度差、建模难、可靠性差的缺点，于是本次设计采用具有现代先进技术水平的SC-4200型流动电流检测仪（SCD仪）来采集信号。
该流动电流检测仪的特征是仅仅在线检测一项混凝本质参数（单因子），就可以准确地概括各项表现参数（流量、浊度、PH,混凝剂的流量和浓度等），因此只要检测和控制该参数即可，这样控制就简单了。
②自动投矾的控制模型
投矾系统的执行部件是投矾泵（隔膜计量泵），控制核心为PID调节器。
本投矾系统采用2套隔膜计量泵投加药，每个计量泵均配有变频调速器，计量泵的转速由变频调速器控制，变频器运行频率由水流量信号控制，控制流量为源水流量与回收反冲洗水流量之和，这样，水流量就控制了投矶泵的变频电机，改变投矾泵的转速。
计量泵行程由流动电流检测仪SCD值来控制，SCD值控制投矾泵冲程伺服电机，改变投矾泵的冲程，最终实现对投矾量的控制。
该系统过程控制器中设置的限流器可避免投药泵的速度/行程超出低限或高限值。
当SCD值为0时，为投矾效果已达最佳点;
当SCD值为正值时，则是加矾量已过大;
当SCD值为负值时，则是加矾量不足。
源水中只要发生微小变化就能被在线检测仪SCD检测到，投药自动控制系统就能迅速和准确地加以控制。
在雷雨期间，浊度剧增，SCD仪即就能增大投药量，自动保持最优的絮凝剂设定值。
投矾系统的控制方案如图2-2所示，该自控系统通过在线检测水中浑浊物的脱稳程度，配以沉淀池出水浊度，建立反馈数学模式，通过串级主控反馈回路，形成高精密度双闭环控制，并曾加流量比例复合控制环，进一步加强调节，使系统能全自动直接控制沉淀池出水浊度，解决负荷干扰，检测漂移，系统误差，人为失误等因素的影响。
图2-2投矾控制模型
③执行机构
在执行机构部分主要是采用变频调速的方法，即使用变频器改变投药计量泵电机的交流电源频率，从而调节电机的转速，使投矾计量泵输出达到最优投药量，最终确保实现最佳的混凝和沉淀效果。
变频器采用AB公660v/500kw的变频器。
与本控制系统匹配的投矾泵选用美国MILTONROY公司MILROYALB系列液压驱动高性能隔膜计量泵。
计量泵电动冲程调节器EEC专为自动调节计量泵冲程配套，每个泵头配一个，接受流动电流检测仪SCD值，输出4-20mA冲程位置信号用于监视和反馈。
计量泵的频率调节由变频器控制。
④投矾系统控制方式
A.冲程控制
投矾计量泵冲程调节控制拟实现两种控制方式:
手动、.PLC远程控制。
#手动:
该控制方式通过人工设定调节器上的参数来控制计量泵冲程。
#.PLC远程控制:
PLC接受现场的SCD值信号，经PLC处理后输出控制信号实现对计量泵冲程的调节。
图2-3计量泵控制
Fig2-3Thecomputingbumpcontrol
B.频率控制
投矾系统计量泵频率调节控制拟实现三种控制方式，分别为:
现场手动、现场自动、PLC远程自动/手动控制。
#手动:
该控制方式通过人工操作变频控制柜上的开停按钮和调节旋钮来控制计量泵的开停和频率调节。
#自动:
设置水质目标，让系统根据该目标自动完成对计量泵频率的控制。
#PLC远程自动/手动控制:
在监控工作站设置或计算投加量控制信号，通过PLC输出实现对计量泵频率的进行调节和开停控制;
或者通过对频率进行控制。
⑤矾池自动切换的控制
投药间设有两个矾池，一用一备。
当正在使用的1号矾池液位低于干液位时，且2号矾池的液位又己达高液位，则矾池自动切换到2号矾池使用。
切换完毕后，1号矾池开始打开加水阀加水，当水位达到中液位时，报警并延时一段时间通知加矾，最后加水达到高液位。
等2号矾池使用完后，又按上述类似方法切换回1号矾池。
2.投加氛控制系统
（1）加氛系统工艺过程
源水在经过混凝，沉淀，过滤后，水中的大量悬浮物已被除去，水变清了，但还有一定数量的微生物，包括对人体有害的病原菌，因此，必须用消毒的方法去除。
消毒的方法有多种，如加漂白粉法，加漂白粉精片法和加氯法等等。
该拟厂采用国内各大水厂普遍采用的加氯消毒法，也就是将液氯气化成氯气后通过水射器加到水中，起到杀菌的目的。
该厂的加氯系统是德国W&
T公司的V
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