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PLC在净水处理中的应用
PLC/净水处理
1  引言
当前可编程序控制器(PLC)已经成为自动控制系统中最为广泛的控制设备,它不仅实现复杂的逻辑控制,还能完成各种顺序控制或定时控制的闭环控制功能,并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、能在恶劣环境下长时间、不间断的运行,且编程简单,维护方便,并配有各类通讯接口与模块处理,方便扩容[1]。随着当今社会的发展,PLC在自来水供应系统中的应用越来越广泛,该控制系统能大大提高自动化水平,降低生产成本,提高供水质量。因此PLC及其控制系统在净水厂的日常应用中就显得尤为重要。本文以三亚西部供水工程净水厂为例,介绍下PLC在净水厂中的应用。
2  工艺简介
三亚西部供水工程由四部分组成:源水管、净水厂、清配水管、红塘管理站、加压泵站。在以三亚西部供水工程的净水厂为例,介绍其功能和控制方式。净水厂选址于三亚市崖城镇,占地面积为66670平方米,建设规模为日处理量10×104米3,共有6格V型滤池,其中工艺处理流程如下:
此净水厂的工艺是常规的“混凝-沉淀-过滤-消毒”流程,首先从泵房将水库的水打到混合井,然后经初滤,再加水沉淀剂聚合,沉淀后过滤得到清水,加氯气消毒,将水储入清水池备用,再经送水泵房的高压泵压出供水,流入千家万户。沉淀污泥经排泥池在浓缩池浓缩后经污泥脱水后,泥饼外运。

3  系统结构
三亚西部供水工程自控系统的系统结构由三层网络组成,包括管理级、控制级、现场级。系统的三层网络分别为基于TCP/IP协议的高速以太网、工业以太网络、现场总线网。4台操作站主机、4台生产管理计算机和2台打印机,向上接入全厂管理系统网络;工业以太网以光缆为通信介质,连接5个PLC现场控制站,配置有各自的电源,通讯模块,接口模块,每个站都配有一台UPS,加强了系统的可靠性。为了提供报表、报警打印服务,配置两台打印机,实现各种报表以及实时报警和报警历史的打印功能。两台操作站计算机相互在线冗余,向下通过光纤网络对各现场监控子站进行监视。建立在Windows 2000/XP基础上的Wonderware公司INTOUCH组态软件提供了功能全面、简单易用的操作界面,操作人员通过INTOUCH实现对全厂生产过程、工艺参数和设备运行状态进行实时监控。
系统共有5个现场主控制站,每个站以S7-400 系列处理器模块为核心,配上相应的输入输出I/O模块、机架、电源模块、通讯接口模块以及远程I/O模块等组成现场控制站,5个主站以光纤环网通讯的方式和中控室连接。其中PLC2.0主站通过无线DTU,接受来自两个沉淀池子站的监控数据,同时也可以下达动作指令到子站,两个子站采用S7-300 系列处理器模块为核心,配上相应的输入输出I/O模块、机架、电源模块、通讯接口模块、无线DTU等组成现场控制站。其中PLC3.0主站通过PROFIBUS DP总线,接受来自六个滤池子站的监控数据,同时也可以下达动作指令到子站,六个子站采用S7-300 系列处理器模块为核心,配上相应的输入输出I/O模块、机架、电源模块、通讯接口模块等组成现场控制站。管网子站采用200系列产品。编程软件采用SIEMENS Step7,生产监控组态软件采用Wonderware公司Intouch组态软件,实现上位机界面操作控制设备。所有I/O模块具有光电隔离功能,同时支持带电拔插。压力监测点PLC6.1～PLC6.14采用S7-200系列处理器模块和相应的输入输出I/O模块、无线DTU等组成现场控制站,通过电信的无线CDMA把数据送到监控中心。根据各个站处理I/O点数的多少,预留20%以上的余量,配置相应数量的I/O模块,自控系统配置图如下:

4  实现功能
本自控系统分三种控制方式,即现场控制、集中控制和自动控制。现场控制是在控制主站触摸屏上控制。集中控制是在单元PLC联网组态下由中央控制室主控机完成对全厂所有工艺、电气设备的控制。自动控制是自控系统根据各种工艺参数检测值和设备的运行状态,按照预定控制程序,自动完成生产过程的控制;三种控制方式可在中控室和各控制主站触摸屏自由切换,以满足实际工作中调试、检修和正常运行的需要。
各控制主站收集处理该生产过程内所有生产设备的数据信号、电气技术参数、水厂工艺参数(流量、压力、浊度、余氯、PH值/温度)。这些现场数据信息通过PLC控制主站经工业以太网传送至中央控制室主控机处理, 并实时显示、记录、打印和备份,还根据处理结果随时向各控制主站发送各种控制指令,完成生产调度。
中控实现的主要功能为:
1)  工艺流程监控功能。系统能按工艺要求对污水处理的各环节参数及设备状态进行监视,同时根据工艺要求选择自动、顺序、定时等控制方式。
2)  动态显示全厂平面图、全厂总工艺流程图、局部工艺流程(剖面)图、供电系统图,以及工艺参数、电气参数、电气设备运行状态的各种数据图表。具有图形编辑器可以灵活方便地绘制总平面图、工艺图、工艺区域图、工艺单元图、工艺控制图和单元控制图。

3)  数据记录存储功能。准确、及时采集全厂各个生产过程的工艺参数、电气设备运行状态和电气参数等信息,并将这些数据以各种棒状图、趋势图、单参数图和多参数图进行显示并存储,以备调用。
4)  报警及报警记录功能。当设备发生事故时,能在第一时间发现故障或超限并发出警报,显示故障点和故障状态,按照报警等级做出相应反应,记录报警信息,并将报警信息存储、归档,进行报警汇总。报警信号以变色、闪烁显示和声响反应。
5) 联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序。可以根据工艺要求和设备运行工况设定工艺参数、控制参数。自动状态下,对工艺过程和控制设备按要求进行自动控制与调节。
6) 多级口令保护功能。在中央管理中心的任何一台监控计算机上可设定不同操作权限,只有相应操作权限的操作员,在输入正确的口令后才可访问该级画面。
7)  参数设定功能。可在中央管理中心的任何一台监控计算机或现场控制站的人机界面上进行报警上下限、调节参数、运行时间等参数的设定。
8) 数据记录存储功能。系统可对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录操作记录功能。系统自动保存重要操作记录,如改动参数,操作设备的操作员代号、时间、内容等。
9) 实时数据曲线和历史数据曲线。对重要工艺参数可以进行实时曲线显示,并记录历史数据曲线。对传输数据进行整理、计算、储存,按要求自动生成各种生产报表,并能随时打印。
净水厂场站的实现的功能为:
1)  加药间控制主站集成控制实现:
 跟加氯控制系统通讯,完成加氯控制系统数据交换。
 溶解池、溶液池设备如:计量泵、液下泵、搅拌机、阀门等加药设备的启动停止控制,运行状态监测。
 絮凝池阀门、进水搅拌机等设备的启动停止控制,运行状态监测。
 跟沉淀池行车控制系统CDMA通讯,实现行车子站跟PLC2主站的通讯数据交换。
 浊度仪,PH仪实现进水、沉前的水质监测分析。
2)  反冲泵房控制主站集成控制实现:
 滤池控制子站、回收水池控制子站的DP通讯,实现滤池阀门设备远程控制、数据交换、运行状态监测。
 反冲泵、反冲泵阀、鼓风机设备的启动停止控制,运行状态监测。
 滤前、滤后浊度、余氯、液位计、差压计等监测仪表,实现水质时时监测分析。
3)  送水泵房控制主站集成控制实现:
 高压水泵、电力监测485通讯。实现在线监测高压水泵、电力数据的交换、运行状态监测。
 低压水泵、真空泵等设备的控制、运行状态监测。
 出厂水仪表-浊度仪、PH仪、余氯仪、液位计、压力计等数据集成,在线水质监测分析。
4)  脱水车间控制主站集成控制实现:
 脱水机控制子站跟控制主站通讯,实现脱水设备的远程控制、数据交换、运行状态监测。
 排泥池、浓缩池设备的远程控制、数据交换、运行状态监测。
 排泥池液位计、浓缩池泥位计、污泥浓度计,实现水质监测分析
5)        供水管网控制站集成控制实现:
 供水管网压力、流量监测点数据通过无线以太网通讯采用CDMA无线通信方式,传输至中控室服务器。分时段采集管网的压力、流量等数据,原水阀门的控制,运行状态监测。以满足供水调度、监测等任务。
5  结束语
该工程于2010年5月份开始实施,2011年12月份完成设备安装和调试,设备移交厂方运行,迄今为止其自控系统运行稳定、数据准确、出厂水质符合国家标准。系统投入使用后,操作人员在中央管理中心就能够全面了解整个厂区的运行情况,PLC对泵阀等主要设备能够根据预先设定好的参数进行自动控制。整个系统只需中央管理中心操作人员就能够保证系统的正常运行,大大降低了值班员的劳动强度。该系统的投运解决了以往净水厂自动化程度低,所有设备均需手动操作,值班人员劳动强度大、操作易出错,出水水质不稳定、生产过程无法集中监控的问题,并取得了很好的社会效益和经济效益。
王会敏 山建武