中小型水廠自動(dòng)化技術(shù)改造初探

1、    中小型水廠自動(dòng)化技術(shù)改造初探            作者：論文作者：王碩禾,高時(shí)間：2007-11-25 12:06:00                     摘要：介紹了一種針對(duì)中小型水廠的由上位機(jī)、可編程控制器、變頻器及相應(yīng)

2、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的微機(jī)集散控制系統(tǒng)。數(shù)年運(yùn)行證明，該系統(tǒng)工作可靠、性能齊全，為同類水廠技術(shù)改造提供了一種投資小、見效快的案例。 關(guān)鍵詞：中小型水廠 自動(dòng)化 改造  Automation of Waterworks of Small CapacityAbstract：A microcomputer based cybernetic control system developed for medium and small waterworks and composed of host processor, PLC, frequency converter and responsib

3、le sensors and actuators has been operating for years with favorable reliability and integrality. This might be a low investment and quick result example for technical reform of similar waterworks.0引言目前，我國(guó)北方大部分中小型水廠均采用兩級(jí)泵站的管理模式，即：由深井泵組成一級(jí)泵站采取地下水至水廠蓄水池進(jìn)行水處理；而后，由二級(jí)加壓泵站向用戶管網(wǎng)供水?？刂品绞揭话銥槿斯た刂频睦^接方式，自動(dòng)化水平低，水

4、、電資源浪費(fèi)嚴(yán)重，設(shè)備事故隱患多、管理困難。我們?yōu)槟晨h自來水廠開發(fā)了一套由上位機(jī)、可編程控制器(PLC)、變頻器、相應(yīng)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的水廠微機(jī)集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)三年，性能穩(wěn)定可靠，提供了一種針對(duì)中小型水廠的，以節(jié)能降耗、提高自動(dòng)化水平為主要目的的技術(shù)改造方案。1系統(tǒng)的主要功能該水廠的基本情況為：一級(jí)泵站包括5口深井，每口深井配備22kW多級(jí)潛水泵1臺(tái)，共同向一蓄水能力為2 000m3的蓄水池蓄水；加壓泵組為5臺(tái)45kW DL型立式泵，向管網(wǎng)加壓供水。對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是：對(duì)水廠的設(shè)備運(yùn)行及生產(chǎn)狀況進(jìn)行自動(dòng)化控制和管理。該控制系統(tǒng)的基本功能如下：(1)保證用戶管網(wǎng)供水壓力恒定

5、。操作人員設(shè)定管網(wǎng)壓力后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和壓力傳感器采取的管網(wǎng)實(shí)際壓力信號(hào)，采用1臺(tái)調(diào)速泵配合14臺(tái)恒速泵的運(yùn)行模式，自動(dòng)調(diào)整加壓泵站中恒速泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)和調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速，在較高的精度范圍內(nèi)保證管網(wǎng)的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下最大限度地節(jié)省電能。同時(shí)，減少了由于無謂磨損、頻繁啟停等原因?qū)λ迷斐傻膿p害；以及用水低峰時(shí)，由于管網(wǎng)壓力過高造成跑、冒事故，浪費(fèi)寶貴的水資源。(2)蓄水池水位自動(dòng)控制。由于用戶用水量的變化較大且具有隨機(jī)性，而水廠對(duì)蓄水池內(nèi)水位控制的精度要求較高。故在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用模糊算法在保證蓄水池水位維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的前提下，合理安排潛水泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)

6、，避免潛水泵的頻繁啟停及無效運(yùn)轉(zhuǎn)。(3)自動(dòng)倒泵功能。為防止某臺(tái)水泵長(zhǎng)期不運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕，由PLC控制4臺(tái)水泵定期輪換作為變量泵運(yùn)轉(zhuǎn)，即自動(dòng)倒泵功能。(4)防水錘電器互鎖功能。由于管網(wǎng)壓力較高，為防止水錘對(duì)水泵的沖擊，在每臺(tái)加壓泵的出水口處安裝電動(dòng)蝶閥，由PLC按照先開泵后開閥、先關(guān)閥后關(guān)泵的模式進(jìn)行控制，有效地防止了水錘的危害。(5)直觀的圖形顯示及尋檢功能。上位機(jī)采用14寸彩顯，以動(dòng)畫圖形及中文方式顯示水池液位、管網(wǎng)壓力、水泵及閥門運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、耗電量、產(chǎn)水量、設(shè)備狀況等信息。(6)生產(chǎn)管理功能。上位機(jī)隨時(shí)檢測(cè)并記錄水廠各臺(tái)水泵的出水量及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以班次為單位生成生產(chǎn)報(bào)表，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出水

7、量及耗電量，并存入指定單元。(7)報(bào)警及保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生電氣、液位、機(jī)械等故障時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并采取相應(yīng)措施。上位機(jī)故障時(shí)，PLC及變頻器可以組成獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行工作；若整個(gè)上、下位自動(dòng)系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有手動(dòng)功能，以保證向用戶供水的不間斷。2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)(見圖1)圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)(1)上位機(jī)：水廠需24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)干擾源多、環(huán)境惡劣。因此，上位機(jī)選用了具有較高可靠性、較強(qiáng)抗干擾能力的研華(ADVANTECH)IPC-610/486型工業(yè)用微機(jī)。上位機(jī)與PLC之間采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口進(jìn)行通訊，傳輸速率9 600b/s，11位數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度7位，1位校驗(yàn)位，啟動(dòng)1

8、位，停止2位。另選研華10位A/D采集卡，采集蓄水池水位信號(hào)和加壓泵組出水流量信號(hào)，對(duì)水位信號(hào)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行計(jì)算后，給出控制信息由PLC控制潛水泵的啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。當(dāng)水位過低時(shí)，認(rèn)為發(fā)生故障，停止一、二次泵組的運(yùn)行并聲光報(bào)警。上位機(jī)為720M硬盤、8M內(nèi)存，可以同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)且歷史記錄較長(zhǎng)。(2)主控單元：主控單元選用日本立石公司的C60P型可編程序控制器作為主控單元，它具有40路開關(guān)量的輸入、20路開關(guān)量的輸出，可擴(kuò)展模入、模出模塊，并有RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口。C60P為積木式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成及擴(kuò)展方便，抗干擾性能好，作為現(xiàn)場(chǎng)主控部件較理想。由它完成自動(dòng)倒泵、防水錘互鎖、變頻器邏輯控制等邏輯控制功

9、能。(3)管網(wǎng)恒壓調(diào)控系統(tǒng)：調(diào)速泵的調(diào)節(jié)由富士G-45變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網(wǎng)的壓力信號(hào)(4mA20mA)送至自制的調(diào)節(jié)板上，與給定信號(hào)比較后送至日產(chǎn)RKC調(diào)節(jié)器中，經(jīng)PID運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。變頻器本身對(duì)應(yīng)其輸出頻率有05V(DC)信號(hào)輸出，將其引回調(diào)節(jié)板，由系統(tǒng)對(duì)輸出頻率進(jìn)行檢測(cè)，若變頻器的輸出大于49Hz一定時(shí)間后，管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到要求，延時(shí)確定后，PLC按照一定規(guī)則逐個(gè)以自耦減壓方式啟動(dòng)恒速泵，直至管網(wǎng)壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時(shí)間后，管網(wǎng)壓力仍超過給定值，則依次關(guān)閉恒速泵，配合調(diào)整調(diào)速泵直至壓力穩(wěn)定。(4)自

10、耦減壓?jiǎn)?dòng)柜：恒速泵及潛水泵均采用自耦減壓?jiǎn)?dòng)方式，有效地減小了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。(5)傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)：管網(wǎng)壓力信號(hào)的采取利用最大量程為1.0MPa的遠(yuǎn)傳壓力表，以方便在采樣點(diǎn)觀察壓力信號(hào)；流量信號(hào)的采取利用渦街流量計(jì)；水位信號(hào)的采取利用壓力式水位傳感器；利用電動(dòng)蝶閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制加壓泵的出水口狀態(tài)。3系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)管理程序、PLC控制與監(jiān)測(cè)程序以及它們之間的通訊程序。(1)上位機(jī)的管理程序主要完成設(shè)備運(yùn)行狀況的圖形顯示監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報(bào)警等功能。采用C語言結(jié)合匯編編程，充分利用C語言結(jié)構(gòu)化強(qiáng)、簡(jiǎn)潔和運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)

11、也提高了程序的可讀性、可靠性及可移植性。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，人機(jī)界面為圖形形式，菜單驅(qū)動(dòng)，全部中文顯示與提示非常友好。系統(tǒng)主要功能模塊包括：使用說明、水廠控制系統(tǒng)功能介紹、生產(chǎn)狀況監(jiān)測(cè)及管理、水位系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)控制等。采用查詢方式完成與PLC的通訊及檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理；將管網(wǎng)壓力、流量、液位、各水泵運(yùn)行狀態(tài)及各處閥門開啟狀態(tài)等信息以圖形及數(shù)據(jù)的方式顯示于顯示器上；如有報(bào)警信號(hào)則顯示相應(yīng)圖形，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。監(jiān)測(cè)的出水量、耗電量等信號(hào)可長(zhǎng)期保存于存儲(chǔ)器中，隨時(shí)作為資料查詢。(2)蓄水池分為沉淀池和出水池兩部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒處理，而后，經(jīng)過濾到達(dá)清水池。因此，水位控制功能要求

12、較高，正常狀態(tài)下，12臺(tái)潛水泵長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，其余根據(jù)用水量的大小自動(dòng)切換。為保證水的正常供應(yīng)并防止?jié)撍玫念l繁啟停，在水位控制中采用了模糊算法。將水位高度分為七級(jí)，將水位的變化率也分為七級(jí)，將潛水泵的開啟臺(tái)數(shù)分為5檔，形成了一個(gè)二維矩陣數(shù)組，由計(jì)算機(jī)運(yùn)算后確定應(yīng)開啟的深井泵臺(tái)數(shù)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后，確定了數(shù)組中各參數(shù)的值，經(jīng)實(shí)際使用，獲得了較好的運(yùn)行效果。(3)可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制均與其有關(guān)。它的控制程序具有較強(qiáng)的邏輯性要求。一般來說變頻器嚴(yán)禁付邊加裝接觸器，但是為了節(jié)省投資、實(shí)現(xiàn)4臺(tái)恒速泵輪流作為調(diào)速泵，必須在變頻器的付邊裝接觸器(電路原理圖如圖2所示)。為防止在電動(dòng)機(jī)高速

13、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)變頻器的原邊未切斷電源或剛剛切斷電源，付邊接觸器斷開，電動(dòng)機(jī)定子線圈放電造成高電壓，損壞變頻器的輸出功率模塊，在PLC的程序設(shè)計(jì)中必須考慮到較復(fù)雜的互鎖及時(shí)間控制關(guān)系，即PLC計(jì)算倒泵時(shí)間到后，首先按照閥、泵互鎖關(guān)系關(guān)閉擬轉(zhuǎn)入變量運(yùn)行的定量泵；接著關(guān)閉原變量泵，此時(shí)變頻器輸出頻率先降至零，而后切斷變頻器原邊接觸器，延時(shí)幾秒后，切斷其付邊接觸器。而后，將變頻器輸出與待轉(zhuǎn)入變量運(yùn)行的水泵接通，幾秒后按照閥、泵開啟的順序依次接通變頻器的電源，啟動(dòng)水泵并打開水閥；同時(shí)，原調(diào)速泵轉(zhuǎn)為恒速泵使用，這樣做保證4臺(tái)加壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相近，避免某臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生銹蝕等故障。圖2電路原理圖(4)上位機(jī)與PLC之間的通訊借助標(biāo)準(zhǔn)RS-232口來完成。可以由上位機(jī)完成給定倒泵的間隔時(shí)間、設(shè)定管網(wǎng)的壓力等工作。同時(shí)，下位系統(tǒng)定時(shí)將恒速泵的開啟臺(tái)數(shù)、調(diào)速泵的運(yùn)行狀態(tài)(頻率、轉(zhuǎn)速、消耗功率等)、管網(wǎng)壓力等信息報(bào)上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。4結(jié)束語中小型自來水廠的