摘要:近年来,随着自动化技术和计算机技术的快速发展,PLC控制自动制水已在自来水行业中广泛应用,因此,本文作者通过实例对水厂滤池系统工作流程进行分析,就水厂滤池控制系统的硬件设计、软件设计作了阐述,最后提出了自己的建议,对同类项目的建设有一定的借鉴作用。
关键词:滤池控制系统;设计;PLC;应用
引言
在各中小型水厂水质生产过程中,滤池生产的有效控制是保证水厂出厂水水质优劣及生产效率高低的关键因素。在传统的滤池生产中,一般依靠人工操作进行生产,滤池正常的过滤时间以及滤池反冲洗各环节的时间和强弱都要依靠现场操作人员的经验进行调节。由于受到人员素质及经验、环境温度、源水水质变化等各种复杂因素的影响,很难使出厂水水质长期稳定。因此水厂滤池的自动化控制对于出厂水质优劣尤为重要。
本滤池控制系统工程实例采用V型滤池,滤池共6格,每个滤池由进水槽、滤床、进水闸板、出水阀、排水闸板、反冲洗水阀、反冲洗进气、排气阀等组成。设有45KW反冲洗水泵2台(一用一备)、45KW罗茨气洗鼓风机两台(一用一备),阀门及闸板均为气动执行机构,用于供给阀门、闸板动力气源的空气压缩机二台(7.5KW)。
1 滤池工作流程分析
1.1 恒水位过滤过程
滤池工作时,过滤过程为恒水位水滤,过滤恒水头由可调出水阀进行控制。每格滤池均设有水位检测仪与水头损失(滤床阻塞值)传感器。每格滤池设有一个就地程序控制台,控制单格滤池恒水位过滤及气水反冲洗,6格滤池设公共控制柜一台,负责滤池反冲洗协调控制、监视及反冲洗共用设备的开停操作,各控制站相对独立,任何一个站发生故障,均不影响其它监控站和通讯网络及机监控管理系统,集中体现“分散控制,集中管理”的优势和特点。滤池水位测量值与水位设定值比较后控制滤池出水阀门的开度,使滤池在恒水位条件下工作。滤池恒水位控制流程图如图1:
1.2 反冲洗工作原理、运行参数
滤头在气水反冲洗时,空气首先进入滤板底面形成气垫层,当气垫层逐渐增加至滤柄下部的长条形进气孔时,大量空气就进入滤柄,并从滤头的缝隙冲出剪切冲刷滤料颗粒表面,致污质于滤层之上部,水气同时冲洗时使滤料充分膨胀,处于半悬浮状态中擦洗,然后再进行单独水反冲洗将污泥杂质反冲进集污槽排走。滤池运行参数见下表:
1.3 滤池反冲洗过程: 滤池的反冲洗通过滤池就地控制柜以下列三种方式进行控制:①单格滤池一步化控制;②定时自动排队冲洗;③根据水头损失设定值到达的先后顺序自动冲洗。冲洗程序为三段式冲洗:气冲洗→气水混合冲洗→水冲洗。每次只有一格滤池冲洗、若有两格以上进入冲洗状态,按先后顺序排队等候。当滤池反冲洗时,先关进水阀,全开出水阀,待滤池水位下降到设定值(离砂面300mm)时,关闭出水阀,开排水阀,启动鼓风机,开气冲阀气冲3分钟后,开冲洗水泵,开冲洗水阀水冲,气水混合冲5分钟后,关气冲阀,停鼓风机,开排气阀,4分钟后关冲洗水阀,停冲洗水泵,关排水阀,开进水阀,清水出水阀由水位信号控制,水位到达设定值后,开始恒水位过滤。反冲洗周期、气洗时间,气水洗时间、水洗联时间均可由操作人员根据生产实际情况在中控室电脑上进行设定。滤池反冲洗顺序如下:
2 系统网络结构
滤池控制系统网络结构图由三层组成:现场级、车间级以及管理级。其结构示意图如图3。
各单格滤池旁设就地控制柜一个,整个滤池设公共柜一个(安装于滤池中控室),各柜、站通过TCP/IP通讯总线连接,共同实现分散控制、集中管理。各就地控制柜操作相对独立,控制功能分散,设备可靠性高。对滤池自动反冲洗及工艺设备的控制均可由三种方式操作:(1)通过就地控制柜上的按钮手动控制,(2)PLC按预先设定好的程序自动(3)通过滤池控制室电脑或中心控制室电脑键盘控制。在电脑上均有自动和手动两种控制方式。主要参数可通过键盘进行设定和修改,实行优化控制和科学管理[1]。
数据库服务器采用高性能的IBM服务器,数据库软件采用SQL2005用以存储各控制系统的准实时数据和历史数据,进行数据管理。作为数据服务器,它还为生产管理系统提供数据分析计算服务。
上位机采用联想商用计算机,安装美国的INTOUCH10.0 组态软件,用于滤池控制系统的实时监控[2]。PLC采用美国施耐德公司的72634M系列的可编程控制器,通过程序控制生产设备自动运行。
3 硬件设计
3.1 单格滤池硬件结构
单个滤池由6个阀门组成: F1进水阀、F2出水阀、F3反冲洗进水阀、F4反冲洗进气阀、F5反冲洗排水阀、F6排气阀。由一台72634M系列的PLC控制单个滤池的自动过滤和自动反冲洗。滤池就地控制单元即TCP/IP总线的一个从站,执行单个滤池的控制过程内部数据交换。PLC与触摸屏通过RS-485网络互连。
单格滤池的就地控制柜的功能如下:
对单格滤池进行恒水位过滤控制及气水反冲控制。显示各阀门的开关状况。动态显示水位、水头损失、阀门开启度。显示相关设备的工作状态。对单格滤池的阀门实行自动控制,亦可以对单个阀门进行。
手动操作。
指示滤池的工作状态。对有关故障进行声光报警,声音报警可以用开关控制。
3.2 公共控制柜硬件结构
公共控制柜置于滤池车间的控制室内,由72634M系列的PLC作为主控制器。公共控制柜管理TCP/IP总线上6个从站(每个从站监控1格滤池)共对6个滤池的300点数据进行处理和交换;监控2台风机、2台反冲洗泵运行;对关键数据进行处理并上送到水厂控制中心。
公共控制柜主站的功能如下:
负责协调各格滤池反冲洗控制,以及设备内部间的网络通讯。显示反冲洗设备各阀门的开关状况。显示反冲洗设备的工作状况。对反冲洗设备(反冲水泵、鼓风机等)及其出口阀门进行。
自动控制,亦能对单体进行手动操作。对有关故障进行声光报警,声音报警可以用开关控制。
4 软件设计
4.1 滤池就地控制单元模块设计
单格滤池控制执行自动过滤监测滤池水位,根据滤池水位的情况及时调整出水阀的开度,使滤池保持在过滤水位[3]。当运行周期到或强冲或水头损失以达到时,滤池进行自动反冲洗。滤池就地控制软件结构图如4:
4.2 滤池公共控制柜模块设计
主站软件包括6 格滤池排队冲洗、网络管理、二台风机监控、二台反冲泵监控、实时数据监测、故障诊断报警、与厂站通信等。滤池公共控制柜软件结构如图5:
5 实施效果及建议
滤池控制系统实施后,可以达到了以下效果:①恒水位过滤误差范围:±1cm。②恒水位可根据工艺要求或用户要求进行设定,或根据实际要求进行设置。③气水反冲洗周期:10-100hr连续可调,误差范围±1min。④气水反冲洗时间:气洗时间2-5min连续可调或根据工艺要求设置;⑤气水联洗时间2-10min连续可调或根据工艺要求设置;⑥水洗时间1-8min连续可调或根据用户要求设置。
建议:气水反冲洗滤池比传统的滤池工艺先进,控制要求高,因此阀门是该系统可靠运行的关键设备。目前,国产电动闸板及蝶阀在使用中存在以下问题:①易泄漏;②扭矩大;③使用寿命短;④使用一段时间后启闭不能到位;⑤防锈处理工艺差。故以上关键设备最好采用原装进口气动阀门,以保证滤池长期稳定运行。
参考文献
[1]陈运珍.水工业领域网络监控系统的最新模式研究.《国内外机电一体化技术》.2004,8:32-37.
[2]Siemens.《simatics7-200》.参考手册.
[3]张竹梅,许力,张冬梅.PLC在地表水厂的应用.《微计算机信息》,2005,10:35-36.
