浅谈地表水供水厂的自控改造
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摘要：随着居民对足量优质饮用水供应要求的不断提升，自控系统在水厂生产运行中所发挥的重要性也越来越受到重视。本文介绍了建成多年的地表水供水厂进行自控改造工作的思路和方向，提供了当下主流的改造方法，对改造项目的操作具有参考作用。
关键词： 自控改造 水厂 处理工艺生产运行
中图分类号：TV文献标识码： A
地表水供水厂的自动化控制系统对于保障水厂各水处理工艺单元在生产过程实现不间断的安全运行及自动控制具有重要意义，科学而高效的自控系统能迅速采集和处理大量信息，迅速发现异常，进而协助生产人员精确掌握设备的运行工况，严格执行生产工艺流程，实现全过程控制要求并及时采取措施，防止事故的发生，全面提升出厂水质、水量，确保水厂向城市提供足量优质饮用水。为满足国家对生活饮用水的标准要求，对建成多年的地表水供水厂而言，全面升级改造原有落伍的自控系统已经势在必然。
一、老旧地表水供水厂自控系统现状概述
对于已建成多年的地表水供水厂而言，其自控系统往往是经陆续建设改造而成，由于改造资金、专业能力有限，其所采用的技术和设备均受到相应的限制，而且由于建设时期不同，自控系统所采用的技术也存在差异，经过多年运行后，普遍存在以下主要问题:
1、相对水厂各处理单元数据量大、监测量多、控制面杂的实际情况，老旧水厂原有的初级自控系统无论硬件配置和软件设计均无法真正满足“集中管理、分散控制”的实际需求。
2、原有自控系统组成的大部分PLC控制器型号已属淘汰产品，故障率高且生产厂商已停止生产或转型，系统备品备件无法得到保证，导致系统运行状态极不稳定，难以发挥应有作用。
3、原有组态软件、应用程序维护和修改优化工作繁琐；与其它系统的数据交换困难，不易与应用系统集成。
4、自控系统个各单元采用的技术标准不尽统一，网络结构、通信协议、软硬件选型也不一致。网络开放性差，采用专用的通信协议，无法与其他现场控制设备通信互联。
二、自控改造总体要求
水厂自控程度的高低不仅与硬件系统有关，还取决于控制技术的运行方式，只有将合理、完善、优秀的设计理念和相应的硬件基础相结合，才能尽最大限度地发挥自控系统优势。
因水厂自控系统直接作用于水质监控、水量调整、机泵运行、阀门开启等各个水处理工艺环节，为实现对水处理工艺、设备设施运行和生产过程的可靠自动监控，达到“集中管理、分散监控”的目的，应通过彻底改造使得水厂自控系统成为多层次监控系统，实现“测、控、管”一体化，并能与多种工业I/O、PLC等现场控制设备通信，满足水厂生产自动化控制的需求。
地表水供水厂水处理工艺环节一般包括加药工艺、加氯工艺、反应沉淀工艺、滤池工艺、污水处理工艺及出水加压工艺等，为保证整个工艺的协调处理，其自控系统构成一般是在中央控制站采用HMI/SCADA自动化监控软件（如INTOUCH、IFIX、WINCC等软件）构成的平台做为第一级。以各工艺环节现场控制站及分站作为控制单元组成第二级，采用适宜于水处理工艺应用的主流自动化控制产品（如美国GE PAC 3i system系列、德国SIEMENS S7-400系列、中国浙大中控G5系列等）以使得控制系统具有模块化、可扩展体系结构、灵活配置、功能多样的特点；第三级是现场就地手动控制。
各现场控制站及分站与中央控制站通过环型光纤进行工业以太网连接，完成整个系统的数据采集、工艺参数在线修改和设置、设备远程遥控，使全厂整个生产情况能够在中央控制室实时地显示出来，并能实现历史数据查询及调用、各种形式的系统报警显示查询、生成数据库、各种报表生成、组成了一个以网络通讯为基础的集管理、监测、控制一体化的生产控制系统。
在资金条件允许的情况下，水厂应设立大屏幕系统与计算机网络系统、视频监控系统和其它独立计算机工作站相联，以提供直观、高效、灵活的显示系统。显示系统控制应由一体化显示单元、图像处理系统，控制应用软件和专用电缆等附件组成，能实现信号剪切、缩放、大小调整等多功能处理。同时，该系统要充分考虑到与水厂现有视频、网络等系统的融合对接，以及系统后续扩充，并可轻松实现和其他控制系统多种方式的集成，以适应水厂在自控显示方面的各种需要。
三、自控改造遵循原则
1、先进性系统的总体结构、软硬件选型、通信手段、开发方式，均应采用已被广泛长期应用和考验、实践证明属先进性的产品和方法，保证系统在建成投运后的较长时间内保持技术先进性。
2、经济实用性系统要满足水处理工艺要求、切合生产运行的实际情况、并为水厂今后的使用、维护及扩展升级考虑，具有高性价比。合理根据工艺设备的技术要求、重要性及使用条件来设定控制框架，避免盲目扩大控制范围，提高系统的实用性和经济性，保证投入资金的有效性。
3、开放性选用符合国际标准的硬件设备和软件平台，便于系统扩展升级。应用软件设计开发要组态方便，相应系统中留有相应的软件接口，使得各类数据得到很好的共享。做到总体规划，统一标准，系统开放、信息共享。
4、可靠性充分考虑系统的抗干扰和防雷问题，提高系统可靠性；考虑系统的网络安全性，使得系统具有一定的抗入侵能力。
四、自控改造对水处理工艺的改进
要充分实现自控系统对地表水供水厂全过程、全覆盖的优化运行控制，除具备生产处理流程各环节工艺参数、运行状态显示、故障报警的基础功能外，必须按照水处理工艺环节逐一完善生产自动化的控制手段，满足多方面的需求。主要体现在：
加药工艺：根据水源水质和混凝实验结果确定药剂投加量和投加方式，确定设备运行状况和实时投加量。
加氯工艺：以合理控制限值为参考依据，并根据水量、PH值等参数，实现自动闭环控制方式。氯剂泄露情况下的中和回收装置、排放装置保持自动状态。
沉淀工艺：根据水质状况控制排泥周期和时间，确定排泥设备运行状况。
过滤工艺：根据滤池运行时间、压差值、滤后浊度确定反冲洗周期及时间，控制滤池滤速、运行水位、冲洗强度。
污水处理工艺：根据污水池液位、污泥浓度和流量，确定设备运行状况。
加压出水工艺：根据清水池水位、出口压力和流量，确定设备运行状况。
自动调流切换装置：控制滤池反冲洗水泵、鼓风机，加氯互为备用的氯瓶、出水泵房的供水机组等按照运行参数设定实现自动切换。
模拟量超限设置：各水处理工艺环节控制浊度、余氯值、PH值、水量突变、压力变化、电机温度等。
对上述生产工艺的自控功能是在积累了大量运行数据的基础上，根据给定的条件，经过量化的处理分析和计算来实现自动控制。
五、改造过程中的几点注意事项
原有落伍自控系统改造不同于新建项目，在安装调试过程中不可避免地受到现有条件限制，既要利用原有基础设施，又不能因改造影响水厂正常生产运行，这就要求在改造实施前，周密安排、落实好各项准备工作及应对突发故障的紧急措施。主要包括以下几方面：
1、自控改造应遵循先易后难、各个突破的原则，切忌全面开花、同时开工，以避免当水厂工艺环节遇到故障时，新、老系统无法正常衔接从而给故障的恢复造成人为困难。
2、原有各工艺环节控制分站的控制程序在新自控系统尚不能完全独立正常工作之前，要做好保管备份以便于在改进过程中随时进行比对完善；新自控系统中，重要单元子站也应考虑冗余配置。
3、新升级改造自控系统应采用双回路电源供电，做好接地保护，不要与原有用电设施的使用产生冲突，还要设置UPS电源，防止因突发停电而损失系统重要文件。
4、自控系统线路在改造铺设时要注意避免受到机械损伤，尽可能远离有腐蚀性物质排放、潮湿以及有强磁场和强静电场干扰的区域，当无法避免时应采取防护或屏蔽措施。
参考文献：
【1】《现代化净水厂技术手册》中国建筑工业出版社 （2013年版）
【2】《净水厂技术改造实施指南》中国建筑工业出版社（2009年版）
【3】《城镇供水厂运行维护及安全技术规程》中国计划出版社（1994年版）