基于 PLC的自来水厂滤池自动控制系统

基于 PLC的自来水厂滤池自动控制系统

毛伟 冯海涛 孙偲

飞马智科信息技术股份有限公司 安徽省马鞍山市 243000

摘要：本文设计出了一套基于西门子1500PLC的硬件和西门子TIA博途软件系统的水厂滤池全自动控制系统。本系统采用PID方式自动控制滤池恒水位过滤，同时也设计了滤池反冲洗系统。本系统在设计上就主控PLC如何更好的与现场滤池系统的6个PLC协调控制滤池的反冲洗和恒水位方案做了优化，达到了预期的控制效果。

关键词：滤池；西门子PLC；反冲洗；恒水位

1.课题研究内容

滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。但是很多滤池在运行一段时间后，就会出现过滤层含泥量增大，在反冲洗强度设计值范围内不能达到预期的反冲洗效果，并且冲洗历时延长，产水量下降，严重阻碍了滤池的正常运行。滤池反冲洗对滤池工作效果影响甚大，若采用较好的反冲洗技术，使滤料层经常处于最优条件下反冲洗，不仅可以节水节能，还能提高出水水质，增大滤料层截污能力，提高滤速，延长过滤周期。

2.滤池系统的工艺结构

V型滤池采用了较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气垫分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。滤池主要分2种工作过程。

（1）过滤过程：

待滤水由进水总渠经进水阀和方孔后，溢过堰口再经侧孔进入被待滤水淹沿的V型槽，分别经槽底均匀的配水孔和V型槽堰进入滤池。被均质滤料滤层过滤的滤后水经长柄滤头流入底部空间，由方孔汇入气水分配管渠，在经管廊中的水封井、出水堰、清水渠流入清水池。

（2）反冲洗过程：

关闭进水阀，但有一部分进水仍从两侧常开的方孔流入滤池，由V型槽一侧流向排水渠一侧，形成表面扫洗。而后开启排水阀将池面水从排水槽中排出直至滤池水面与V型槽顶相平。反冲洗过程常采用“气冲→气水同时反冲→水冲”三步。现将滤池的基本的工艺结构简图绘制如下图1所示。

图1滤池工艺结构的简图

3.滤池系统的PLC自控方案设计

水厂自动化控制设计一般采用多主站加多从站结构，能够较好的满足水厂自动化的监控、保护要求。控制点分布在水厂内不同的位置，采用就近控制原则，在设备集中区分别设置不同的PLC 站对该区域设备进行监控，再通过通讯网络，各PLC 站之间进行数据通讯，实现整个水厂的自动化控制。在控制单元内，PLC 站实现对该单元内设备的自动控制。这样的优点是使控制系统更加可靠，同时由于单元内控制设备、检测仪表就近相连，减少了布线成本。

中央控制室站点：对整个系统进行监控和调度，同时与上层管理系统进行通讯。

滤池控制站点：根据单格滤池数量进行配置，每格滤池一个，对单个滤池设备进行监控，使用一台操作面板机作为上位机。用户可以在操作面板上控制滤池的操作以及监测滤池的运行情况。

由于本设计采用的是恒水位设计，因此保持滤池水位的大致不变是滤池控制器最主要的任务之一，大多数的水厂滤池的液位都是通过滤池调节阀来控制的，典型的闭环控制系统可以根据现场反馈的信息来及时的进行调整处理，从而实现滤池水位的大致不变，以来自液位计的液位信号作为反馈信息，PLC作为控制器，出水调节阀作为执行器形成一个典型的闭环控制系统，其模型可以简化成如下图3所示：

图3滤池液位控制框图

3.1恒水位控制

为了让滤池系统实现恒水位控制，让水稳定在一个设定的范围内，让滤池的进水阀始终保持在开到位状态。而出滤池的水调节阀是由一个PLC模拟量的开口度信号来驱动的，出口阀门会随着水位信号的变化而变化，若水位信号不变的话，出口阀门开口度也不变的。所以，要对滤池的出口调节阀进行PID计算并且要实现实时变化。利用液位的上限及下限作为PID的上下限，在上下限的范围内进行水位与调节阀的PID计算，但是进水阀没有安装流量计，所以每次进水流量都是不同的，所以PLC在恒水位的PID计算上肯定是会存在误差，为了保证滤池恒水位的正常运行，在PID控制的基础上采用双液位控制就能确保滤池系统在水位一定范围内的恒水位控制。

3.2反冲洗控制

在滤池的反冲洗过程中，需要开关一系列的阀门，这就需要控制滤池的现场控制器与反冲洗控制器之间有很好的链接协调的关系，具体阀门的开关过程为：在正常过滤的过程中，进水阀和出水阀应该打开，反冲气阀、反冲水阀和排污阀则应关闭。在反冲洗过程中，进水阀和出水阀应关闭，气冲阀、水冲阀、排污阀打开。具体的阀门开关顺序应为：在滤池控制器得到反冲洗信号后，首先关闭进水阀，并将出水阀开至25%，当液位下降至最低限制液位时，滤池退出正常的过滤过程，进入反冲洗过程，此时，出水阀跟排气阀关闭，打开排水阀，待排水阀信号到位后准备开始反冲洗。反冲洗过程一般包括三个过程：气冲，水冲，汽水同冲。先开反冲洗鼓风机放空阀，再启动鼓风机，然后打开鼓风机出口阀，待鼓风机出口发开到位后，打开气冲阀后关闭鼓风机放空阀，气冲开始。气冲时间设定4分钟。4分钟后气冲时间到，启动选择好的冲洗泵，打开冲洗泵出口阀，冲洗泵出口阀开到位后，打开水冲阀。汽水同冲时间设定6分钟。6分钟后汽水同冲时间到，关闭气冲阀，打开鼓风机放空阀，停止鼓风机，鼓风机出口阀关闭，关闭鼓风机放空阀。放空阀关到位后启动选择好的另一台冲洗泵。打开冲洗泵出口阀，打开进水阀，待进水阀开到位后开始水洗。水洗时间设定6分钟，6分钟后停止所有冲洗泵。关闭排水阀。等液位升到接近设定水位时，关闭进水阀。滤池反冲洗正式结束。

4.总结

本文的设计主要是对滤池恒水位过滤和自动反冲洗环节的控制方案。恒水位系统采用的是PID闭环控制系统。但是当滤池满足了反冲洗的条件时，系统将跳入执行反冲洗程序，在设计反冲洗控制过程时，由于涉及到的设备与传感器较多，所以本文从主从控制器的具体的控制顺序着手，在不影响完成滤池自动反冲洗功能的前提下，对控制的逻辑顺序进行了优化，最终达到了满意的控制效果。

参考文献

[1] 邹金慧.可编程控制器及其系统[M].重庆：重庆大学出版社，2002

[2] 陈宇.可编程控制器基础及编程技巧[M].广州：华南理工大学出版社，1999

[3]周鸣争.微机原理与接口技术[M].成都：电子科技大学出版社，2005.8

作者简介：毛伟（1991-09-06），男，蒙古族，籍贯：内蒙古通辽市，当前职务：技术员，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：自动化