中小型水厂自动化技术改造初探

摘要：介绍了一种针对中小型水厂的由上位机、可编程控制器、变频器及相应传感器、执行机构组成的微机集散控制系统。数年运行证明，该系统工作可靠、性能齐全，为同类水厂技术改造提供了一种投资小、见效快的案例。

关键词：中小型水厂 自动化 改造

automation of waterworks of small capacity

abstract：a microcomputer based cybernetic control system developed for medium and small waterworks and composed of host processor, plc, frequency converter and responsible 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，我国北方大部分中小型水厂均采用两级泵站的管理模式，即：由深井泵组成一级泵站采取地下水至水厂蓄水池进行水处理；而后，由二级加压泵站向用户管网供水。控制方式一般为人工控制的继接方式，自动化水平低，水、电资源浪费严重，设备事故隐患多、管理困难。我们为某县自来水厂开发了一套由上位机、可编程控制器(plc)、变频器、相应传感器及执行机构组成的水厂微机集散控制系统，该系统已连续运转三年，性能稳定可靠，提供了一种针对中小型水厂的，以节能降耗、提高自动化水平为主要目的的技术改造方案。

1　系统的主要功能

该水厂的基本情况为：一级泵站包括5口深井，每口深井配备22kw多级潜水泵1台，共同向一蓄水能力为2 000m3的蓄水池蓄水；加压泵组为5台45kw dl型立式泵，向管网加压供水。对控制系统的设计要求是：对水厂的设备运行及生产状况进行自动化控制和管理。该控制系统的基本功能如下：

(1)保证用户管网供水压力恒定。操作人员设定管网压力后，系统根据设定值和压力传感器采取的管网实际压力信号，采用1台调速泵配合1～4台恒速泵的运行模式，自动调整加压泵站中恒速泵的启动台数和调速泵的转速，在较高的精度范围内保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下最大限度地节省电能。同时，减少了由于无谓磨损、频繁启停等原因对水泵造成的损害；以及用水低峰时，由于管网压力过高造成跑、冒事故，浪费宝贵的水资源。

(2)蓄水池水位自动控制。由于用户用水量的变化较大且具有随机性，而水厂对蓄水池内水位控制的精度要求较高。故在水位控制系统的设计中，采用模糊算法在保证蓄水池水位维持在标准范围内的前提下，合理安排潜水泵的启动台数，避免潜水泵的频繁启停及无效运转。

(3)自动倒泵功能。为防止某台水泵长期不运转发生锈蚀，由plc控制4台水泵定期轮换作为变量泵运转，即自动倒泵功能。

(4)防水锤电器互锁功能。由于管网压力较高，为防止水锤对水泵的冲击，在每台加压泵的出水口处安装电动蝶阀，由plc按照先开泵后开阀、先关阀后关泵的模式进行控制，有效地防止了水锤的危害。

(5)直观的图形显示及寻检功能。上位机采用14寸彩显，以动画图形及中文方式显示水池液位、管网压力、水泵及阀门运行状态、生产状况、耗电量、产水量、设备状况等信息。

(6)生产管理功能。上位机随时检测并记录水厂各台水泵的出水量及运转状态，以班次为单位生成生产报表，自动统计出水量及耗电量，并存入指定单元。

(7)报警及保护功能。当发生电气、液位、机械等故障时系统进行声、光报警，并采取相应措施。上位机故障时，plc及变频器可以组成独立控制系统进行工作；若整个上、下位自动系统均发生故障，现场控制柜具有手动功能，以保证向用户供水的不间断。

2　控制系统硬件结构(见图1)

图1　系统硬件结构

(1)上位机：水厂需24h连续运转，现场干扰源多、环境恶劣。因此，上位机选用了具有较高可靠性、较强抗干扰能力的研华(advantech)ipc-610/486型工业用微机。上位机与plc之间采用rs232标准串行口进行通讯，传输速率9 600b/s，11位数据格式，数据长度7位，1位校验位，启动1位，停止2位。另选研华10位a/d采集卡，采集蓄水池水位信号和加压泵组出水流量信号，对水位信号运用模糊算法进行计算后，给出控制信息由plc控制潜水泵的启动台数。当水位过低时，认为发生故障，停止一、二次泵组的运行并声光报警。上位机为720m硬盘、8m内存，可以同时处理大量数据且历史记录较长。

(2)主控单元：主控单元选用日本立石公司的c60p型可编程序控制器作为主控单元，它具有40路开关量的输入、20路开关量的输出，可扩展模入、模出模块，并有rs-232标准串口。c60p为积木式结构，系统构成及扩展方便，抗干扰性能好，作为现场主控部件较理想。由它完成自动倒泵、防水锤互锁、变频器逻辑控制等逻辑控制功能。

(3)管网恒压调控系统：调速泵的调节由富士g-45变频器来完成，由压力传感器采取用户管网的压力信号(4ma～20ma)送至自制的调节板上，与给定信号比较后送至日产rkc调节器中，经pid运算后产生调节信号送至变频器，控制变频器的输出频率，调节水泵转速。变频器本身对应其输出频率有0～5v(dc)信号输出，将其引回调节板，由系统对输出频率进行检测，若变频器的输出大于49hz一定时间后，管网压力仍达不到要求，延时确定后，plc按照一定规则逐个以自耦减压方式启动恒速泵，直至管网压力恒定。若变频器输出频率小于23hz一定时间后，管网压力仍超过给定值，则依次关闭恒速泵，配合调整调速泵直至压力稳定。

(4)自耦减压启动柜：恒速泵及潜水泵均采用自耦减压启动方式，有效地减小了电动机启动时对电网的冲击。

(5)传感器及执行机构：管网压力信号的采取利用最大量程为1.0mpa的远传压力表，以方便在采样点观察压力信号；流量信号的采取利用涡街流量计；水位信号的采取利用压力式水位传感器；利用电动蝶阀作为执行机构来控制加压泵的出水口状态。

3　系统的软件

系统软件主要包括上位机管理程序、plc控制与监测程序以及它们之间的通讯程序。

(1)上位机的管理程序主要完成设备运行状况的图形显示监测、生产状况的数据库管理、检测数据的处理、菜单处理以及报警等功能。采用c语言结合汇编编程，充分利用c语言结构化强、简洁和运行速度快等优点，同时也提高了程序的可读性、可靠性及可移植性。软件设计采用模块化结构，人机界面为图形形式，菜单驱动，全部中文显示与提示非常友好。系统主要功能模块包括：使用说明、水厂控制系统功能介绍、生产状况监测及管理、水位系统的运行状态控制等。采用查询方式完成与plc的通讯及检测数据的处理；将管网压力、流量、液位、各水泵运行状态及各处阀门开启状态等信息以图形及数据的方式显示于显示器上；如有报警信号则显示相应图形，同时进行声光报警。监测的出水量、耗电量等信号可长期保存于存储器中，随时作为资料查询。

(2)蓄水池分为沉淀池和出水池两部分，深井水首先在沉淀池沉淀泥沙、消毒处理，而后，经过滤到达清水池。因此，水位控制功能要求较高，正常状态下，1～2台潜水泵长期运转，其余根据用水量的大小自动切换。为保证水的正常供应并防止潜水泵的频繁启停，在水位控制中采用了模糊算法。将水位高度分为七级，将水位的变化率也分为七级，将潜水泵的开启台数分为5档，形成了一个二维矩阵数组，由计算机运算后确定应开启的深井泵台数。经反复试验后，确定了数组中各参数的值，经实际使用，获得了较好的运行效果。

(3)可编程控制器作为主控单元，几乎所有的现场逻辑控制均与其有关。它的控制程序具有较强的逻辑性要求。一般来说变频器严禁付边加装接触器，但是为了节省投资、实现4台恒速泵轮流作为调速泵，必须在变频器的付边装接触器(电路原理图如图2所示)。为防止在电动机高速运转时，当变频器的原边未切断电源或刚刚切断电源，付边接触器断开，电动机定子线圈放电造成高电压，损坏变频器的输出功率模块，在plc的程序设计中必须考虑到较复杂的互锁及时间控制关系，即plc计算倒泵时间到后，首先按照阀、泵互锁关系关闭拟转入变量运行的定量泵；接着关闭原变量泵，此时变频器输出频率先降至零，而后切断变频器原边接触器，延时几秒后，切断其付边接触器。而后，将变频器输出与待转入变量运行的水泵接通，几秒后按照阀、泵开启的顺序依次接通变频器的电源，启动水泵并打开水阀；同时，原调速泵转为恒速泵使用，这样做保证4台加压泵的运转时间相近，避免某台泵长时间不运转发生锈蚀等故障。

图2　电路原理图

(4)上位机与plc之间的通讯借助标准rs-232口来完成。可以由上位机完成给定倒泵的间隔时间、设定管网的压力等工作。同时，下位系统定时将恒速泵的开启台数、调速泵的运行状态(频率、转速、消耗功率等)、管网压力等信息报上位机进行处理和显示。

4　结束语

中小型自来水厂的自动化技术改造有着广泛的前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。本控制系统将上位机、plc、变频器、相应传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，软件设计合理，系统调试较方便；且系统各级之间可独立运行，保证了水厂的不间断生产。实践证明，本系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体管理水平，而且仅节电一项就为水厂创造了巨大的经济效益。