DCS系统在水厂滤池自动控制中的应用及优化

【关键词】分布式控制系统（DCS）;V 型滤池；PID 控制

1 工艺概况

玉清水厂是济南供水集团新建的一座现代化地表水厂，由上海市政设计院设计，日供水能力 40 万吨，于2001 年7月投产运行，目前担负着济南市1/3 的供水任务。 水厂的原水取自玉清湖水库，水厂采用混凝、沉淀、过滤、消毒等常规工艺处理。 水厂的配电、自控 、仪表 、机组、阀门等均采用进口设备 ，工作性能稳定，可靠性较高。

水厂工艺流程如下：

原水通过浑水配水井后进入4 座平流沉淀池， 经136 分钟的絮凝 、沉淀后，进入 2 组（每组包括 10 格）V 型滤池进行过滤，滤后水经加氯消毒后，进入清水池，之后经输水泵房进入市区管网。水厂滤池采用V 型均质滤料滤池，滤料厚度 1.2 米，采用恒水位等速过滤，运行水位1.3 米，设计控制调节幅度0.05 米。 过滤周期为48 小时。反冲洗系统设计两台 75 千瓦反冲水泵和两台132 千瓦鼓风机， 反冲时先进行气冲3-4 分钟，气冲强度为15 升/秒•平方米，再经过气水混冲，约10-15 分钟，最后单水冲3-4 分钟，强度为4.2 升/秒•平方米，同时加入浑水表面扫洗，强度为2.2 升/秒•平方米。 滤池阀门均采用气动阀门，反冲洗系统采用电动阀门，动作可靠，调节方便，使用效果较好。

2 滤池控制系统介绍

为了更好地实现对水厂滤池的自动控制， 设计中采用了ABB 的DCS 控制系统，并由ABB 公司专业人员设计施工。滤池控制系统上位图形软件采用澳大利亚CIT 公司的Citect 系统。 该系统是专业软件，能够提供更加方便的人机界面。 在滤池控制系统中，采用2 台微机分别控制 2 组滤池，两台微机可相互调用、修改各类控制参数。水厂各控制子站通过以太网互相通讯，在中心控制室配置两台服务器，调度人员可通过服务器对全厂设备进行操作和监控。操作人员对各工序设备可根据生产需要选择控制方式和修改控制参数。

每格滤池均配置一台单独的控制器和通讯模块，每一个现场参数配相应的控制模块，并支持热插拔。 如果某一模块损坏，可直接进行更换，并不影响其它滤格的运行，使得其维护更为简便。此类型控制模块能够以50 毫秒的周期及时扫描数据，控制器单独运算，保证了控制系统的及时性要求。水位控制采用PID 自动调节。因为滤池水位控制中 ，水位的变化较为滞后 ， 普通控制方式会使清水阀门动作变化较大，使单格滤池滤后水量变化频繁，从而影响滤后水水质，因此采用PID 控制方式较好地解决了这类问题。 工程人员可灵活调节 PID 的参数，以适应清水阀门长期使用后阀门控制器参数的变化，从而保证了滤池恒水位等速过滤的要求 。滤池运行中可人工选择手动控制或由控制器进行自动控制 ，并可对过滤时间进行累计，运行周期和水头损失由微机显示，反冲过程参数可由操作人员进行修改。

滤池自动反冲过程是控制系统的关键环节，玉清水厂的滤池反冲系统控制配置有6 台控制器，分别控制反冲系统的12 台阀门、2 台水泵和2 台鼓风机。 各滤池的控制器通过 MODBUS 总线与反冲洗控制器通信链接。各滤池根据其设定的过滤周期和水头损失等参数向反冲系统发出反冲申请，由反冲系统对各滤池的申请进行排队，以判断其反冲顺序，并判断反冲系统是否完好，污泥池水位是否允许反冲等条件，然后发出相应的反冲指令。 滤池接到反冲指令后进入自动反冲状态。 首先关闭进水阀门，之后加强过滤使水位降低到排水位置，打开排水阀门后开启气冲阀门，然后开启一台鼓风机，按照设定时间进行气冲，同时微机显示本格滤池的状态和反冲时间。3-4 分钟后，开启一台反冲水泵，进入气水混冲状态。10-15 分钟后，停鼓风机，之后关闭滤池气冲阀门，并开启进水阀门，滤池进入单水冲和浑水清扫状态。3-4分钟后，滤池关闭水冲阀门，之后停反冲水泵，并开启排气阀门进行排气，1 分钟后滤池关闭排水阀门和排气阀门，开始下一过滤周期。

本厂滤池程序控制步序原理如下：

3 遇到的问题

在整个反冲过程中，反冲系统都将连续反复扫描整个反冲系统设备和滤池各阀门状态。由于水厂配备的鼓风机不允许闭阀运行，如果反冲洗过程中气冲阀门出现任何故障都将导致设备问题， 甚至损坏，因此该软件设计中包括部分保护功能。反冲洗过程当中每一步首先判断各阀门状态，出现任何设备或信号故障，反冲系统将首先停止运行，以防止出现更大的系统故障。同时，反冲中的滤池将根据故障现象分别进入停止或运行状态，微机将显示故障设备，通知操作人员进行人工处理。但是，当反冲洗开始以后，如果阀门出现故障或现场操作台突发故障，则本程序无法及时处理 ，这将导致严重的设备问题，水厂曾多次发生过鼓风机气罐爆裂等现象。

原先滤池水位调节采用人工调节方式，水位变化幅度较大。人工调节属非连续性调节，滤后水流量变化较大，直接造成滤后水浊度在0.4-1.0NTU 之间变化，从而影响了水厂的水质。同时，因为滤池清水阀控制器长期使用后，其参数也会发生相应改变，给人工调节造成困难。

4 解决方法及效果

针对反冲中出现意外设备故障问题， 经过我们多次论证和研究，决定修改滤池的 DCS 控制系统软件。 在每格滤池反冲洗过程当中，每一步都增加了对滤池阀门的状态连续监测，反复扫描其状态是否符合要求，当反冲中的滤池阀门发生意外故障或控制台发生故障时，由控制器首先向反冲洗系统发出故障信号，反冲洗系统控制器则首先停止反冲过程，将所开机组停止运行 ，滤池控制器则发出故障指示，并将本格滤池退出运行，交由人工处理。程序经过修改后，使滤池运行的安全性得到大幅度提高。 自动反冲系统投入运行的当月，发生一次因滤池照明线路意外故障造成滤池操作台突然停电， 此时反冲洗正在进行。在以往，需人工停止反冲系统，往往因不能及时发现问题而造成设备损坏。这次由于控制器首先发出了故障指令，自动停止了反冲过程。经检查，设备没有造成任何损坏，故障修复后滤池立即投入运行，保证了水厂生产的安全性。

针对水位自动调节的方式，水厂采用了可灵活调节参数的PID控制方式，如果清水阀门控制器参数发生变化，只需在微机中由工程人员反复修订控制参数，最终使其自动修正阀门参数的变化，从而保证了滤池恒水位的自动调节。 经优化后使用，现在水厂滤池完全达到自动运行状态，运行中水位的变化小于 0.02 米，出水浊度小于0.3NTU，完全符合生产要求，部分性能优于原设计标准。

5 结束语

随着供水事业的快速发展，自控技术在水厂中的应用越来越广泛。DCS 系统虽然能够满足水厂的自控要求，但是每个水厂都应根据自己的实际情况，制定出符合生产需求的控制方案。 自动化的应用不但能大大降低水厂职工的劳动强度，保证出水水质 ，同时也能提高水厂运行的安全性，避免意外故障对设备造成损坏。