唐家水厂自控系统的设计特点

田建辉
(珠海市供水总公司，广东珠海519020)

　 摘 要：介绍了唐家水厂自控系统的设计思路及配置特点，对水厂过 程控制系统、调速系统、无常规手动系统的构成进行了分析，并介绍了提高水厂自控系统 智能性、实用性的实践经验。
　　关键词：水厂自控；PLC网络；过程控制；手动控制
　　中图分类号：TU991.56
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2001)02-0040-03

　　珠海市供水总公司属下唐家水厂的自控系统由公司设备科自行开发设计，其功能定位如下：
　　①值班员在中控室通过电脑监控水厂主要设备和工艺、水质参数，并进行数据管理。
　　②配水、加药、滤池恒水位过滤及反冲洗等过程均自动进行，值班员在中控室也可进行干预操作。
　　由于设计组同时承担了水厂的电气设计及机电设备选型任务，因此充分考虑了自控系统 、配电系统及机电设备的相互配合衔接，使其合理结合且不重复。在设计过程中，既借鉴了国内外先进水厂的成功经验，又充分考虑了本水厂的特殊情况，并将多年的运行管理经验融合于自控系统设计中，力求使系统具有先进性和实用性。

　　1 系统组成

　　根据上述功能定位，选取了现场PLC+中控楼的计算机组成网络控制系统。PLC采用A-B公司产品，系统按加药、过滤及变配电功能设置了3个PLC站，送水泵房的4套送水泵组各采用1台小型PLC进行监控。这样，共9台设备(7台PLC加上中控楼的2台计算机)挂在DH+网络构成同级通讯链网。
　　目前对于滤池控制比较流行的做法是设置一个主从网络，每格滤池用1台小型PLC控制并构成低层网络由滤池工作站主机管理，主机作为低层网络的上位机并管理滤池的公共设备。唐家水厂没有采用上述配置是基于以下原因：
　　①滤池的恒水位控制没有采用出水阀，而是采用了虹吸钟罩装置，它是一种机械控制装置，无需PLC干预，这就大大减轻了PLC的负担，也消除了过于集中控制的危险性。
　　②滤池管廊全部采用气动蝶阀，控制极其简单，且占用的PLC输入、输出点数较少，用一个按钮并且联在PLC的输出触点上便可进行阀门的手动控制，同时不存在电动阀的过力矩或烧马达等问题。
　　③风机、反冲洗水泵及气源系统之所以没有考虑常规手动控制是因为这些设备每天运行时间较少，即使PLC损坏也有足够的时间修复。
　　因此，滤站的PLC负担较轻，也不会因为PLC的损坏而影响运行，故设1台PLC已足够。
　　送水泵房是自控的重点，除采用4台小型PLC负责水泵的控制外，另设1台PLC负责配电系统(10 kV)的监控，保护采用分立继电器。由于泵组的一步化启停、冷却水、抽真空系统、液控阀等所有控制功能都由PLC实行，故取消了其他继电—接触控制系统。当然PLC的故障将 导致停水事故，然而设计时考虑到PLC的可靠性及自诊断系统使其故障率较小，且检修的时间也较短，只需一定的备品便可放心使用，无需采用多重控制系统。唐家水厂最大限度地取消了常规的继电控制系统和仪表调节系统，即便是现场手动功能 也是通过PLC来完成，这对完成自动与手动功能的切换或在手动状态下诊断被控对象的故障十分有利。常规的继电控制系统若要实现远程监视，必须有大量的信号送到中控室，这使控制系统庞大复杂。唐家水厂由于配备了1台PLC管理配电系统而取消了传统的中央信号系统，PLC将采集到的信号送回中控室计算机，启动多媒体功能形成真正的声光报警，并且同时完成打印和记录。
　　加药部分采用1台PLC管理，控制加矾、加氯、加石灰、进水量、机械搅拌、排泥等，这样的功能划分主要是基于地理位置的关系，即就近控制、跨站联锁。加药控制方案的选定直接影响被控设备的成本，如采用10 kg/h挂墙式加氯机，其附带的复合环控制器的成本占加氯机总成本的一半，且其控制自成体系，中控楼的干预控制较难实现。若采用PLC控制加药，复合环控制器便可省去，且操作更加简单、方便。

　　2 调速系统

　　唐家水厂调速系统是技改项目，水厂刚建成时，供水量较小且昼夜变化较大，故富余扬程较大且水泵工作点严重偏离高效区，而采用调速系统则克服了上述缺点。由于采用了网络控制且取消了常规的继电器控制，因此改造进行得非常顺利，只需将一次线路作一些改动，二次控制改动的工程量微乎其微。在选用变频器时，购买了能与PLC通讯的产品(带DEVICENET接口)，因此只需在变频器和PLC之间连接一对通讯线便可在中控室完成对变频器的任何操作，PLC也可通过预定程序调节电机转速，从而进行出厂水压的闭环控制。

　　3 系统的智能性

　　自控系统的实用性实际上要求系统有较高的智能度或容错能力。开发大型的专家系统是比较困难的，但可以将平常的运行经验加入控制程序中，即加入若干个智能点。譬如可以通过出口压力信号或电机电流判断反冲洗水泵是否出水(因离心水泵空转时的电流比正常运转时的电流小得多)；又如当程控打开某滤池的排水阀时，其全开行程开关未动作，但此时滤池水位突然下降，由此判断排水阀已打开而不必终止程序执行。这些智能点的加入使系统的适应能力大大提高，PLC通过分析有限的信号量可以发现被控设备的故障。再譬如，可以通过计算液控蝶阀前后补油的时间间隙来判断其是否漏油，这种将运行人员经验化为智能控制的方法是传统继电控制或单回路调节仪表所无法比拟的。

　　4 过程控制及远程手动操作

　　水厂过程控制(如对加氯、加矾、恒水位控制等)具有惯性大、纯滞后时间长等特点。理论证明，对于具有Ke^-τ/(1+T₁)(1+T₂S)特性的控制对象，PID是一种最优控制，但当其纯滞后时间τ大于数分钟时，采用PID控制的效果不佳。对于加药系统来说，纯滞后时间由其投加点及采样点的距离决定。作为一个特例，滤后水加氯较为复杂，为了达到自动控制的目的，要求氯气经充分混合后立即检查余氯值作为复合环控制的反馈信号。但有的工艺设计将混合接触时间定得太长，尤其在建厂初期因制水量远小于额定产量，水流速度慢，造成混合接触的时间更长，对控制系统来说，即意味着纯滞后时间的延长。在这种情况下，滤后水加氯即便采用复合环控制，效果也不太理想。唐家水厂的滤 后加氯采用了采样PID控制，通过控制其采样周期来补偿系统的纯滞后时间，效果很好，真正做到了自动投加。当然也可以利用PLC所提供的PID指令构成串级控制系统，其目的都是为了克服或补偿系统纯滞后时间太长对控制带来的影响。
对于惯性大、纯滞后时间长的系统采用手动控制是很有效的，一个熟练的操作工人并不需要频繁的操作就能将余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通过网络进行手动操作，则该方式至少可以作为自动控制的一种后备或补充，使系统更加可靠、实用。这里的关键问题是怎样实现两种控制方式的方便切换。譬如，对于采用SCD仪控制加矾的投加系统，一般都采用仪表本身自带的复合环PID控制器进行控制(如图1a)，中控室电脑只能对控制系统的参数进行监视而无法参与控制，切换到手动方式时，必须到现场进行操作。最好的方式是直接利用PLC提供的PID指令进行控制(如图1b)，这样一方面可取消仪表的PID控制器，大大节约了费用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地实现自动和手动控制的无扰动切换，利用中控室电脑的图形界面，值班工人可以很方便地执行这些操作。

　　5 功能扩展及联网

　　对水厂而言，如果只是本地扩展，采用PLC网络就能提供足够的范围和容量，但涉及远程监控时，需要综合考虑各种因素，选择一个较好的方案。考虑到珠海市供水总公司已建立了一个局域网，为实现与该局域网交换数据，采取了一个简单、低成本的方法，即通过挂在局域网的电脑实现和远方PLC对点的通讯。该PLC预先收集控制网络的所有信息，通讯采用无线频道，在线采集的数据存放在指定格式的数据库里。与采用现成的基于Internet的方案(一般的大型工程控制软件都有类似的软件包)相比较，上述方案成本低，软件开发的工作量小，数据刷新的速度快。
　　唐家水厂的自控系统通过近两年的运行，证明了该系统实用可靠，完全达到了预定的功能和目标。

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收稿日期：2000-08-10