田建輝
(珠海市供水總公司，廣東珠海519020)

　 摘 要：介紹了唐家水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及配置特點(diǎn)，對水廠過 程控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、無常規(guī)手動系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，并介紹了提高水廠自控系統(tǒng) 智能性、實(shí)用性的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
　　關(guān)鍵詞：水廠自控；PLC網(wǎng)絡(luò)；過程控制；手動控制
　　中圖分類號：TU991.56
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2001)02-0040-03

　　珠海市供水總公司屬下唐家水廠的自控系統(tǒng)由公司設(shè)備科自行開發(fā)設(shè)計(jì)，其功能定位如下：
　　①值班員在中控室通過電腦監(jiān)控水廠主要設(shè)備和工藝、水質(zhì)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。
　　②配水、加藥、濾池恒水位過濾及反沖洗等過程均自動進(jìn)行，值班員在中控室也可進(jìn)行干預(yù)操作。
　　由于設(shè)計(jì)組同時(shí)承擔(dān)了水廠的電氣設(shè)計(jì)及機(jī)電設(shè)備選型任務(wù)，因此充分考慮了自控系統(tǒng) 、配電系統(tǒng)及機(jī)電設(shè)備的相互配合銜接，使其合理結(jié)合且不重復(fù)。在設(shè)計(jì)過程中，既借鑒了國內(nèi)外先進(jìn)水廠的成功經(jīng)驗(yàn)，又充分考慮了本水廠的特殊情況，并將多年的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)融合于自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，力求使系統(tǒng)具有先進(jìn)性和實(shí)用性。

　　1 系統(tǒng)組成

　　根據(jù)上述功能定位，選取了現(xiàn)場PLC+中控樓的計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。PLC采用A-B公司產(chǎn)品，系統(tǒng)按加藥、過濾及變配電功能設(shè)置了3個(gè)PLC站，送水泵房的4套送水泵組各采用1臺小型PLC進(jìn)行監(jiān)控。這樣，共9臺設(shè)備(7臺PLC加上中控樓的2臺計(jì)算機(jī))掛在DH+網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成同級通訊鏈網(wǎng)。
　　目前對于濾池控制比較流行的做法是設(shè)置一個(gè)主從網(wǎng)絡(luò)，每格濾池用1臺小型PLC控制并構(gòu)成低層網(wǎng)絡(luò)由濾池工作站主機(jī)管理，主機(jī)作為低層網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)并管理濾池的公共設(shè)備。唐家水廠沒有采用上述配置是基于以下原因：
　　①濾池的恒水位控制沒有采用出水閥，而是采用了虹吸鐘罩裝置，它是一種機(jī)械控制裝置，無需PLC干預(yù)，這就大大減輕了PLC的負(fù)擔(dān)，也消除了過于集中控制的危險(xiǎn)性。
　　②濾池管廊全部采用氣動蝶閥，控制極其簡單，且占用的PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較少，用一個(gè)按鈕并且聯(lián)在PLC的輸出觸點(diǎn)上便可進(jìn)行閥門的手動控制，同時(shí)不存在電動閥的過力矩或燒馬達(dá)等問題。
　　③風(fēng)機(jī)、反沖洗水泵及氣源系統(tǒng)之所以沒有考慮常規(guī)手動控制是因?yàn)檫@些設(shè)備每天運(yùn)行時(shí)間較少，即使PLC損壞也有足夠的時(shí)間修復(fù)。
　　因此，濾站的PLC負(fù)擔(dān)較輕，也不會因?yàn)镻LC的損壞而影響運(yùn)行，故設(shè)1臺PLC已足夠。
　　送水泵房是自控的重點(diǎn)，除采用4臺小型PLC負(fù)責(zé)水泵的控制外，另設(shè)1臺PLC負(fù)責(zé)配電系統(tǒng)(10 kV)的監(jiān)控，保護(hù)采用分立繼電器。由于泵組的一步化啟停、冷卻水、抽真空系統(tǒng)、液控閥等所有控制功能都由PLC實(shí)行，故取消了其他繼電—接觸控制系統(tǒng)。當(dāng)然PLC的故障將 導(dǎo)致停水事故，然而設(shè)計(jì)時(shí)考慮到PLC的可靠性及自診斷系統(tǒng)使其故障率較小，且檢修的時(shí)間也較短，只需一定的備品便可放心使用，無需采用多重控制系統(tǒng)。唐家水廠最大限度地取消了常規(guī)的繼電控制系統(tǒng)和儀表調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即便是現(xiàn)場手動功能 也是通過PLC來完成，這對完成自動與手動功能的切換或在手動狀態(tài)下診斷被控對象的故障十分有利。常規(guī)的繼電控制系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，必須有大量的信號送到中控室，這使控制系統(tǒng)龐大復(fù)雜。唐家水廠由于配備了1臺PLC管理配電系統(tǒng)而取消了傳統(tǒng)的中央信號系統(tǒng)，PLC將采集到的信號送回中控室計(jì)算機(jī)，啟動多媒體功能形成真正的聲光報(bào)警，并且同時(shí)完成打印和記錄。
　　加藥部分采用1臺PLC管理，控制加礬、加氯、加石灰、進(jìn)水量、機(jī)械攪拌、排泥等，這樣的功能劃分主要是基于地理位置的關(guān)系，即就近控制、跨站聯(lián)鎖。加藥控制方案的選定直接影響被控設(shè)備的成本，如采用10 kg/h掛墻式加氯機(jī)，其附帶的復(fù)合環(huán)控制器的成本占加氯機(jī)總成本的一半，且其控制自成體系，中控樓的干預(yù)控制較難實(shí)現(xiàn)。若采用PLC控制加藥，復(fù)合環(huán)控制器便可省去，且操作更加簡單、方便。

　　2 調(diào)速系統(tǒng)

　　唐家水廠調(diào)速系統(tǒng)是技改項(xiàng)目，水廠剛建成時(shí)，供水量較小且晝夜變化較大，故富余揚(yáng)程較大且水泵工作點(diǎn)嚴(yán)重偏離高效區(qū)，而采用調(diào)速系統(tǒng)則克服了上述缺點(diǎn)。由于采用了網(wǎng)絡(luò)控制且取消了常規(guī)的繼電器控制，因此改造進(jìn)行得非常順利，只需將一次線路作一些改動，二次控制改動的工程量微乎其微。在選用變頻器時(shí)，購買了能與PLC通訊的產(chǎn)品(帶DEVICENET接口)，因此只需在變頻器和PLC之間連接一對通訊線便可在中控室完成對變頻器的任何操作，PLC也可通過預(yù)定程序調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)行出廠水壓的閉環(huán)控制。

　　3 系統(tǒng)的智能性

　　自控系統(tǒng)的實(shí)用性實(shí)際上要求系統(tǒng)有較高的智能度或容錯(cuò)能力。開發(fā)大型的專家系統(tǒng)是比較困難的，但可以將平常的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加入控制程序中，即加入若干個(gè)智能點(diǎn)。譬如可以通過出口壓力信號或電機(jī)電流判斷反沖洗水泵是否出水(因離心水泵空轉(zhuǎn)時(shí)的電流比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流小得多)；又如當(dāng)程控打開某濾池的排水閥時(shí)，其全開行程開關(guān)未動作，但此時(shí)濾池水位突然下降，由此判斷排水閥已打開而不必終止程序執(zhí)行。這些智能點(diǎn)的加入使系統(tǒng)的適應(yīng)能力大大提高，PLC通過分析有限的信號量可以發(fā)現(xiàn)被控設(shè)備的故障。再譬如，可以通過計(jì)算液控蝶閥前后補(bǔ)油的時(shí)間間隙來判斷其是否漏油，這種將運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)化為智能控制的方法是傳統(tǒng)繼電控制或單回路調(diào)節(jié)儀表所無法比擬的。

　　4 過程控制及遠(yuǎn)程手動操作

　　水廠過程控制(如對加氯、加礬、恒水位控制等)具有慣性大、純滯后時(shí)間長等特點(diǎn)。理論證明，對于具有Ke^-τ/(1+T₁)(1+T₂S)特性的控制對象，PID是一種最優(yōu)控制，但當(dāng)其純滯后時(shí)間τ大于數(shù)分鐘時(shí)，采用PID控制的效果不佳。對于加藥系統(tǒng)來說，純滯后時(shí)間由其投加點(diǎn)及采樣點(diǎn)的距離決定。作為一個(gè)特例，濾后水加氯較為復(fù)雜，為了達(dá)到自動控制的目的，要求氯氣經(jīng)充分混合后立即檢查余氯值作為復(fù)合環(huán)控制的反饋信號。但有的工藝設(shè)計(jì)將混合接觸時(shí)間定得太長，尤其在建廠初期因制水量遠(yuǎn)小于額定產(chǎn)量，水流速度慢，造成混合接觸的時(shí)間更長，對控制系統(tǒng)來說，即意味著純滯后時(shí)間的延長。在這種情況下，濾后水加氯即便采用復(fù)合環(huán)控制，效果也不太理想。唐家水廠的濾 后加氯采用了采樣PID控制，通過控制其采樣周期來補(bǔ)償系統(tǒng)的純滯后時(shí)間，效果很好，真正做到了自動投加。當(dāng)然也可以利用PLC所提供的PID指令構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，其目的都是為了克服或補(bǔ)償系統(tǒng)純滯后時(shí)間太長對控制帶來的影響。
對于慣性大、純滯后時(shí)間長的系統(tǒng)采用手動控制是很有效的，一個(gè)熟練的操作工人并不需要頻繁的操作就能將余氯、清水池水位等控制得很好。如果中控室有人值班并可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手動操作，則該方式至少可以作為自動控制的一種后備或補(bǔ)充，使系統(tǒng)更加可靠、實(shí)用。這里的關(guān)鍵問題是怎樣實(shí)現(xiàn)兩種控制方式的方便切換。譬如，對于采用SCD儀控制加礬的投加系統(tǒng)，一般都采用儀表本身自帶的復(fù)合環(huán)PID控制器進(jìn)行控制(如圖1a)，中控室電腦只能對控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視而無法參與控制，切換到手動方式時(shí)，必須到現(xiàn)場進(jìn)行操作。最好的方式是直接利用PLC提供的PID指令進(jìn)行控制(如圖1b)，這樣一方面可取消儀表的PID控制器，大大節(jié)約了費(fèi)用；另一方面，利用PLC的功能指令，能方便地實(shí)現(xiàn)自動和手動控制的無擾動切換，利用中控室電腦的圖形界面，值班工人可以很方便地執(zhí)行這些操作。

　　5 功能擴(kuò)展及聯(lián)網(wǎng)

　　對水廠而言，如果只是本地?cái)U(kuò)展，采用PLC網(wǎng)絡(luò)就能提供足夠的范圍和容量，但涉及遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，需要綜合考慮各種因素，選擇一個(gè)較好的方案。考慮到珠海市供水總公司已建立了一個(gè)局域網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)與該局域網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，采取了一個(gè)簡單、低成本的方法，即通過掛在局域網(wǎng)的電腦實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)方PLC對點(diǎn)的通訊。該P(yáng)LC預(yù)先收集控制網(wǎng)絡(luò)的所有信息，通訊采用無線頻道，在線采集的數(shù)據(jù)存放在指定格式的數(shù)據(jù)庫里。與采用現(xiàn)成的基于Internet的方案(一般的大型工程控制軟件都有類似的軟件包)相比較，上述方案成本低，軟件開發(fā)的工作量小，數(shù)據(jù)刷新的速度快。
　　唐家水廠的自控系統(tǒng)通過近兩年的運(yùn)行，證明了該系統(tǒng)實(shí)用可靠，完全達(dá)到了預(yù)定的功能和目標(biāo)。

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收稿日期：2000-08-10