高绢绢

【摘 要】德州市第四水厂一期规模为10万吨/天，生产工艺为常规处理—臭氧+生物活性炭深度处理，生产水质达到了直饮水水质标准，且污泥处理过程采用了先进工艺，保护了生态环境。本文阐述了水厂自控系统的构成，对生产流程中重点环节的自控过程进行了说明，并对组态软件WInCC进行了详细介绍。

【关键词】深度水处理 WinCC PLC

1 项目简介

德州市第四水厂于2014年5月建成通水，第一期规模为10万吨/天。第四水厂是一座现代化水厂，为了满足人们对环境保护和饮用水质量的需求，其工艺流程除取水、加药、平流沉淀、V型滤池、加氯、配送水等常规工艺环节，还增加了臭氧+生物活性炭深度处理工艺以及污泥浓缩处理等控制环节。该水厂对所有工艺环节都实现了自动控制和对系统主要参数的在线监测；污泥浓缩处理系统对滤池反冲洗水进行回收浓缩处理，节约水资源，保护水体不受污染，符合现代化水厂的要求。

2 自控系统构成

目前国内采用的自动控制系统结构，就其形式可划分为SCADA系统、DCS系统、IPC+PLC系统、总线式工业计算机构成的系统[1]。根据德州第四水厂的工艺特点以及主要构筑物的结构，设计采用了由工业计算机（IPC）和可编程序控制器（PLC）组成的IPC+PLC分布控制系统。

系统设置6套PLC-300总站分布于加氯间、臭氧控制间、污泥处理间、加药间、滤站和送水泵房，位于污泥处理间的3#PLC控制总站同时监测平流沉淀池刮泥机的PLC-300子站。每个PLC-300总站都备有3KVA30min不间断电源（UPS）。中心机房设置有上位监控计算机、主服务器和网络交换机，并配有6KVA30min不间断电源（UPS）。控制系统主干网络采用主流100Mb/s的环型光纤工业以太网，每个控制总站配置具有环网管理功能的2光口6电口的100Mb/s工业光纤交换机。在加氯间、臭氧控制间、污泥脱水间、加药间、滤站和送水泵房配有6台HMI_Touch，可供现场人员了解现场数据和全厂概况。

自控系统基于组态软件WinCC开发平台，使用CP5611通讯卡通过PROFIBUS连接西门子S7-300 进行数据通讯，实现数据采集、设备控制、实时曲线显示、历史记录、故障报警等功能，可以在中央监控室对整个生产工艺流程进行实时监控，实现了真正意义上的监控管一体化。

3 生产过程控制要点

3.1 加氯系统

加氯系统采用真空加氯机，采用前加氯结合后加氯的杀菌处理工艺。前加氯系统的投加方式根据进水流量采用比例控制，净水工通过计算机给控制系统设定加氯比例系数，自动控制系统按这个设定比例自动控制加氯机投加氯气，当进水流量变化时，系统会自动调整加氯量，自动保持系统按比例投加氯气。后加氯系统的投加方式采用余氯结合流量闭环反馈控制，净水工通过计算机给控制系统输入出厂水余氯指标系数，例如每立方清水余氯含量要求保持在0.5mg，通过余氯分析仪检测到清水中余氯实际含量后送给自动控制系统进行比较运算，控制后加氯机投加氯气，使出厂清水中余氯含量恒定保持在0.5mg[2]。

3.2 加药系统

净水厂目前使用的净水药剂为聚合氯化铁铝药液，加药控制过程是通过控制计量泵的频率及冲程来控制加药量，加药系统采用针对药基数的PID闭环控制方式。药基数是指在千吨水中需投加药液的量，其值应该根据在原水中投加絮凝剂，经过平流沉淀处理后水的浊度控制在10NTU 以内来标定。滤前浊度过小将造成药剂浪费，相反浊度过大则会加重滤池负荷，导致滤池频繁反冲，浪费水源。系统将该值作为控制过程的目标设定值，通过PID调节算法调节计量泵频率及冲程大小，将实际药基数控制在目标值允许范围以内，保证平流沉淀池出水水质稳定。

3.3 臭氧投加

前预臭氧投加基数为0.5～1.5mg/L，投加过程根据进水流量进行比例控制。主臭氧接触池出水要求余臭氧浓度为0.2～0.4mg/L，后臭氧根据进水量、出水余臭氧采用PID闭环控制臭氧投加量。臭氧发生器是臭氧系统的核心设备，通过控制臭氧发生器的出口调节阀开度来调节出口流量，保证所需的臭氧量等于实际产生量。

3.4 滤站

该站主要监控10格炭滤池和8格砂滤池的过滤、反冲洗过程及相关参数。

3.4.1 滤池过滤

炭滤池和砂滤池采用恒定水位控制原理，滤池的清水阀为无级可调比例阀（开启度为0～100%），根据滤池的液位、水头损失值、清水阀现有开度的反馈信号通过PID闭环控制系统自动调整阀门的开度，从而确保滤池恒水位过滤。

3.4.2 滤池反冲

炭滤池根据水头损失、反冲周期及人工强制3个条件按优先权进行气水两阶段反冲。砂滤池根据水头损失、反冲周期及人工强制3个条件按优先权进行气水三阶段反冲。

滤池反冲洗的3种控制方式有：①强制反冲；②根据水头损失PLC系统自动反冲；③根据过滤时间系统自动反冲。优先原则是：第①种方式最为优先，第②种方式次之，最后为第③种。

3.5 送水泵房

将检测到的出水管网上的压力信号送入PID调节器，经运算后得出一调节参数，送给变频器，变频器通过控制水泵的转速来调节供水量，使供水管网上的压力保持在给定压力范围内；当用水量超过一台泵的供水能力后，通过PLC控制器加泵。根据实际用水量的大小由PLC控制变频器对水泵进行调速及增减水泵数量，实现恒压供水。

3.6 污泥处理

平流沉淀池的排泥水和滤池冲洗水集中到到污泥调节池里等待处理，当系统检测到调节池液位达到设定上限时，开启三台潜水泵将调节池内污水输送至浓缩池，为防止污泥沉积池底同时开启池内搅拌机。PLC控制系统根据进入浓缩池的污泥流量值计算出需要投加絮凝剂PAM的量，自动开启PAM计量泵，通过导泥管与排泥水混合，在机械浓缩机的慢速搅拌过程中，泥水逐渐分离，上清液回收再利用，絮凝泥团沉入池底并被刮泥机集中到池底中央，再通过抽吸泵将泥团抽到储泥池等待处理。

通过送泥泵将储泥池中的浓缩污泥输送至离心脱水机，PLC系统根据送泥量调节PAM投加泵的频率来控制PAM的加入量，污泥与絮凝剂在进入脱水机之前经过混凝器的搅拌形成团絮凝体，经过脱水机的离心作用，快速形成含固量在30%～35%的泥饼，泥饼经烘干后进行掩埋处理。

4 组态软件应用[3]

上位监控系统用WinCC6.0组态软件开发，因为本系统下位机选用的是西门子S7-300系列及编程工具为STEP7，与WinCC同为德国SIEMENS公司研发产品，WinCC本身就提供S7-300的驱动软件，使PLC与上位机的联接非常容易，利于系统的开发设计。

工控组态软件WinCC是一个集成人机界面系统和监控管理系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息归档，以及报表的功能模块。高性能的过程耦合，快速的画面更新以及可靠的数据使其具有高度的实用性。WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案，可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE210和ActiveX控件的对象和文档的链接.

WinCC组态软件包括五个功能模块，即通讯组态、变量组态、控制组态、图形组态和报表组态。整个监控系统所需要完成的功能就是读取计算机内部关于工业现场的实时数据，根据用户的要求，链接组态系统提供的功能模块，最终生成一个针对特定工业现场的、符合用户要求的监控系统，实现对工业现场运行情况的管理控制。

该监控系统人机界面能直观、生动呈现整个水生产过程中的工艺，动画形式多样、直观、逼真，且与各种型号的PLC通讯简单。该中控室监控计算机监控系统完成的功能主要有：

（1）远程控制各PLC现场子站，实时接收PLC采集的各种数据，建立检测参数数据库；处理并显示各种数据。

（2）监测整个生产工艺流程和各细部的动态模拟图形。该系统实现了水厂整体工艺流程、各主要工艺设备运行状态、过程控制及各生产环节生产数据的实时采集与现实。

（3）从检测项目中，按需要显示历史记录和趋势分析曲线。能够了解生产参数的动态情况，便于生产调度管理。

（4）重要设备主要参数的工况及事故报警、打印制表。包括工艺数据报警、设备故障报警、系统故障报警，并根据不同的报警信息提供不同的报警画面。

（5）编制和打印生产日、月、年统计报表。对各种数据进行实时存储。

5 运行结果

德州市第四水厂运行两年来，提高了水质处理的效率和水平，减轻了运行人员的劳动强度，提高了水厂运行的安全和可靠性。使用了基于WinCC组态软件的监控系统具有运行稳定、操作界面直观友好、易于管理和维护等完善的特点，完全实现了预期的功能，生产管理更为科学有效，为水厂的安全运行提供了可靠的保障。

参考文献：

[1]刘增环，张博，吴宏图.高可靠性水厂自动化控制系统[J].自动化仪表，2012，07.

[2]钱莉莉.杨树浦水厂自动化控制系统的设计与应用[J].净水技术，2009，03.

[3]刘华波.组态软件WinCC及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009，07.