基于PLC的水厂滤池

基于PLC的水厂滤池控制
在各中小型水厂水质生产过程中，滤池生产的有效控制是保证水厂出厂水水质优劣及生产效率高低的关键因素。

在传统的滤池生产中，一般依靠人工操作进行生产，滤池正常的过滤时间以及滤池反冲洗各环节的时间和强弱都要依靠现场操作人员的经验进行调节。

由于受到人员素质及经验、环境温度、源水水质变化等各种复杂因素的影响，很难使出厂水水质长期稳定。

因此水厂滤池的自动化控制对于出厂水质优劣尤为
重要。

虹吸滤池是被广泛采用的一种滤池形式，传统上其自动控制方式以水力控制为主，在实际运行中存在一些不足之处，待滤水浪费很大就是一个问题，它表现在：
(1)滤池在反冲洗前的待滤水(池内水深约1.5m)要被排水虹吸排掉；
(2)反冲洗时，要等滤池水位下降至进水虹吸的破坏管露出水面，进水虹吸才能被破坏，这段时间内的
进水也要被排掉；
(3)经常会出现两格或两格以上的滤池同时进行冲洗，造成反冲洗水量不足，使冲洗强度不够，不但浪
费待滤水，而且容易使滤料结板，缩短滤池使用周期；
(4)冲洗时间不好调节，时间控制精度不够，容易造成过冲洗或欠冲洗。

采用机电自动控制系统，上述问题可以得到解决。

本文将对滤池自动控制系统作出简要的介绍。

1滤池基本工艺过程
水厂生产的基本工艺可分为加药、反应、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几个相关过程。

其中过滤过程又可分为正常过滤和滤池反冲洗两个子过程，这两个子过程交替运行，相互之间间隔一定时间(24h)，
图1表示滤池工艺过程简图。

图1 滤池工艺过程
所谓滤池的正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细菌的过程，其主要目的是使滤后水的浑浊度达到国家饮用水的卫生标准。

而滤池的反冲洗，就是先后运行气洗、水洗两种清洗方式去除滤料层中的杂质，是滤池自净的工艺措施。

图2 表示滤池基本工艺结构简图。

图2 滤池工艺结构
滤池的进水利用虹吸原理完成。

真空泵对进水虹吸管抽真空，当真空形成(虹吸管中空气全部排除)后，真空引水器及时准确地发出真空形成信号，进水成功。

从沉淀池来的经初步处理的原水进入滤池，经滤层过滤，从清水管经清水阀门去清水库。

水头损失仪由传感器和数显仪组成，传感器中压力接口与滤前水引管相接，差压接口与滤后清水管相接，不同水位差值得到相应的差压信号，经放大处理后由显示仪显示，即反应滤池实际水头损失值。

过滤层混浊时，相应水位压差增大，当水头损失到一定数值时，关闭清水阀门，滤层即用反冲水箱中的储水反冲。

滤池对反冲时产生的污水排水也是利用虹吸原理完成的，真空泵对排水回路抽真空，真空形成后，污水从排水渠道排出。

滤池反冲至反冲水箱低水位时停止。

根据工艺，滤池PLC控制要求为：距上一次反冲结束6小时(该时间段可根据工艺要求修改)之间不进行反冲：距上一次反冲结束6小时之外到24小时(该时间段亦可修改)之内，如水头损失值达到设定上限值时，启动该滤池反冲；距上次反冲结束24小时，则启动该滤池反冲。

多个滤池轮流反冲，反冲间隔时间控制反冲水箱自动上水至设定高水位在滤池正常下作时间内，系统自动调节清水阀门开启度，以保持滤池液
位在一定高度。

2滤池控制策略
当滤池正常过滤的时候，其工艺要求就是要保持滤池水位的恒定(2m)，以保证滤池有一个稳定的生化环境。

由于进水阀全开，瞬时进水量上下波动比较大，所以就需要通过控制滤后水阀的开启度，以达到滤池水位的恒定。

在如何确定滤后水阀开启度的方法上，传统控制和PLC控制存在相当大的不同。

在传统的控制中，往往依靠操作人员的目测估计水位的高低，进而手动调整滤后水阀的开启度，达到水位的相对平稳，显然这种操作方式受各种因数的影响不能满足自动化和精度的要求；而在PLC自动控制系统中，超声波水位计实时监测水位的变化，并传送回模拟数据，PLC利用专门的PID回路控制(闭环控制)指令，通过PID算法确定出滤后水阀的开启度，再以此控制滤后水阀，使滤池水位保持相对恒定。

关于PID回路控制。

当滤池正常生产一段时间(24h)之后，就需要对滤池进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。

其步骤如下：首先关闭进水阀，全开滤后水阀，将滤池水排空→当滤池水位降为0.8m的时候，关闭滤后水阀，打开排污阀，打开气洗阀，启动鼓风机进行气洗。

维持6min关闭鼓风机，关闭气洗阀，打开水洗阀，对滤池进行水洗。

维持6min关闭水洗阀，并维持系统静止6min关闭排污阀，打开进水阀。

当滤池水位达到1.8m时，打开滤后水阀，并根据滤池水位利用PID算法调节滤后水阀开启度，滤池反冲洗正式结束，滤池正常过滤开
始。

3液位控制
一般的PLC液位控制，是对调节阀采用PID功能块进行PI或P控制，比较方便。

但自来水厂的情况有所不同，其对液位的要求不十分严格，允许存在相对较大的偏差。

因而从节约成本的角度出发，可以不使用调节阀，而采用开关阀作为清水阀来调节液位。

这意味着无法再使用PID功能块的输出来控制阀位，必须人工编写闭环控制程序，程序中通过控制开、关阀门的动作时间来控制阀门位置。

相应的电气要求是阀门开、关无连锁，开、关动作能随开、关命令的中断而中断。

据此设计的控制回路框图见图3。

图3 液位控制说明
来自液位计的AI采样信号作为反馈值与设定值比较，判断是否超出预定范围，若不在预定范围内，再进行液位升降判断，决定阀门是否动作。

当液位低于设定下限且仍在下降时，给出关阀命令，当液位高于设定上限且仍在上升时，给出开阀命令。

其它情况下，阀门不动作。

本框图在具体实现中有两个问题必须解决。

第一，清水阀由全开到全关的动作时间大约为18s，这对于液位升降的速度来说很短。

如果没有任何措施，则一旦给出开(关)阀命令，该阀会一直开(关)到底；第二，液位信号始终是波动的(尽管很小)，这会影响对液位升降的判断，而当其在上、下限设定值附近波动时，更会造成PLC频繁给出开、关阀命令。

实际工程中，是通过两个定时器来解决的。

第一个定时器加在采样前，使采样从每扫描周期一次，变为每定时器周期一次。

只要定时时间设定足够长，便可消除波动影响。

第二个定时器加在开、关阀命令中，将每次开、关阀动作限制在较短的时间里。

另外，液位升降的判断是通过最新采样值与上一周期采样值相减得
出的，因此编制程序时有必要将旧采样值保存。

4反冲洗控制
滤池的反冲洗控制可分为两部分：反冲洗启动和反冲洗过程的控制。

反冲洗启动有两种途径，一是由上位机下达反冲洗命令；二是当反冲洗条件满足时自动开始反冲洗。

反冲洗条件有二：定时冲洗和根据水头损失情况冲洗。

这两个条件是并列的，只要满足一个，就必须进行反冲洗。

定时冲洗可以设置为具体时间，也可以按照过滤的运行时间来安排，即当滤池连续过滤一定时间后自动启动反冲洗。

本工程选用后者，在反冲洗结束、过滤开始的时候，启动一计时器，定时24h，时间到便开始反冲洗程序。

水头损失反冲洗可以这样设计：在液位控制中，如果清水阀已开到最大，就把采样液位与预先设置的水头损失液位比较，如果超出，再看液位是否上升，如果是，则条件满足，启动反
冲洗。

图4 反冲洗过程说明
反冲洗过程比较繁琐，有一系列开、关阀门，开、关风机，开、关水泵的命令，大致过程如下(图2)：关进水阀，液位降低到一定程度后关清水阀，再打开排水阀及气冲阀，之后开鼓风机气冲(时间可调)，水冲阀在鼓风机启动后打开，再启动一台反冲洗泵，作气水冲(时间可调)，气冲结束，关鼓风机、气冲阀，再打开第二台泵，仅作水冲(时间可调)。

结束时，先关反冲洗泵，再关水冲阀，最后关排水阀。

反冲洗完毕，打开进水阀开始过滤。

在编制梯形图时，对开、关阀门的条件必须严格限制，避免错误的、不适时机的开、关阀门命令。

大量的阀门故障，计时校验等报警也必不可缺。

其中两个报警更需要特别处理。

其一是反冲洗中的关清水阀故障，除报警外，如果短时间内无法排除故障，就要重新打开进水阀否，则液位一直下降会使砂面暴露；其二是鼓风机或水冲泵停止后关气冲阀或水冲阀的故障。

该故障发生后，应允许反冲洗结束后进入过滤，但却不允许其它滤格进行反冲洗。

反冲洗中的鼓风机、水泵都只有一套，为多个滤格共用，因而单个滤格的手动命令必须在鼓风机、水泵控制命令中有所体现，避免出现滤格切换到手动后，鼓风机
或水泵仍处于运行状态，导致事故发生。

5结束语
滤池控制在水厂自动化中属于较难设计的环节,主要表现在反冲洗过程中开、关阀顺序和开、关阀条件的复杂上。

这相应地导致了PLC程序的复杂。

对于一些工艺上有要求,却会加剧PLC程序复杂性或不便用PLC实现的功能(如反冲洗排序等),可以通过上位机编程来实现,上、下位机结合进行自动控制,弥补了PLC
功能的一些不足,能够达到很好的效果。

1 工程概况
温州状元水厂扩建工程是温州市为解决龙湾经济技术开发区内的原状元水厂供水量不足与源水水质差的问题而建设的项目,其工程总规模为6 ×104 m3/ d , 采用静态混合器→折板絮凝平流沉淀→均质较高的要求,同时需采用鼓风机及自动启闭的阀门滤料气水反冲滤池的常规处理工艺(见图1) 。

图1 状元水厂扩建工程工艺流程图
状元水厂的滤池主要设计参数见表1 。

福州马尾经济技术开发区水厂一期续建工程的工程规模为7. 5 ×104 m 3/ d , 其工艺流程与状元水厂相
同。

2 问题探讨
均质滤料气水反冲滤池的主要特征是:采用均质滤料、V 型槽配水、长柄滤头进行等水头恒速过滤,并采取气水反冲洗形式。

它对V 型槽及滤板有较高的要求,同时需采用鼓风机及自动启闭的阀门等设备。

2.1 V型槽孔口标高的确定
滤池气水冲洗设计规程(CECS50 :1993) 中规定:表面扫洗水配水孔低于排水槽顶面的垂直距离一般可为150 mm 。

马尾水厂续建工程的滤池就据此设计,但在扫洗时发现孔口淹没水深较大,造成扫洗力度不足而使冲洗过程产生的浑浊液及泡沫粘附在池壁上,外观很不整洁。

为此在状元水厂设计中, 将配水孔标高抬高至排水槽顶以上80 mm (如图2 所示) 。

实际运行表明,反冲过程中产生的浑浊液和泡沫被扫洗干净,效果理
想。

泡沫被扫洗干净,效果理想。

单格滤池设有6 个阀门,进水、排水采用闸门, 清水出水采用恒水位自动调节蝶阀,气反冲、水反冲及排气阀均采用蝶阀。

阀门的自动执行机构有气动和电动两种,以往设计一般采用气动控制,因其具有启动快、价格便宜的优点,但它同时也存在设备多(需配有空压机、储气罐、过滤器等) 、配气管路多及维修复杂等缺点。

电动阀门则控制简单、辅助设备少,但价格略高。

福州马尾水厂单格滤池的个阀门改用进口电动6 头,该部分总费用比气动控制略高,投产后运行稳定可靠。

状元水厂的滤池设计则全部采用国产电动头及阀门,进水及排水闸门的材质为球墨铸铁,费用比进口设备
节省了近2/ 3 , 运行两年多来性能稳定、效果良好。

2.3 鼓风机选型
滤池的气反冲一般采用鼓风机直接供气。

以往均选用罗茨风机,其优点是在运行中发生压力变化时流量变化较小、适应性较强且价格便宜;缺点是噪音大、体积大,可设隔音罩降噪,但会由此造成散热困难。

为此,状元水厂的滤池采用离心风机直接供气,其噪音小、性能稳定、振动小、效率较高。

实际运行表明效果良好,噪音比罗茨风机降低了5～8 dB, 改善了工人的操作环境。

2.4 气反冲风压的确定
在以往的工程设计中,风机的风压一般取49 kPa , 但实际测定风压为29. 4～34. 3 kPa 。

经计算, 配气系统出口至空气释放处的水深为1. 5～2m 、长柄滤头内气水同时反冲时的压力损失约为1. 96 kPa 、流经滤料层的损失约为9.8 kPa 、管路损失和富余水头为2.94 kPa, 共计约29. 4～34.3 kPa, 这与实测值基本相符。

由于降低了风压,风机用电功率减小了约30 % , 不仅节约了工程投资,而且降低了气反冲的能耗。

2.5 对滤板及滤板接缝处漏气的处理
由于均质滤料气水反冲滤池对施工质量的要求较高,在气密性试验时经常会有漏气现象发生。

工程中滤板采用预制钢筋混凝土板,厚为100 mm 。

每块滤板采用4 只M14 的弯脚螺栓固定在滤梁上,滤板之间的嵌缝采用30 mm 厚的密封胶密封,上、下再用1∶2 防水砂浆封填。

安装长柄滤头的滤头固定板的接缝密封措施必须严密、可靠,不得漏气、漏水。

设计要求在滤板安装完成后要进行气密性试验,试验压力不低于滤板下部至排水槽顶的几何高差(即19. 6 kPa) ,经测试滤板不漏气且布气均匀后方可敷设滤料。

马尾水厂在进行滤池气密性试验时发现有漏气现象,漏气点分布于滤板及嵌缝
两处。

滤板漏气与在高温季节施工有关,滤板在白天浇捣后如振捣不密实且养护不好则水分蒸发很快,以致造
成混凝土收缩而形成漏气孔。

接缝处漏气与气温变化有关,尤其是在南方地区,因接缝材料在昼夜不同的气温条件下膨胀度不同而形
成微孔,导致漏气。

发现漏气后通常可采用涂刷补救的措施,即涂刷一种特种涂料以堵住漏气孔,要求涂料使用寿命长、无毒无害、适用于饮用水水质。

特种聚氨酯合成涂料就较适合,其特点是涂刷后能吸收空气中的水分并通过渗透和膨胀(即钻入混凝土的毛细孔后膨胀) 作用达到堵漏的目的,且该涂料具有较好的耐腐蚀性(耐酸、碱) ,涂刷
后泡在水中的使用寿命可达30 年之久。

对滤板漏气的处理可采用特种聚氨酯合成涂料涂刷两遍。

对滤板之间接缝处漏气的处理需剔除已填入的接缝材料,然后在背水面涂刷特种聚氨酯合成涂料两遍,
并在夜间气温低时施工,同时做好养护工作。

马尾水厂滤池按上述办法处理后,顺利通过气密性试验。

自1999 年投产以来运行正常,出水浊度< 0. 5 NTU ,达到了设计要求,产生了良好的社会和经济效益。