（系统工程专业论文）供水企业的自动控制与信息集成.pdf

浙江大学硕士学位论文 中文摘要 本论文的研究目标是系统的解决供水企业的自动控制问题和旧自动化系统 的改造问题。以此为目的，针对供水企业生产的几个重要单元，分别详细的讨论 了该单元的自动控制问题和解决方法。并对我国供水企业自动化进程中很现实的 问题一旧自动化系统的改造，提出了进行了一些切实有效的解决办法。最后根据 作者在城市供水系统自动化的工程实践，在总结了成功工程的基础上，提出了行 业的一些发展前景。 本文的主要研究工作与主要贡献如下： ( 1 )对供水企业自动化的发展历史、自动化系统类型以及供水企业自动化的 应用现状进行了详尽的分析和综述。 ( 2 )结合工程实例，对取水泵站的自动控制做了详尽的分析和讨论。根据生 产的实际需要和厂方操作人员的要求，对真空系统的改造和控制取得很 大成功，通过对两个电机的异步控制实现了真空度的稳定，避免了电机 的频繁动作。通过自定义通讯协议和差错校验的技术，实现了取水口和 厂区的无线电台通讯的高教和稳定性。 ( 3 )结合工程实例，对滤池的自动控制做了详尽的分析和讨论，实现了吸泥 机自动吸泥、恒水位过滤、滤格自动反冲洗等重要控制。滤池控制由于 涉及设备动作众多，动作复杂，向来是水厂自动控制研究的热点。本文 通过动作定时校验、故障报警、动作状态层次划分，较好的解决了滤池 控制中的上述难点。 ( 4 )对清水泵站的水泵机组的恒水压控制、调速控制做了深入全面的探讨， 阐述了调速节能控制的原理和效益分析。 ( 5 )针对国内相当常见的旧自动控制系统改造难题，提出了成功的解决方案。 应用软件网关、e x c e l 的嵌入式应用等技术解决了自动化改造中的异构 系统的集成问题。 关键字：供水企业自动化取水泵站控制真空系统控制，无线通讯滤池控 制，恒水位过滤，自动反冲洗，清水泵站控制，恒水压控制，水泵调速控制，异 构网络通讯，e x c e l ，d d e 塑兰查堂堕主兰焦堡兰 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a st h ee c o n o m ya n dt e c h n o l o g y d e v e l o p ，t h e r e i sa n i n c r e a s i n g d e m a n d o f h i g hq u a l i t yw a t e r b o t hf o ri n d u s 仕i a la n dc i v i lu s e i nt h ef u t u r e ，t h ea i m o f w a t e rs u p p l yw i l lb e ：h i g h e rw a t e rq u a l i t y , h i 曲e rc r e d i b i l i t yo fw a t e rs u p p l y , l o w e r p o w e rc o s t ，l o w e rl e a k a g e t h er e s e a r c ho b j e c to f t h ed i s s e r t a t i o ni sa u t o m a t i o nc o n t r o la n do p t i m i z a t i o nf o r w a t e ri n d u s t r y f o rt h i sa i m ，s o m ei m p o r t a n tc e l l si nw a t e rp l a n ta r ep r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o ns u c ha s p u m p i n gs t a t i o n ，f i l t e rb e d ，a n d s o o n f i n a l l y , b a s e dt h e s u c c e s s f u lp r a c t i c ei nt h ef i e l do fw a t e ri n d u s t r i a ls y s t e m ，s o m er e s e a r c hp r o s p e c t si n t h ef i e l da r ep r o p o s e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n db a c k g r o u n do ft h ep r e s e n ts t u d y , c h a p 1p r e s e n t s s e v e r a lm a i nc o m p o n e n t so fi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya n da n a l y s e st h e d e s i g n i n ga n dc h a r a c t e r so f c o m m o ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ； ( 2 ) e l a b o r a t e ds o m ea u t o m a t i o nc o n t r o lm e t h o d si ni n t a k ep u m p i n gs t a t i o n d e s i g n a s y n c h r o n o u so p e r a t i o n so f t w oe l e c t r o m o t o r st or e s o l v et h ep r o b l e mo fv a c u u m p u m p ss t a b i l i t y u s e c u s t o m i z ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n de r r o rc h e c k o u t t e c h n o l o g yi m p r o v e t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s q u a l i t y b e t w e e ni n t a k e p u m p i n g s t a t i o na n d p r o d u c i n g a r e a ( 3 ) f i l t e r i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s si nt h ew h o l ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s i nl a r g e s c a l ep l a n t ，t h es y s t e mh a sm u l t i p l yc o n t r o l l e r s t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e n t h e s ec o n t r o l l e r sa r ev e r yc o m p l i c a t e d i nt h i st h e s i s ，i ti sd e s c r i b e dt h a th o wt o e s t a b l i s ht h ew a yt oc o m m u n i c a t ea n dh o wt or e d u c et h ec o m p l e x i t y t h el e v e l c o n t r o lo ff i l t e ri sa l s od e s c r i b e d ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h es e c o n d p e r i o dp r o j c o t , a ni d e a i sp u tf o r w a r dt om e e tt h en e e do f d a t ai n t e g r a t i o no f h e t e r o g e n e o u sd a t a b a s e s b y d a t ac o n v e m i o n p r o g r a m s ；i tm a d e s u c c e s si nc o n n e c t i n gt w op l cn e t w o r k sb ys o f t w a r eg a t e w a y k e y w o r d s ：w a t e ri n d u s t r ya u t o m a t i o n ，p u m p i n g s t a t i o n c o n t r o l ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，f i l t e rb e dc o n t r o l ，盘e q u e n c yc o n v e m i o 如s y s t e mi n t e g r a t i o n ，e x c e l ， d d e 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师马龙华副研究员的悉心指导下完成的。马老师严谨的治学态 度、勤奋的工作作风、精通的业务水平以及对学生学习生活全方面的细致的关照， 对作者影响至深。在此表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 在作者主持和参加的几个现场项目实施过程中得到了钱海、刘季飞、吴浩、 钟鸣、裘德军、马正强等人的热心帮助，在此表示衷心的感谢! 在浙江大学学习的几年间，得到了邵之江、王慧、梁军、周立芳、赵豫红等 系统所老师的关怀和指导，在此致以谢意! 女友李月霞在我写论文时给我的鼓励，才让我顺利完成论文的撰写。 最后，还要感谢我的家人，特别是我的父亲、母亲，正是在他们的关怀和支 持下，我才得以顺利完成学业。 刘俊 2 0 0 3 年2 月 于浙江大学求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 水对人类而言有着非同寻常的意义，不论是日常生活，还是工农业生产都离 不开水。特别在现代社会中，不仅对水的需求量与日俱增，对水质的要求也越来 越高。人类对水进行处理的历史十分悠久，超过了两千年 4 】。但这是小规模、 家庭型的处理，范围仅针对个人或某个家庭。面向社会兴建水厂，工业化的集中 处理水的历史还不到2 0 0 年，特别是以快滤池为标志的现代水厂更只有1 1 0 多年 历史。在我国，水厂的大规模建设是从解放后开始的，时间较短，但取得了卓越 的成就。目前各个城市都已兴建了自己的净化厂，基本普及了自来水。而且，更 加现代化的、大规模的新型水厂也在成批的建设中。 水厂和其它行业的工厂一样，自出现以来不断革新，不断现代化，其生产能 力、净化效果都不断提高。日产百万吨以上优质自来水的超大型水厂也不罕见。 维持如此大规模的水厂正常运行，且要保证出厂水质对处理工艺和自动化水平 都提出了很高的要求。水厂的处理工艺一百年来已经比较成熟，基本上是混凝沉 淀、过滤和消毒。混凝剂一般采用铝盐、铁盐。利用凝聚原理去除原水中的悬浮 颗粒。再进行沉淀，过滤。消毒一般采用氯化法。近几十年，随着净水理论的发 展，工艺设计和处理构筑物的形式不断变化，各类反应药剂也出现许多新的替代 品，比如：以高分子化合物作为混凝剂，臭氧或二氧化氯作为消毒剂等等。不过， 基本的工艺过程没有根本性改变。相比之下，水厂的现代化更主要的表现在自动 化和监控系统方面。水厂的自动监控系统，是水厂现代化水平的体现，它把各个 工艺环节之间有机的结合为一个整体，为水厂节约了人力，加强了管理，对于保 证出厂水质，提高水厂经济效益，有很重要的意义。 1 2 水厂自动控制的发展历史 早期的水厂控制是单元式的。根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设施。 这些设施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没有联系。每个环节根据自 身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调是难 以自动实现的，需要人工加以干预。这属于分散式控制。 后来随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式，由中心控制室 第一章绪论 的一台计算机系统对各个环节的参数进行巡回检测、数据处理、控制运算，然后 发出控制信号，直接控制被控对象，一台计算机往往同对控制多个回路，即多个 水处理工艺环节。在这种控制系统中，集中检测、控制运算工作量大，要求计算 机功能强大，有很高的可靠性。旦控制系统出现故障，整个系统就都会陷于瘫 痪。 进入7 0 年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制 系统的形式也发生了相应的变化，结构组成种类很多。当前水厂采用的自动控制 系统的结构形式 2 】，从自控的角度可以划分为s c a d a 系统、d c s 系统、i p c + p l c 系统、总线式工业控制机构成的系统等。 1 3 水厂自动控制系统的类型 1 3 1s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统【3 】，即数据采集与监 视控制系统。s c a d a 技术建立在3 c + s ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r o l 、 s e n s o r ) 基础之上。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给 水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域，尤 其适宜地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程控制。系统是由个主控站 ( m t u ) 和若干个远程终端站( r t u ) 组成。该系统联网通讯功能很强。通讯方式可 以采用无线、微波、同轴电缆，光缆、双绞线等，监 9 | j 的点数多，控制功能强。 该系统侧重于监测和少量的控制，一般适用于被测点的地域分布较广的场合，如 无线管网调度系统等。 该系统的基本特点是： ( 1 )组网范围大，通讯方式灵活。可以实现一个城市或地区那样较大地 理分布的监测和控制。 ( 2 ) 系统分为主控机( m t u ) 和远程终端机( r t u ) 两部分，r t u 的控制较固 定，处理能力较小。 ( 3 )系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较为困难。 ( 4 )m t u 或r t u 通过通讯接口进行协议变换后可与其它网络链接，可 以组成较大、较复杂的通讯网络。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2d c s 系统 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 称为集散型控制系统。是由多台计算机和现 场终端机联接组成。通过网络将现场控制站、监测站和操作管理站、控制管理站 及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。 d c s 侧重于连续性生产过程控制。 该系统的基本特点是： ( 1 )采用分级分布式控制。系统按不同功能组成分级分布子系统，各予 系统执行自己的控制程序，处理现场输入输出信息，减少了对系统的信息传输量， 使系统应用程序较为简单。 ( 2 )在物理上实现了真正的分散控制，使整个系统的危险性分散，系统 的可靠性较高。 ( 3 )有较好的扩展能力。借助网络技术，可以完成纵向和横向通讯及向 高层的管理机通讯，系统的扩展方便。 ( 4 )系统的软、硬件资源丰富，可以适应各种特殊的要求。 ( 5 )响应时间短，实时性较好。 ( 6 )应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周 期较长。 d c s 系统具有较高的可靠性及良好的扩展能力注重功能分散以求危险分 散，可根据用户管理体系的需要和用户功能要求，组成层次化( 纵向分散) 和功能 化( 横向分散) 的各类系统，借助于网络技术，完成纵向和横向的通信，或向最上 层的管理机构通信。在软件方面，有面向过程控制的支持软件和功能软件包，以 便于过程控制工程师摆脱软件人员而独立编程( 生成应用程序) 。 1 3 3i p c + p l c 系统 该系统是i p c 和p l c 组成的分布控制系统，可实现d c s 系统的功能，其性 能已经达到d c s 要求，而价格比d c s 低的多。开发方便，在国内水厂自动控制 中得到最广泛的应用。 该系统的基本特点是： ( 1 )可实现分级分布控制。 ( 2 )可实现集中管理分散控制的功能，将危险分散，大大提高了系统的 可靠性。 第一章绪论 ( 3 ) p l c 本身可靠性高，组网方便。p l c 往往工作在环境非常恶劣的工 业现场，这就要求p l c 具有很长的平均无故障间隔时间。因此，在p l c 设计中， 在硬件上对元器件进行严格的筛选和老化，采用电源多级滤波和稳压措施、电磁 屏蔽，输入输出滤波、光电隔离及通道间绝缘，输入电源与输出电源均可相互独 立，还设置了连锁、检测与诊断电路：在结构上采用密封防尘抗震的内部结构、 外部封装；在软件上采用循环扫描工作方式、程序语法检查、故障检测与诊断及 出错后报警、保护数据、封锁输出及自动恢复等措施。所有的特殊设计使p l c 的平均无故障间隔时间达5 1 0 万小时。p l c 的组网通讯能力也很强，一般都至 少支持2 到3 种现场通讯协议，高端产品直接支持t c p i p 以太网连接。 ( 4 )编程方便，开发周期短，维护方便。虽然p l c 利用了微处理器，但 p l c 没采用微机控制中常用的汇编语言或其他的专用控制高级语言，而提出了梯 形图语言。它与大多数工程师所熟悉的电气控制线路图相类似，面向控制对象、 面向控制过程，易于编写、易于调试，它可进行在线编辑、修改。这也是p l c 受到广大电气技术人员欢迎，得到迅速普及，广泛应用的原因之一。 ( 5 )系统内的配置和调整非常灵活。由于p l c 产品已系列化、模块化， 不仅具有逻辑运算、定时计数、顺序控制等功能，还具有a d 与d a 转换、 数学运算和数据处理等功能。它能根据对象需要，方便灵活地组装成大小相异、 功能不一的控制系统。它既可控制一台单机、一条生产线，又可利用通讯功能组 成一复杂系统来实现群控；既可现场控制，又可实行远程控制。此外，p l c 的核 心是微处理器，所有控制是通过软件来实现的，因此，当控制要求发生改变时， 只要修改软件即可。 ( 6 )与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。 由于i p c + p l c 系统运行可靠性高，能实现中心控制室、现场监控子站和就 地控制的分级控制，结构模块化，扩展灵活，结构开放，组网能力强等优越性， 而被众多水厂采用。 1 4 水厂自动控制的应用现状 给水自动化程度可分为三级。第一级，水厂单项构筑物( 如泵房、沉淀池、 滤池、加药系统等) 控制系统：第二级，全厂自动控制：第三级，整个城市给水 系统运转调度。第三级属于城市自来水公司的控制系统，它是根据城市管网检测 和计算，控制各水厂的优化运行。第一级和第二级属于水厂控制系统。 我国给水自动化起步较晚，但发展很快。随着自动控制技术、系统控制设备 4 浙江大学硕士学位论文 和机电仪表设备的发展，滤池自动化、投加自动化、泵站自动化、水质检测自动 化技术逐步成熟，电脑应用日益普及，我国水厂的自动化程度和水厂规模都在稳 步提高【2 。尤其是改革开放以来，通过引进国外的先进技术，水厂的自动化建 设突飞猛进，以p l c 为基础的集散型控制系统得到广泛应用，已成为当今水工 业自动化系统的主流。事实上，9 0 年代也是国内水厂自动化产生实质性经济效 益的时期。 国内实现水厂自动化的方法主要依靠新建和扩建水厂。北方城市新建和扩建 水厂主要依靠引进外资和全套设备技术，水厂自动化工艺平均水平较高。南方城 市由于小型水厂多，主要通过改造旧水厂实现自动化。南方的情况体现了水厂自 动化在中小水厂蓬勃发展的现状，其特点为：设计工作以本地技术力量为主，新 建或改造旧水厂的投资渠道多样化，在设备选型上实行土洋结合的办法。但由于 乡镇水厂技术力量相对薄弱，自动化在生产中的维护存在一定困难。 虽然各地水厂自动化有了长足的进步，但是由于多种原因，目前国内还没有 一座真正意义上的全自动化水厂，主要原因是国内经济、技术条件所致。就拿水 厂泵站自动化来说，国产电机、开关柜等设备质量还达不到自动化控制要求，加 之供水管网缺乏统一规划，造成泵站自动化只能依靠进1 2 1 设备，投资大，效益不 明显、维护费用较高。很多水厂的泵站自动化仅指取水泵站自动化，甚至少数水 厂将中控室遥控认为是自动化。 目前我国供水企业总体自动化水平还只是完成了给水自动化的第一级，正在 向第二级迈进。也就是说大多数水厂已经实现了单项构筑物的自动控制，并加以 全厂联网可由中控室进行集中检测。但各个单项构筑物之间的运行相对独立， 并没有就全厂范围进行整体上的自动控制和优化调度【5 】。目前，单项构筑物自 动控制内容如下： ( 1 )取水泵房一取水泵房目前大都根据厂区清水池液位来调节水泵机组 的运行台数和泵后阀门的开度，包括真空泵子系统的自动开、停。 ( 2 )二级泵房一二级泵房目前大都根据出水管道压力来调节水泵运行台 数和阀门的开度。运行的水泵发生故障时，备用水泵能自动投入运行。采用若干 台调速电机水泵机组来调节出水流量和压力。二级泵房自动化的最终目标是根据 城市用水量变化或管网中压力变化随时调整水泵运行方式，即实现最佳运行a ( 3 )投药自动控制一混凝剂投加自动控制目前采用较多的是根据原水浊 度和流量来调节投药量，已有专门的自动投药装置生产。投氯量目前主要根据滤 后水中余氯量来自动控制。自动投氯装置的关键是要求有精密可靠的余氯连续测 定仪。 第一章绪论 ( 4 ) 沉淀池一目前沉淀池的自动控制内容是自动排泥。可以定时排泥， 也可以根据池中泥位自动排泥。 ( 5 ) 滤池一目前主要是根据滤层水头损失或规定冲洗周期来控制滤池冲 洗。 我国的水处理工业的自动化水平较其它工业相对落后。城市供水系统的自动 化和优化方面的总体研究水平大大落后于石油化工等囡计民生等主行业的研究 水平【6 】。目前国内供水企业的自动化水平不一，大城市的供水企业的自动化硬 件设备比较先进，装置单元的自动化水平比较高，已经实现了供水企业自动化的 第一级，即单项构筑物的自动化( 如泵房、沉淀池、滤池、加药系统等) 。少数 供水企业更是已经实现了全厂联网和全厂综合自动控制，完成了供水企业自动化 的第二级。个别地方还开始向第三级迈进，即实现了整个城市的供水生产流程监 控及整个管网的压力测控。中小城市的供水设备还比较落后，管理水平也比较低。 更重要的是在城市供水的计算机自动或辅助调度和节能增效方面研究水平 和应用水平还比较低，系统优化的观点比较薄弱。在城市供水领域，以水系统的 概念来研究，其研究水平和工程实践和国外相比相差较大。水工业系统的研究是 一门交叉学科，它需要结合市政工程、系统工程、控制理论等学科，才能有所作 为。如在国外已经逐渐形成了一门水工业系统的建模与优化学科 7 】，而我国在 这方面的研究几乎还是空白。 国家对城市的水工业系统的研究和应用非常重视【8 】，确定了我国供水行业 的主攻方向：提高供水水质、提高供水安全可靠性、降低能耗、降低漏耗、降低 药耗。为了实现这些主攻方向，除了进行自来水行业的生产设备、自动化设备的 改造等以外，还需通过现代控制理论、系统工程等软技术在水工业系统的应用研 究。 1 5 论文概要 本论文的研究目的是就整个供水企业范围内讨论供水企业的生产过程自动 控制问题。目前，关于水厂自动化的技术文献并不少见，但是它们要么忽视了供 水企业的自身特点，在水厂自动化的论题下做工厂自动化的文章；要么对其中的 某一细节专门论述，而不顾及其它。能够对供水企业综合自动化的各部分综合起 来从全局加以考察研究的论文还不多见。本文就是试图填补这一空白，对供水企 业自动控制技术进行总结和归纳。以此为目的，结合一个工程实例，详细的讲解 了供水企业的生产过程中几个关键部分的自动控制系统构成和自动控制策略，如 6 浙江大学硕士学位论文 取水泵站的自动控制、滤池的自动控制、清水泵站的自动控制等。同时针对在供 水企业自动化改造中常见的几个问题，提出了一些正确有效的解决方法，并总结 了一些在供水企业自动化改造中的实际经验。最后根据作者的工程实践，在总结 了成功工程的基础上，提出了行业的一些研究前景。 具体如下： 第一章为全文的绪论，对供水企业自动化的发展历史、自动控制系统类型、 自动控制技术在供水企业的应用现状进行了详尽的分析、综述和讨论。 第二章作为自动控制应用的基础，对供水企业的生产工艺进行了全面的介 绍，并在本章最后对本文的工程实例一漳州第二自来水厂进行了简单介绍。 第三章本章是讲解取水泵站的生产过程的自动控制技术。主要有真空泵子 系统的控制要求和控制策略、取水泵站和厂区的无线通讯问题。 第四章本章是讲解滤池站生产过程的自动控制技术。主要有吸泥机的自动 控制、恒水位自动过滤控制、滤池反冲洗自动控制。 第五章本章是讲解清水泵站生产过程的自动控制技术。供水企业的能耗大 户就是水泵，水泵消耗的电能成本要占供水企业生产成本5 0 以上，所以水泵的 节能对供水企业的经济效益至关重要。本章详细讨论了水泵调速节能的原理和应 用分析。 第六章本章提出了自来水厂自动化改造中常见的异构系统集成问题，并结 合实例，用软件网关和统一数据平台的办法解决之。 第七章本章针对还有许多自来水厂自己采用定制控制平台软件的现状，讨 论了e x c e l 在其中的几个重要应用，对于加快软件开发进度和提高软件性能有 直接意义。 第八章结束语，对今后的研究方向和行业前景提出了一些展望。 浙江大学硕士学位论文 2 1 取水 第二章水厂主要工艺 净水厂的水源有江河、湖泊、水库、地下水等等。根据不同的情况，要建造 不同的取水口。比如：在水位基本恒定的湖中，取水口应设置在水中悬浮固体、 胶体物质、铁、锰和浮游生物全年含量尽可能低的深度。又比如：河流中的取水 口必须预防土、砂、树叶、芦苇、草、废弃的包装材料，特别是塑料、漂浮物和 水流带来的苔藓膜或碳氢化合物膜等。总之，不论何种原水，在送入主体处理构 筑物之前多要求先经过预处理。预处理通常为纯物理性质或机械性质的，其目的 在于尽量去掉那些在性质上或大小上不利于后续处理过程的物质。 一般的预处理可包括：筛除、除砂、除浮油、除淤泥等。先是用格栅( 分粗、 中、细不同规格) 挡住水中的废弃物、树枝、树叶及草等漂浮体，再经过除砂系 统( 特别是当水必须通过长管道或渠道输送，必须泵送或后续处理设备容易受大 量砂粒的严重影响时) ，接着是除浮油和除淤泥处理。如果原水中含有大量浮游 生物或有机物，它们在长距离管道中的积累可能会导致流量迅速降低，这可以用 氯等氧化剂来处理。如果取水口远离净水厂本部，那么这些经过预处理的水，还 要由水泵抽入管道，送至本部。 2 2 加药、沉淀 加药就是向水中加入混凝剂，目的是破坏水中胶体颗粒的稳定状态，在一定 水力条件下，通过胶粒之间以及胶粒和其它微粒之间的相互碰撞和聚集，形成易 于从水中分离的絮状物质，这个过程称为混凝。其原理见下式； a l 2 ( s 0 4 ) 3 + 3 c “h c 0 3 ) 2 - - 3 c a s 0 4 + 2 a l ( o h ) 3 + 6 c 0 2 溶在水中的金属阳离子中和了胶体中的负电荷，破坏了胶体颗粒的稳定状 态，产生聚集，形成絮状物。混凝是去除天然水浊度和色度的最主要方法，也是 去除某些无机或有机物的重要手段。 混凝剂一般采用明矾等铝盐或铁盐等，种类不多，但现代化的净水厂正越来 越广泛的使用聚合物混凝剂，以适应各种独特的水质和优化混凝过程。原水从取 水口送来，比较浑浊。水厂本部先要对其进行混凝处理。具体实现分几步，如图 2 - - 1 所示。首先是把混凝剂溶解，通过混合设备按一定比例投入原水并迅速均 匀混合，之后原水流入絮凝池使混凝剂与水充分反应，加强混凝效果。最后原水 第二章水厂主要工艺 流入沉淀池，沉淀出絮状物。 囊 图2 1 投药混凝沉淀的基本过程 在图2 一l 所示的处理过程中涉及的构筑物主要是混合设备、絮凝池和沉淀 池。它们各自都有独特的构造，以促进原水在其中的反应。混合设备可分为水力 和机械搅拌两类，具体形式主要为混合池和管道混合器。絮凝池是最终完成混凝 过程的设备，也有水力和机械搅拌两类。具体的构造形式非常多，水力絮凝池有 结构简单，无需维护的优点，常见形式有隔板式、旋流式、涡流式等几种，机械 搅拌絮凝池则具有可以调节搅拌强度的优点，结构上也有多种不同设计。在沉淀 池，水中的悬浮颗粒沉到池底，达到与水分离的目的，根据水流的分类，沉淀池 有竖流式、平流式、辐流式、径流式等多种形式。所有的沉淀池都有排泥设备， 以防沉淀物积累过多。另外，还有一种流行的沉淀构筑物澄清池，它的反应 原理与沉淀池不同，不需要另设絮凝池。 原水中含有大量的细菌、病原体、藻类等对人有害的物质，要达到能满足人 类安全饮用的目的，必须进行消毒处理，减低有害物质含量。水的消毒是通过消 毒剂来完成的，消毒剂分四类： ( 1 ) 氧化剂； ( 2 ) 金、银、汞等中金属离子，比如铜离子能杀死藻类； ( 3 ) 阳离子表面活性剂： ( 4 ) 物理媒剂，如：紫外线。 其中氧化剂是最常用，其它几种多为辅助性添加。一般氧化剂包括臭氧、卤 素和卤素化合物。在我国多数水厂都采用氯气为消毒剂，所以，消毒这一工艺过 程常被称为加氯。 氯气消毒的原理一般认为是氯能破坏细菌中的酶系统，当氯透过细胞模时， 即与细菌中的酶起不可逆反应，致使细菌死亡。氯投入水中，立即发生反应： c l 2 + h 2 0 , h c l + h c l o 、h c l 0 4 - h + + c l o 。 9 浙江大学硕士学位论文 其中次氯酸因其穿透细胞膜能力最强，且因不带电荷，能迅速扩散到带电荷 的细胞表面，以及分子量大是强灭菌成分。而c l o 带负电，杀菌效果比次氯酸 弱很多。这两者在水溶液中的比值决定于p h 值和温度，一般p h 值保持在6 0 - - 7 0 之间比较理想。 加氯消毒在净水流程中经常不只一次，有前加氯和后加氯之分。前者是在原 水管路上进行投加，杀死原水中的微生物或氧化分解有机物，后者则一般在滤后 水管路上投加，再次进行消毒。 2 3 过滤 在水处理过程中，过滤般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬浮杂 质，从而使水获得澄清的工艺过程【5 】。滤池通常置于沉淀池之后，进水浊度一 般在1 0 度以下。滤出水浊度必须达到饮用水标准。当原水浊度较低( 一股在1 0 0 度以下) ，且水质较好时，也可采用原水直接过滤。过滤的功效不仅在于进一步 降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去 除。至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护和依附之后，在滤 后消毒过程中也将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。在饮用水的净 化工艺中，有时沉淀池可省略，但过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全 的重要措施。 滤池有多种型式。以石英砂作为滤料的普通快滤池使用历史最久。在此基础 上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式快滤池。为充分发挥滤料层截留杂质 能力，出现了滤料料径循水流方向减小的过滤层及匀质滤料层，例如，双层、多 层及匀质滤料滤池，上向流和双向流滤池等。为了减少滤池阀门，出现了虹吸滤 池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。从冲洗方式上， 还出现了有别于单纯水冲洗的气水反冲洗滤池。各种型式的滤池，过滤原理基本 一样，基本工作过程也相同，即过滤和冲洗交错进行。下面以漳州第二自来水厂 采用的v 型快滤池为例( 图2 2 ) ，介绍滤池工作原理。 v 型滤池是法国德格雷蒙( d e g r e m o n t ) 公司设计的一种快滤池，采用 气、水反冲洗，目前在我国的应用日益增多，适用于大、中型水厂。v 型滤池因 两侧( 或一侧也可) 进水槽设计成v 字型而得名。图2 2 为一座v 型滤池构造 简图。通常一组滤池由数只滤池组成。每只滤池中间为双层中央渠道，将滤池分 成左右两格。渠道上层是排水渠7 供冲洗排污用。下层是气、水分配渠8 ，过滤 时汇集滤后清水冲洗时分配气和水。渠8 上部设有一排配气小孔1 0 ，下部设 第二章水厂主要工艺 有一排配水方孔9 。v 型槽底设有一排小孔6 ，即可作过滤时进水用，冲洗时又 可供横向扫洗布水用，这是v 型滤池得一个特点。 过滤过程如下：待滤水由进水阀l 和方孔2 后，溢过堰口3 再经侧孔4 进入 v 型槽5 。待滤水通过v 型槽底小孔和槽顶溢流，均匀进入滤池，而后通过砂滤 层流入底部空间1 l ，再经方孔9 汇入中央气水分配渠8 内，最后由管廊中的水 封井1 2 、出水堰1 3 、清水渠1 4 流入清水池。 图2 - - 2 v 型滤池构造图 冲洗过程如下：首先关闭进水阀1 ，但两侧方孔2 常开，故仍有一部分水继 续进入v 型槽并经槽底小孔6 进入滤池。而后开启排水阀1 5 将池面水从排水槽 中排出直至滤池水丽与v 型槽顶相平。冲洗操作可采用：“气冲一 气、水同时 反冲一 水冲3 步，也可采用：“气、水同时反冲一 水冲”2 步。3 步冲洗过程 浙江大学硕士学位论文 为：( 1 ) 启动鼓风机，打开进气阀1 7 ，空气经气水分配渠8 的上部小孔1 0 均匀 进入滤池底部，由长柄滤头喷出，将滤料表面杂质擦洗下来并悬浮于水中。由于 v 型槽底小孔6 继续进水，在滤池中产生横向水流，形同表面清洗，将杂质推向 中央排水渠7 。( 2 ) 启动冲洗水泵，打开冲洗水泵阀1 8 ，此时空气和水同时进入 气、水分配渠，再经方孔9 和小孔1 0 和长柄滤头均匀进入滤池，使滤料得到进 一步冲洗，同时横向冲洗仍继续进行。( 3 ) 停止气冲，单独用水再反冲洗几分钟， 加上横向冲洗，最后将悬浮于水中杂质全部冲入排水槽。v 型滤池冲洗过程可全 部由程序自动控制。 2 4 清水加压 基本上，过滤就是净水处理的最后一道程序了，从过滤池出来的水，流入清 水池积聚，保持有一定的储备量后就可以出厂了。当然，这之前还要做一些必要 的检测、化验等，确保水质，并作为消毒剂等处理药剂是否嚣要调整投入量的参 考。最后，清水由水泵从连接清水池与二级泵房的吸水井中( 小型水厂可不设吸 水井，直接从清水池中抽取) 抽入供水管道，并以一定压力供给用户。水泵的启 动、停止、调速是这里的重要控制内容，必须确保能够持续可靠的向用户供水。 2 5 工程实例简介 漳州第二自来水厂建于1 9 9 5 年，全部工程分为一、二两期。其中一期工程 己于当年投产，日产量7 5 万吨。二期工程竣工后产量将提高一倍，达到1 5 万 吨日。目前，该期工程正处于正式运行阶段，情况良好。 漳十i 1 - - 水厂的厂区设置如下：取水口一级泵站，位于九龙江边，距厂区l i 公里。厂区本部设一个中控室和四个车间：加药、加氯车间，过滤池车间，清水 池的二级泵站。这是一种典型的自来水厂布局。该布局平面示意图见图2 - 3 。 第二章水厂主要工艺 i 办公楼 厂 l 清水池 l l 新 滤 i l t 池 新 - 桫 控 “蜘 k制址 站 曰日曰 国匿 图2 3 漳州第二自来水厂平面布局示意图 该厂一期工程的自控系统主要由5 个p l c 控制站联网组成，分别是取水口 一级泵站的1 号站，加药车间的2 号站，过滤池的3 号站，清水池二级泵站的4 号站和中控室的5 号站。由于l 号站与水厂本部的距离太远，无法直接联网，所 以采用无线电台与中控室交换数据，与其它p l c 站间不能直接交流，必须通过 中控室中转。位于本部的其它各站，则由光纤连接成环状网络。上位机并不另行 联网，全部数据都由该光纤环网传递。整个系统如图2 4 所示。每个p l c 站都 采用t h y s s e np l c ，上位机运行i n t o u c hv i e w 软件，实现控制与实时监视。 浙江大学硕士学位论文 图2 4 原一期系统网络结构 二期工程中，要添加一个全新的6 号p l c 站，位于新建的过滤池旁边。其 他各车间不增加p l c 站，仅在原p l c 柜旁新设二期的p l c 柜，上位机要更换、 升级，确保能同时与新旧两套p l c 系统通讯。另外，一期工程的一些设备和3 号站的p l c 已经损坏，无法继续工作，要在二期中进行更换。上位机则改为运 行浙大飞腾科技有限公司自主开发的监控平台软件h m i 。 由于在漳州二水厂期中使用的t h y s s e np l c 兼容性不好，且已停产，在二 期工程开始时根本无法采购到该品牌p l c 及配件。所以，不得不另行选购p l c ， 通讯网络也必须另行架设。在工程设计时，p l c 的选型是施耐德公司的莫迪康 q u a n t u m9 8 4 系列，控制网络也采用该公司的m o d b u sp l u s ( m b 十) 网络。 9 8 4 p l c 是种高性能，全系列兼容的工业控制机。该机采用梯形图逻辑进 行编程，这是一种简单、直观、图形化的编程技术，并且还有一系列共同的指令 系统，可像p c 机一样进行数值运算、数据传输，并具有矩阵功能和位操作功能。 它易于安装、调试和维修，且占用空间小，可在环境恶劣的条件下进行工作。其 模块化设计可确保最少的停机时间及最高的生产连续性。 m b + ( m o d b u sp l u s ) 是一个本地网络，它允许主计算机、可编程控制器和其它 数据源以对等方式进行通讯，数据传送速度可达1 m 秒，其通讯介质是双绞线。 一个m b + 网络可以分为一个或多个“段”，每“段”最多可以支持3 2 个节点。 m b + 网络上的节点均为对等逻辑关系，通过获得令牌来传递网络信息，或与网络 上所有节点交换信息。m b + 网络可用于：在控制器之间传送数据，在控制器和主 计算机之间传送数据，对控制器编程，从主机上对程序进行装入转储归档。 按照最初的方案，一、二两期的p l c 系统是同时并行运转的，各自之间并 不互连，不涉及数据的传递、共享。上位机同时与这两个系统相联接，分别在两 者中读取、写入数据，在将两套系统融合为一个完整的监控系统的过程中扮演了 最重要的角色。这种同时、大量的三方通信，能否良好、稳定、持续的运行，使 整个系统成功的关键。以目前p c 机的性能，是完全能够实现的，该方案是可行 的。网络的拓扑结构见图2 5 。 第二章水厂主要工艺 图2 5 二期工程原方案 然而，在二期工程开始后，原p l c 光纤网络因故障中断，不能再继续完成 全厂的通讯任务。这样，一期中的数据就不能在全厂范围内共享，整个监控系统 的性能大打折扣。要解决这个问题，必须对原有方案进行调整，把一期中的数据 也通过m b + 网络来传递。也就是说，在新方案中，上位机从旧p l c 读取数据， 再写入新p l c ，由二期网络负责传递。整个通讯过程复杂了许多，对相关程序的 可靠性要求较高。p c 机和m b + 网的性能仍然能满足该方案。更改后的网络拓扑， 见图2 6 。当然，这个方案只能补救原方案中的监视性能，要恢复中控室对异 地旧p l c 站的控制。是不可能的。唯一的办法是用兼容m b + 的p l c 替换t h y s s e n p l c ，把全厂各站全部纳入统一的网络。 新方案的实现，除了依靠m b + 网的优异性能及其简便的配置，还要设计人 员的仔细规划。该厂一期p l c 系统中有数百个开关量和模拟量的输入信号，这 些信号全部都要改由二期网络传递，并保存在莫迪康p l c 的寄存器中，供上位 机读取。为了保证监控的实时性，所有输入信号必须不断刷新，也就是要不断的 重复写入、传递、读取等操作，使数据在几秒钟内得到更新。如此大规模的频繁 的数据操作，对通讯程序和网络的可靠性提出了很高的要求。错误是不允许出现 的，必须十分小心，如果弄错了信号来源、用途，很可能造成控制的混乱。在具 体的实现中，应用了m b + 网络的p e e rc o p 功能来完成数据对全网络的共享。该 功能的使用十分方便，不用专门编程，只需在p l c 的配置中填写发送、接收数 据的地址或地址范围，并且可以选择对所有站点广播发送或对特定站点单独发 送。p e e r c o p 简便、可靠的传输极大的减少了出错的可能，也证明选用m b + 网络 是正确的，但要真正确保该方案的最终实现，还必须要降低数据读写时出错的可 浙江大学硕士学位论文 能性。实际的设计中，使用了全厂范围内的统一编址，即对所有需传递的数据进 行一次性编址，每一个信号只有一个地址，所有p l c 也使用相同的地址范围。 这样，在全部p l c 中，相同的地址全都指向同一个信号，不存在信号重复使用 地址的情况，这种规划使通讯程序编制人员的工作量和工作复杂程度大大减少， 最终保证了整个方案的顺利实施。 图2 6 二期系统最终方案 网络的集成为数据的集成提供的保证，但为了系统的结构性考虑，每一个上 层应用不应该为了不同的数据而去不同的数据源读取数据，而是应该为整个系统 建立一个集成的数据平台来简化上层应用的数据存取操作。在整个系统中，一期 系统数据采集提供d d e 接口，二期系统则为m o d b u s 协议接口，而且由于距 离的原因，取水口和厂区采用无线m o d e m 通讯，这也是一个要集成的数据源。 所以新的集成实时数据库必须能满足多方面的要求，并具有一定的扩展性。基于 通用性、扩展性的考虑，我们直接选用m i c r o s o f t 公司的e x e c l 作为实时数据平 台，e x c e l 兼容d d e 、o l e 接口，存取速度也较快，而且采用事件驱动，即储存 1 6 第二章水厂主要工艺 其中的数据改变时会发出消息通知与之链接的上层应用，这一特点可以很好的利 用在控制系统报警事件系统中。其结构见图2 - - 7 。其中上层应用软件采用了由 浙大飞腾科技有限公司自主开发的监控软件系统h m i ，通过e x e c l 统一平台，实 现异构数据源的实时数据交换。 l _ 一一一一一一一王厕一一一一一一一一i 曰围曰曰 图2 7 统一数据平台 7 浙江大学硕士学位论文 第三章取水泵站的自动控制 3 1 引言 在近代的城市给水工程中，由于城市