滤池自动控制系统的改造

袁乃煜 盛莉 张建弟

　　地表水的处理一般需要经过加药混凝、沉淀、过滤、消毒等一系列工艺过程，最后由送水泵将合格的饮用水送入千家万户。其中过滤是制水工艺中一个非常重要的环节，过滤效果直接影响着出厂水水质。以石家庄市第八水厂为例，采用的是PLC控制的V型滤池，运行状态良好，但也存在着自动控制系统一旦出现故障，短时内即将导致滤池溢水甚至全厂停产，为此，我们在总结运行经验的基础上，提出了一套V型滤池控制系统故障应急解决方案。

　　一、滤池的工艺及设备情况：

　　我厂的滤池为V型滤池，分为两个组，每组8个滤池，单组最大处理能力16．5万m3／d，正常滤速10．2m3／m2h。单池过滤面积为84m2，中间由H渠分开，沙面上水深1．2m，滤料粒径0．9--1．3mm，厚1．4m。每个滤池共有6个气动阀门，分别是进水提板闸、反冲洗进水阀、反冲洗出水提板闸、反冲洗进气阀、排气阀、清水出水阀。源水经过沉淀池沉淀后，进入滤池，沉后水从进水槽经溢流堰通过进水提板闸进入H渠，再经沙层过滤后通过清水出水阀进入清水池(容积为4．26万m3)。为保证过滤效果，需要清洗滤池滤料，工艺称为反冲洗，滤池的反冲洗依靠时间设定和水头损失来决定，反冲洗分为排水、水冲、气水混冲、表面扫洗、充水五个步骤，由PLC分别控制反冲洗进水阀、反冲洗出水提板闸、反冲洗进气阀、排气阀、清水出水阀、进水提板闸及反冲洗泵、鼓风机等完成整个反冲洗过程。
　　滤站气动阀门气源由Champion公司的空气压缩机提供。气体从进气口经空气过滤器进入工作区经油气分离器、冷却器、前气水分离器、干燥器、后气水分离器进入储气罐用于驱动阀门。储气罐容积为1．9M3，设计压力为0．65—0．8兆帕。滤池清水出水阀是Keyston蝶阀；气动执行机构的气缸直径0．2m，行程0．3m，容积0．018m³，设计压力0．6兆帕；阀门定位器型号为F793 6100，它为电控气动定位器(即电气转换器)，由电流信号驱动，4mA对应蝶阀0％，20mA对应100％。

　　滤池采用集散控制系统，共有8个子PLC，4个为一组，组成两个环网，每个PLC分别由电源模块、中央处理器、通讯接口、输入模块、输出模块等组成。每个子PLC控制两个滤池的过滤，由滤站控制室内的PLC3控制滤池反冲洗，通过总线网将所有生产数据会集到中控室PLC5，进行数据汇总、分析操作。子PLC通过模拟输出模块输出4-20mA信号，控制清水出水阀的开度，控制滤池滤速，维持滤池水位恒定。

　　二、存在问题

　　通过总结四年的运行经验，我们发现滤站自动控制系统易发生如下故障：

　　1、子PLC模拟量输出模块故障。
　　2、电源故障。
　　3、通讯故障。
　　4、PLC处理器故障。
　　分析上述几种故障，将出现：PLC的CPU停止工作、没有模拟量信号输出、程序停止运行、通讯瘫痪等现象，最终结果是导致相关滤池甚至所有滤池停止运行，并且由于清水出水阀是由电流信号驱动，没有电信号阀门将自动关闭，从而在十几分钟内引起滤池溢水，即使迅速按规程关闭进厂水，也需要约半小时的时间，仍难以避免滤池溢水，这将直接导致水厂停产，造成巨大的经济损失。

　　三、解决方案

　　V型滤池控制系统一旦发生故障，为避免滤池溢水首先应考虑沉后水的流—向。如果打开反冲洗提板闸，将水排入泥区，泥区有效容积560M3，5分钟以内将导致泥区溢水，最好的流向应当是清水池，按我厂额定日产水30万M3，清水池剩余容积为2万M3计算，沉后水经滤池过滤后仍可运行1．6小时，这是正常的工艺走向。因此，解决气动清水出水阀动力和控制信号是问题的关键，这样既能避免溢水，又能保证滤池的过滤。
　　另外，我厂储气罐可以在停电时为所有的气动阀门提供60分钟以上正常工作压力，我们为此，提出了为每一组滤池增设一套清水出水阀备用控制器的改造方案。我们所设计的清水出水阀备用控制器，能够为清水出水阀提供一个4—20mA电流信号，即保证阀门的控制信号。这样就为抢修赢得了宝贵时间。

　　四、备用控制器工作原理

　　滤池清水出水阀备用控制器包括自带备用电源及指示的信号发生器(电路见图1)和自动—手动切换开关(接线见图2)两个部分。
　　信号发生器包括：备用电源、开度指示、限流电阻、电位计等。备用电源用来提供电流，电位计用于调节电流输出，电流表显示输出信号0—20mA， 0mA表示PLC控制或控制器故障，4—20mA对应阀门0—100％的输出。
　　手动－自动切换开关部分包括：220AC继电器(K1)、自动。手动切换开关(K2)、6V稳压二极管(R)。将子PLC的模拟输出控制线与继电器的常开触点相连，备用控制器与继电器常闭触点相连。在系统正常运行的情况下，继电器K1的220V线圈电源接通，常开触点闭合，备用控制器断开，使其不影响原有控制系统，由子PLC程序控制清水出水阀开度。当滤池发生停电故障时，继电器K1的220V线圈电源失电，常闭触点闭合，备用控制器将自动启动；当滤池若非停电，而是发生其它故障时，控制器不能自动启动，这时可手动将K2断开启动该备用控制器系统，由备用清水出水阀控制器来人工调节清水出水阀开度。这样就可以保证滤池在各种故障情况下的正常运行。

　　五、备用控制器的安装维护

　　该系统的安装十分简便(见图2)，具体步骤如下：
　　1、断开子PLC柜电源；
　　2、将原有模拟量输出模块控制线接到继电器K1的5—8脚；
　　3、将继电器K1的9—12脚接到清水出水阀；
　　4、将继电器K1的1—4脚接到备用电源l一4脚；
　　5、再将模块的220V控制电源通过开关K2接到K1的13、14脚，即完成接线工作；
　　6、将备用电源平放在子PLC柜内。
　　安装完毕后，需要做如下检测和调试：
　　1、首先调节备用电源旋钮，测量其电流值，观察清水出水阀开度；
　　2、再将子PLC柜上电，通过子PLC程序控制清水出水阀开度，检测本系统是否对原有系统有影响；
　　3、将K2断开，选择备用控制器控制清水出水阀，检测手动控制是否灵活。
　　以上均无问题，说明控制器安装正确，可以将滤池投入自动过滤。这样即可保证滤池的正常过滤，又能在滤池发生故障时保证不停产的情况下等待维修，避免事故的进一步扩展。
　　该系统在维护方面也十分简便：
　　1、每月将清水出水阀备用控制器手动投入运行一次，观察控制器操作是否灵活，是否有电流信号输出。如果没有信号，应及时更换3节9V干电池，检查电器元件。
　　2、每三个月更换一次干电池。

　　六、系统评价

　　这套控制器的设计思想是在气动执行机构的基础上，为保障生产、赢得维修时间而设计的，它具有成本低廉、体积小巧、安装维护简便、安全实用等特点。通过一段时间的试运行，效果良好。特别是今年春节期间，该系统在停电时发挥了重要作用，为水厂的安全生产和连续运行提供了保证。
　　另外，还可以将本设计进一步改造，加入一套清水出水阀控制信号侦测系统，在控制信号低于4mA时启动该系统，再引入滤池液位信号，加入PID控制装置实现清水出水阀开度的自动控制。这样，在PLC控制系统出现故障时，该系统也可保证滤池的自动过滤。避免故障的进一步扩展，为维修提供时间。
　　V型滤池是在当前地表水处理中选用较多的一种快滤池，它的运行状况良好，控制系统和设备也基本相似，因此我们设计的这套清水出水阀备用控制器系统是原PLC控制系统的进一步完善，在全国同类水厂中具有重要的推广应用价值。

　　材料表：
　　备用电源：3节9V干电池
　　开度指示：2块0-20mA电流表
　　限流电阻：2个1.2kΩ电阻
　　电位计：2个7KΩ电阻