可反冲洗砂滤站分布式控制系统的研究与设计
时间：2023-02-27 19:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
冯友强1，陈智清2，林烨欣1
（1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；
2.河源市粤海水务有限公司，广东 河源 517000）
自来水厂、污水处理厂、工厂用水回收、养殖用水处理等行业进行水处理工序中，由于水中存在悬浮物、有机物、胶体、泥沙和活性氯等物质，常用在水软化处理之前，利用各种罐状过滤器，对水进行过滤。
砂滤罐过滤机理包括两个过程：一是水中悬浮颗粒向滤料颗粒表面输送的过程，二是靠近滤料颗粒表面的悬浮颗粒由于某些力的作用而产生粘附的过程。
水流通过滤层时，滤层孔隙中的水流一般处于层流状态，且存在一个速度梯度，即从滤料颗粒表面滤速接近于零，到孔隙中心滤速达到最大值。随水流一起流动的悬浮颗粒之所以能脱离水流流线向滤料颗粒表面靠近，是由于某些物理因素的作用。这些物理因素有拦截、惯性、扩散、沉降和流体动力作用等[1,2]。
单个过滤罐的过滤水量有限，而且需要停机冲洗，通常是由多个过滤罐组成一个过滤站。本过滤站设计是按30000 吨/天的处理能力进行设计。
1.1 砂滤罐
过滤罐内部装填的滤料可以分为多种，常见的有石英砂、活性炭、陶瓷、锰砂等，一般是多种滤料结合使用。过滤罐通常可以去除水中多种杂质，以保障后续涉水设备的正常运行。本测试项目使用的是石英砂过滤罐，罐内装的材料主要是右英砂，同时还添加了小部分其他材料，如颗粒多孔陶瓷、锰砂等。
过滤罐里面有砂过滤器，过滤器由一个或多个标准的高速过滤单元组成。水流通过内部的布水器及集水器，经过不同的介质能有效地去除颗粒物和降低浊度。若装上特定的滤料，例如活性炭、无烟煤等，还可以吸附去掉相应的有机物、离子等。
单个过滤罐外观如图1，外围有4 个阀门：进水阀、出水阀、反冲洗排污阀、进气阀。
图1 砂滤罐外观及其周边阀门Fig.1 Appearance of sand filter tank and its surrounding valves
1.2 砂滤罐的工作状态
过滤罐有两种工作状态，过滤状态与冲洗状态。过滤罐大多都处于过滤状态，运行至过滤状态时，进、出水阀门均保持全开状态，反冲洗进气阀门、排污阀门保持全关状态。
过滤罐工作一段时间后，在过滤砂层已覆盖了一层小颗粒，如不及时冲洗会影响过滤效果。通常过滤罐被使用了几个小时到10 来个小时，就要进行反冲洗。反冲洗时，进水阀关闭，出水阀保持较小的开度。由于压力差出水阀门的功能变成了进水，进气阀间断地打开，进行气动反冲洗，反冲洗排污阀保持打开状态。
1.3 砂滤站的组合
过滤站是根据用水量，将多个砂滤罐组合而成。按30000 吨/天的处理能力计算，整个系统需要36 个砂滤罐，将其分成4 组，每组由9 个组成，分布如图2的砂滤站的组合。
图2 砂滤站的组合Fig.2 Combination of sand filter station
每一组的9 个过滤罐共用一条进水管与排水管，进气管与反冲洗的排污管也是共用的。然后，4 组同类的管在末端连结在一起。
2.1 阀门选型及电气设计
进水阀、反冲洗阀门、进气阀门在工作时，开至全开状态，而关闭时，关至全闭状态。所以，阀门则可选用开关阀。阀门行业中，有一款合力品牌，其性价比较好，也是国产品牌，不用受制于国外。现场环境较为潮湿，箱体材质选用不易生锈的铝合金压铸件。根据流量选择了一款型号为HL-10 的开关阀，其电源供应是AC220V，电路设计如图3。
图3 开关阀的驱动电路设计Fig.3 Driver circuit design of switching valve
开关阀的电源供应是AC220V，以零线为公共端，由PLC 的扩展模块的输出点驱动阀的开与关。而中间继电器KA20 与KA21，则是判断阀的状态，并将通过其触点组成的回路反馈到PLC 的输入点。
出水阀门由于要按一定的比例打开阀门的开度，所以需要选用比例阀。此处选用了合力品牌的HL-20A 比例阀，其输入控制信号与输出反馈信号都是4mA～20mA 电流信号。电路设计如图4。
图4 比例阀的驱动电路设计Fig.4 Driver circuit design of proportional valve
比例阀的电源供应也是AC220V，由PLC 的模拟量扩展模块EM AM03 的模拟量输出点输入点（AO0+，AO0-）驱动阀门的开度。而阀门的开度，则是通过一个模拟量反馈给同一个PLC 扩展模块的模拟量输入点（AI0+，AI0-）。系统其他阀门电路设计也类似这种结构。
2.2 公布式的网络设计
系统是由9 个砂滤罐组成一组的，同一组的罐相隔比较近。线槽是沿着一组直线布置，同一组的电线布线也较方便。如果跨组布线，则需要跨空或者凿地，这样施工难度较大，用线量较多，布线也混乱，给后期的维护也带来难度。西门子SMART 200PLC 是小型PLC，价格定位比较低，单个PLC 的价格约2000 元人民币，相比大型PLC，工程成本会少一些。而且每一组的工作逻辑是一样的，所以每个PLC 的程序大多是相同的，4 个PLC 都用同一套PLC程序，这样也可减小程序的开发人工。由于以上原因，系统采用分布式控制系统，一组砂滤罐由一个PLC 控制，4个PLC 组成整个站的控制系统。
西门子SMART 200PLC 整个系统都支持工业以太网，所以网络结构用以太网作为网络的枢纽。整个智能控制系统要建立在这个网络上面，内容包括4 个PLC，一个触摸屏，以交换机作为中间的桥梁。同时也接入了广域网，远程的组态软件也可以监控到砂滤站的状态，也可对其进行远程操作。图5是系统网络结构拓扑图。
图5 系统网络结构拓扑图Fig.5 System network structure topology
过滤站控制系统的软件设计内容，主要包括PLC 程序、触摸屏程序、系统参数设定、组态软件程序。
3.1 砂滤站程序的逻辑设计
过滤站的36 个滤罐，每组9 个罐组成一列，4 个也可组成一排。砂滤站在工作过程中按排的顺序进行控制，其中一排是处在反冲洗阶段，其他排则处于正常过滤阶段。具体的工作过程如图6。
图6 过滤站的工作流程图Fig.6 Work flow diagram of filter station
每个PLC 程序的编写也是按此流程图编写，PLC 之间的协同工作则需通过工业局域网进行讯号交互。
3.2 过滤罐的反冲洗程序设计
过滤罐的反冲洗能起到较好的效果，过程比较复杂。其包括多个阶段，每个阶段的程序设计也尽量考虑操作的便捷性，提高操作人员的工作效率。其过程包括以下几个阶段：
阶段一：单水冲洗。自动关闭进水阀至全关状态，出水阀由过滤状态的全开状态关闭至X1=5%开度，到达开度后，打开排污阀门。由于压力差，水会从出水阀门反冲到罐内，从排污阀流出。此阶段保持时间为T1=2min。
阶段二：单气冲洗。单水冲洗阶段结束后，就进入此阶段，进水阀门保持关闭状态，将出水阀门由X2=5%开度调整至全关状态，之后完全打开进气阀。PLC 检测到进气阀门开启传感器信号后，加大鼓风机转速，增大流量，对罐进行气动冲洗，此阶段保持时间为T2=3min。
阶段三：气水联合冲洗。单气冲洗阶段结束后，保持进气阀处于全开状态，排污阀处于开启状态，将出水阀门由全关状态调整至6%开度，气水联合冲洗时长T3=3min。
阶段四：二次单水冲洗。气水联合冲洗阶段结束后，将出水阀门由X2=6%开度调整至全关状态后，停止风机运行，并关闭进气阀至全关状态，进气阀关闭到位后，将出水阀门由全关状态调整至X3=5%开度，单水冲洗时长T3=2min。
阶段五：反冲洗结束。单水冲洗阶段结束后，将排污阀由开状态调整至关闭状态，关闭到位后，将出水阀由X3=5%开度调整至全开状态，出水阀开启到位后，打开进水阀，至此反冲洗过程结束，准备进入到过滤周期。
图7 调试过程的砂滤站实物图Fig.7 Physical map of sand filter station during commissioning
上述各阶段的比例阀的开度，与冲洗时间可以在人机界面进行设定。各阀门如有异常，在PLC 发出命令后，阀门不能动作或没到预定状态，触摸屏应对此有报警反馈显示。
3.3 过滤罐检修及其恢复程序设计
在程序设计时，还有一种状态要考虑的，就是罐体检查维修。当某个单罐检修时，可以在人机界面里对此罐进行禁用设置，禁用后，进、出水阀门及进气阀门关闭，全部阀门关闭信号反馈到PLC 后，将反冲洗排污阀调至全开状态。在整个检修期间，这些阀门都保持这些状态。
单罐检修完毕后，要恢复使用该过滤单元时，应弹出对话窗口进行确认是否恢复该过滤单元正常使用，确认后方可进行阀门动作。砂滤罐恢复使用时，先将反冲洗排污关闭，关闭到位后，打开进水阀门，开启到位后，再开启出水阀门至全开状态。此时，恢复正常过滤状态。
远程操作端可以安装组态软件，组态软件为上层逻辑控制，PLC 为下层逻辑控制。组态软件主要起到人机交互，操作人员可以远程监控水质及设备的状态，也可进行远程操作。同时产生日志，对生产过程进行记录，也可产生水厂运行计划，根据报表对控制系统中的状态按计划自动控制[3]。
控制系统先进行控制柜的制作，完成后，则在现场进行控制柜的安装，并完成外围线路的布置与接线。线路接完后，进入电气I/O 测试阶段，并对各点的状态进行记录，发现问题就及时排查及修改。各I/O 点无误后，则将下载各种程序。再进入设备运行测试阶段，先进行手动测试，之后是自动步测试。
系统在试运行阶段需注意检查各阀门是否能按要求关紧，或打开。如果没有关到位或不能打开，触摸屏会有报警提示，试验人员应当留意及记录。
试验时，对系统的主要指标进行了测量，检查能否达到设计的要求。测试结果见表1。从测试结果分析，此成本较低的分布式控制系统，能达到控制要求，设备运行稳定。
表1 机器调试及结果记录表Table 1 Machine commissioning and result record
系统已试验性运行了3 个月，也出现了一些问题：①阀门关不紧，部分阀门导致漏水或漏气；
②阀门的转动主轴容易生锈，导致阀门卡死，后续应该选用转动轴为优质不锈钢的阀门；
③桥架容易进水，导致桥架生锈与电缆被腐蚀。
