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摘要：V型滤池是整个水厂处理工艺中最重要的环节，而滤池的控制系统又是保证滤池正常、高效运行的关键。本文结合山西运城安邑水厂的实际情况，完成控制系统设计，使得滤池液位保持在恒定值，并将反洗效果达到了最佳状态。
关键词：V型滤池;恒水位;反冲洗;
V型滤池属于快滤池中的一种，其进水槽形状呈V字形，也称为均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料），它是于20世纪80年代末我国从法国Degremont公司引进的技术。它是整个水厂处理工艺中最重要的环节，而滤池的控制系统又是保证滤池正常、高效运行的关键。所以滤池控制系统设计的好坏，直接关系到整个水厂的出水水质是否达标，产水成本的高低。本文结合山西运城安邑水厂的实际情况，完成控制系统设计，通过使用PID算法控制器，使V型滤池液位能迅速稳定在设定范围内。通过PLC及上位机的结合，反洗效果也达到了最佳状态。
1.V型滤池工艺介绍
V型滤池包括滤池本体、反冲洗鼓风机房、反冲洗水泵房、反冲洗水池、配电间。根据山西运城安邑水厂规模，可以设置4个数量的滤格。滤池的工作过程分为恒水位过滤及反冲洗。恒水位过滤时，打开进水阀，根据超声波液位计采集的液位值，通过PLC经过PID运算后控制出水调节阀的开度，保持液位的恒定。反冲洗分为气洗、气水洗、水洗三个阶段，主要用来保证滤料的清洁。
2. V型滤池控制系统组成
V型滤池的控制系统分三层，分别为现场层、控制层及管理层。
现场层包括现场PLC、风机控制箱、水泵控制箱、阀门、仪表、空压机。每个滤池包含进水阀门、出水阀门、反冲洗进气阀门、反冲洗进水阀门、反冲洗排水阀、放空阀六个阀门。滤格超声波液位计、水头损失仪两块仪表。空压机、水泵、风机及反冲洗进水总阀为公共设备。清水池超声波液位计、进出水浊度仪及反冲洗流量计为公共仪表。山西运城安邑水厂的PLC采用西门子S7-300，现场每两组滤格使用一套PLC，公共设备使用一套PLC。所有数据通过工业以太网传到中控室上位机中，在上位机上以图形化界面实时显示出来。通过PLC 数字量输入模块采集风机、阀门、水泵的开到位、关到位、运行、停止、故障、远程/就地状态。通过PLC 数字量输出模块控制风机、阀门、水泵的启停、开闭。通过PLC 模拟量输入模块采集各个滤池的液位、水头损失、浊度等参数。模拟量输出模块控制出水阀的开度。通过控制柜内的工业级交换机完成数据的交换。
控制层主要由两套工控机及打印机组成，两套工控机互为热备。通过组态软件将工控机配置为客户机，读取数据服务器上的数据。通过组态可以在工控机上实现如下功能：
1）工艺流程及设备的图形化显示。所有设备状态通过颜色来区别，画面采用3D画面，根据建筑物比例建模，让操作人员一目了然。
2）现场设备状态实时显示。通过画面上的设备颜色来判断设备状态，绿色为运行，黄色为故障，红色为停止。
3）现场设备的实时控制。对设备进行启停、开闭操作。当设备因为故障不能动作时，画面提示拒动。
4）仪表参数显示。在画面上实时显示仪表的当前值，当超过正常值时，以红色字体显示，恢复正常后，字体变成绿色。
5）声光报警。当设备故障或仪表参数超过限值时，上位机发出报警声，同时出现故障的设备或数值超限的仪表开始变成黄色并且闪烁。
6）生成日、周、月、年报表及自动打印。通过报表功能可以查询任意时间滤池的运行情况、各仪表参数。
7）历史趋势曲线。参数设置。报警记录。权限设置。通过在上位机上设置的权限，管理人员能够对滤池反冲洗的各个阶段的时间进行设置。
管理层主要由服务器组成，通过组态软件将服务器配制成数据服务器。PLC将采集到的数据通过以太网输送到数据服务器，服务器将数据存储归档，并接收客户机的访问，同时客户机也可通过数据服务器给PLC下达控制指令。
3.滤池控制系统设计
山西运城安邑水厂的滤池分为4格，并联运行，滤池的控制系统主要是由恒水位控制和反冲洗控制两部分组成。
3.1恒水位控制
为了保证出水水质，需要将滤池液位维持在一定高度，一般为滤砂上1.2米±0.05米。在滤池上安装超声波液位计，实时检测滤池的液位，通过4～20mA电流信号传到PLC模拟量采集模块。经过CPU的计算，PLC模拟量输出模块输出4～20mA电流信号控制现场排水调节阀的开度，来维持液位的稳定。
当液位升高超出设定值，则开大阀门，超出的设定值越多，阀门的开度越大。当液面降低至设定值以下，则将阀门开度关小，液面与设定值的差值绝对值越大，阀门开度越小。但越接近设定值，阀门的开度越难控制，经常会出现超调的现象，使液位在设定值上下大幅度来回波动。通过使用S7-300的PID算法功能块，有效的避免了超调现象，通常一次就将液位很好的控制在了设定值范围内。
为了避免排水调节阀的频繁动作，减少阀门寿命，同时保证出水水质，将液位维持到1.15-1.25米之间。当液位在此区间时，暂停PID算法控制器的输出，使阀门开度保持在控制器的最近一次设定。通过现场调试，最终阀门每隔十分钟动作一次。
3.2反冲洗控制
滤池由于长时间过滤，水中的杂质都沉积到滤料中，影响了出水流量及过滤效果。通过反冲洗将滤料中的杂质去除，恢复过滤效果。
反冲洗流程为：气洗3-5分钟，然后气水混合洗3-5分钟，最后水洗3-5分鐘。反冲洗触发条件为：通过PLC累计滤池的反洗时间，当反洗时间达到后，自动反洗。当有需要时，可以通过工控机上按钮触发反洗。安装在滤板下的压差传感器检测到压力增大到一定值时，触发反冲洗。当一个滤格正在反洗时，如果另一个滤格也达到了反洗条件，则等待之前的滤格反洗完后再进行反洗。
4.小结
通过PLC中的PID算法控制器，使得滤池液位保持在恒定值，滤池的反洗效果达到了最佳状态。通过PLC的逻辑控制，使复杂的反冲洗过程准确执行，当碰到几个滤格同时需要反洗时，能很好的判断先后顺序。而上位机的报表功能及历史趋势曲线让数据有迹可查，可以更加合理的调整反冲洗周期，有效使用设备。本套控制系统在山西运城安邑水厂使用，目前运行良好，大大减少了出水调节阀门的动作次数，保证了设备的寿命。根据上位机上的报表及数据历史曲线，优化反冲洗各个阶段的时间，节约了水量、电量、保证了设备的寿命。
参考文献
[1]钱宏.基于GE_PLC的V型滤池自动化控制系统的设计与应用[J].自动化与仪器仪表.2014，05
[2]康守卫.水厂V型滤池的自动化控制设计[J].地下水，2008，05：114-115.
关键词：V型滤池;恒水位;反冲洗;
V型滤池属于快滤池中的一种，其进水槽形状呈V字形，也称为均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料），它是于20世纪80年代末我国从法国Degremont公司引进的技术。它是整个水厂处理工艺中最重要的环节，而滤池的控制系统又是保证滤池正常、高效运行的关键。所以滤池控制系统设计的好坏，直接关系到整个水厂的出水水质是否达标，产水成本的高低。本文结合山西运城安邑水厂的实际情况，完成控制系统设计，通过使用PID算法控制器，使V型滤池液位能迅速稳定在设定范围内。通过PLC及上位机的结合，反洗效果也达到了最佳状态。
1.V型滤池工艺介绍
V型滤池包括滤池本体、反冲洗鼓风机房、反冲洗水泵房、反冲洗水池、配电间。根据山西运城安邑水厂规模，可以设置4个数量的滤格。滤池的工作过程分为恒水位过滤及反冲洗。恒水位过滤时，打开进水阀，根据超声波液位计采集的液位值，通过PLC经过PID运算后控制出水调节阀的开度，保持液位的恒定。反冲洗分为气洗、气水洗、水洗三个阶段，主要用来保证滤料的清洁。
2. V型滤池控制系统组成
V型滤池的控制系统分三层，分别为现场层、控制层及管理层。
现场层包括现场PLC、风机控制箱、水泵控制箱、阀门、仪表、空压机。每个滤池包含进水阀门、出水阀门、反冲洗进气阀门、反冲洗进水阀门、反冲洗排水阀、放空阀六个阀门。滤格超声波液位计、水头损失仪两块仪表。空压机、水泵、风机及反冲洗进水总阀为公共设备。清水池超声波液位计、进出水浊度仪及反冲洗流量计为公共仪表。山西运城安邑水厂的PLC采用西门子S7-300，现场每两组滤格使用一套PLC，公共设备使用一套PLC。所有数据通过工业以太网传到中控室上位机中，在上位机上以图形化界面实时显示出来。通过PLC 数字量输入模块采集风机、阀门、水泵的开到位、关到位、运行、停止、故障、远程/就地状态。通过PLC 数字量输出模块控制风机、阀门、水泵的启停、开闭。通过PLC 模拟量输入模块采集各个滤池的液位、水头损失、浊度等参数。模拟量输出模块控制出水阀的开度。通过控制柜内的工业级交换机完成数据的交换。
控制层主要由两套工控机及打印机组成，两套工控机互为热备。通过组态软件将工控机配置为客户机，读取数据服务器上的数据。通过组态可以在工控机上实现如下功能：
1）工艺流程及设备的图形化显示。所有设备状态通过颜色来区别，画面采用3D画面，根据建筑物比例建模，让操作人员一目了然。
2）现场设备状态实时显示。通过画面上的设备颜色来判断设备状态，绿色为运行，黄色为故障，红色为停止。
3）现场设备的实时控制。对设备进行启停、开闭操作。当设备因为故障不能动作时，画面提示拒动。
4）仪表参数显示。在画面上实时显示仪表的当前值，当超过正常值时，以红色字体显示，恢复正常后，字体变成绿色。
5）声光报警。当设备故障或仪表参数超过限值时，上位机发出报警声，同时出现故障的设备或数值超限的仪表开始变成黄色并且闪烁。
6）生成日、周、月、年报表及自动打印。通过报表功能可以查询任意时间滤池的运行情况、各仪表参数。
7）历史趋势曲线。参数设置。报警记录。权限设置。通过在上位机上设置的权限，管理人员能够对滤池反冲洗的各个阶段的时间进行设置。
管理层主要由服务器组成，通过组态软件将服务器配制成数据服务器。PLC将采集到的数据通过以太网输送到数据服务器，服务器将数据存储归档，并接收客户机的访问，同时客户机也可通过数据服务器给PLC下达控制指令。
3.滤池控制系统设计
山西运城安邑水厂的滤池分为4格，并联运行，滤池的控制系统主要是由恒水位控制和反冲洗控制两部分组成。
3.1恒水位控制
为了保证出水水质，需要将滤池液位维持在一定高度，一般为滤砂上1.2米±0.05米。在滤池上安装超声波液位计，实时检测滤池的液位，通过4～20mA电流信号传到PLC模拟量采集模块。经过CPU的计算，PLC模拟量输出模块输出4～20mA电流信号控制现场排水调节阀的开度，来维持液位的稳定。
当液位升高超出设定值，则开大阀门，超出的设定值越多，阀门的开度越大。当液面降低至设定值以下，则将阀门开度关小，液面与设定值的差值绝对值越大，阀门开度越小。但越接近设定值，阀门的开度越难控制，经常会出现超调的现象，使液位在设定值上下大幅度来回波动。通过使用S7-300的PID算法功能块，有效的避免了超调现象，通常一次就将液位很好的控制在了设定值范围内。
为了避免排水调节阀的频繁动作，减少阀门寿命，同时保证出水水质，将液位维持到1.15-1.25米之间。当液位在此区间时，暂停PID算法控制器的输出，使阀门开度保持在控制器的最近一次设定。通过现场调试，最终阀门每隔十分钟动作一次。
3.2反冲洗控制
滤池由于长时间过滤，水中的杂质都沉积到滤料中，影响了出水流量及过滤效果。通过反冲洗将滤料中的杂质去除，恢复过滤效果。
反冲洗流程为：气洗3-5分钟，然后气水混合洗3-5分钟，最后水洗3-5分鐘。反冲洗触发条件为：通过PLC累计滤池的反洗时间，当反洗时间达到后，自动反洗。当有需要时，可以通过工控机上按钮触发反洗。安装在滤板下的压差传感器检测到压力增大到一定值时，触发反冲洗。当一个滤格正在反洗时，如果另一个滤格也达到了反洗条件，则等待之前的滤格反洗完后再进行反洗。
4.小结
通过PLC中的PID算法控制器，使得滤池液位保持在恒定值，滤池的反洗效果达到了最佳状态。通过PLC的逻辑控制，使复杂的反冲洗过程准确执行，当碰到几个滤格同时需要反洗时，能很好的判断先后顺序。而上位机的报表功能及历史趋势曲线让数据有迹可查，可以更加合理的调整反冲洗周期，有效使用设备。本套控制系统在山西运城安邑水厂使用，目前运行良好，大大减少了出水调节阀门的动作次数，保证了设备的寿命。根据上位机上的报表及数据历史曲线，优化反冲洗各个阶段的时间，节约了水量、电量、保证了设备的寿命。
参考文献
[1]钱宏.基于GE_PLC的V型滤池自动化控制系统的设计与应用[J].自动化与仪器仪表.2014，05
[2]康守卫.水厂V型滤池的自动化控制设计[J].地下水，2008，05：114-115.