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摘 要：本论文介绍了碳砂滤池自控系统的设计与实现，并通过上位机实现远程自控和实时监测功能。在使用过程中，该系统运行稳定，效果良好。
关键词：环网;过滤;反冲洗;变频器
1.引言
南水北调是一项跨流域的宏伟工程，其目的在于缓解北方水危机，促进经济发展。石家庄市处于水资源严重短缺的华北地区，石家庄高新区北水厂是南水北调配套工程，使用南水北调的水源给辖区供水，有效节省了地下水资源，同时改善了供水水质。碳砂滤池是北水厂非常重要的一个处理工艺，其是否正常、稳定地运行将直接影响后续处理工艺的运行情况，甚至影响北水厂能否安全、合格的供水。自控系统的实现为碳砂滤池的正常运行提供了强有力保障。
2.碳砂滤池工艺流程
碳砂滤池的处理能力为：150000m3/d ，包含8格滤池。 其过滤工艺过程为：沉淀池出水经臭氧接触池氧化处理后，自流进入滤池配水渠，经配水堰进入每格滤池，向下穿过滤床， 由集水系统进入稳压井，最后经滤池出水总渠进入反冲洗吸水井，然后溢流进入膜车间。
滤池运行包括过滤产水和反冲洗两个过程，在每个过程中需控制相应的阀门的开闭或调解开度，反冲洗过程中还需控制风机和水泵的运行。单格滤池在过滤产水时，保持在恒定液位下连续运行，通过该格滤池中液位计的信号与设定值的比较，自动调节出水阀的开启度，使滤池整个系统水头损失恒定。
除正常过滤产水外，每格滤池还需要定期进行反冲洗。反冲洗启动可由以下三种信号实现：1）预定的时间顺序; 2）达到预定的水头损失;3）人工选择。反冲洗步骤包括降低水位、气冲洗、水冲洗、初滤水排放（5-15min），各步骤的时间可在滤池运行时适当调整。
碳砂滤池配有4台反冲洗水泵和3台反冲洗风机。4台反冲洗水泵，3用1备，由滤池反冲洗程序控制启停。3台反冲洗风机，2用1备，由滤池反冲洗程序控制启停。反冲洗水泵和反冲洗风机为8格滤池共用，根据工艺要求，同一时间只允许一格滤池进行反冲洗。
3.自控系统的组成与实现
碳砂滤池的自控系统包括现场设备、仪表、网络通讯、PLC主站、I/O站和阀岛站、工程师站和操作员站，通过PLC软件编程和上位软件编程实现自动控制和远程监控。
3.1 现场设备和仪表
碳砂滤池系统共有8格滤池，需要控制的设备包括每格滤池的进水阀、出水调节阀、反冲洗进水阀、反冲洗进气阀、反冲洗排水阀、初滤水排放阀、放气阀、反冲洗风机和反冲洗水泵。以上阀门均为气动阀，反冲洗风机和水泵则采用变频控制。
每格滤池安装有液位计、浊度仪和水头损失仪，实时监测每格滤池的运行情况。反冲洗风机总管安装有压力变送器和流量计、反冲洗水泵总管安装有压力变送器和流量计，分别检测压力和流量。
3.2 网络通讯
石家庄高新区北水厂全厂采用开放的、标准的以太网结构，在中控室、絮凝沉淀池、碳砂滤池、膜池、二级泵房、进水仪表间、加氯间、加药间、脱水间分别配有管理型环网交换机，组成全厂大环网，环网结构具有冗余性、可靠性等优点.环网上的某一路链路断开，不会影响全厂网络通讯。
碳砂滤池内的网络系统包括碳砂滤池控制室plc主站、1个本地I/O站、4个滤池I/O站和1个反冲洗阀岛站，分别配有非管理型的环网交换机，组成碳砂滤池小环网。各阀岛、触摸屏及以太网模块接入对应的交换机，然后通过以太网与碳砂滤池控制室的plc主站通讯。反冲洗风机变频器和水泵变频器接入反冲洗阀岛站的交换机，通过以太网與plc主站通讯。碳砂滤池小环网经大环网与北水厂中控室的上位机进行通讯。
3.3 PLC 主站
碳砂滤池中控室配有plc主站，采用Controllogix 热备冗余系统，冗余系统为，互为热备冗余。每个系统都配有一个1756-PA72电源模块、一个1756-L72控制器、一个1756-EN2T以太网模块、一个1756-EN2TR冗余以太网模块、一个1756-RM2冗余模块。冗余系统不需另外编程，正常运行时，2个plc系统为一主一从同步运行，当主plc系统出现异常时，从plc系统自动切换为主系统，且运行数据同步，实现无缝切换，保证了系统运行稳定、可靠。
3.4 I/O站和阀岛站
碳砂滤池自控系统包括1个本地I/O站、4个滤池I/O站和1个反冲洗阀岛站。安装在中控室的本地I/O站配有电源模块、以太网模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块和MODBUS通讯模块。该站接收碳砂滤池共用部分的设备状态及仪表信号，如反冲洗风机、水泵的自动状态、反冲洗风机压力、流量、反冲洗水泵压力、流量及碳砂滤池出水总管调节阀开度等。
每2格滤池配有备1个I/O站，8格滤池共配备4个I/O站。每个I/O站配有电源模块、以太网模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块，负责对应2格滤池的运行监测和控制。
碳砂滤池系统设有1个反冲洗阀岛站， 反冲洗风机变频器和反冲洗水泵变频器及该站的阀岛、触摸屏采用网线接入该站交换机，再接入碳砂滤池小环网。
3.5 工程师站和操作员站
工程师站和操作员站均采用Rockwell公司的Factroytalk View SE系统，该系统采用先进的设计理念，标签经一次定义即可在所有平台通用。Factroytalk View SE系统可以直接使用PLC的变量库而无需另建变量库，可以极大的节省开发时间，减少调试时间。本系统可以兼容以前的RSView 32系统，使老的系统可以直接通过导入、修改就可以生成新的系统，方便于地下水厂老系统升级，升级之后和北水厂系统融合在同一个新系统里。
工程师站安装的是Factroytalk View SE系统的开发平台，主要用于开发、编写、调试应用程序，并生成运行文件。操作员站安装的是Factroytalk View SE系统的运行平台，主要对北水厂运行情况进行远程监视和控制，包括显示设备状态、显示仪表数据、参数设置、历史趋势曲线查询、控制设备的启停、故障报警和记录等。 3.6 plc软件编程
利用RSLogix 5000软件开发平台，采用梯形图形式，编写plc程序。碳砂滤池plc程序分为1个主程序和多个子程序，每个子程序完成一个相对独立的功能，并由主程序统一调用子程序。主要包括下列子程序： I/O数据处理程序、单格滤池的过滤产水控制程序、单格滤池的反冲洗过程控制程序、单格滤池申请反冲洗排队程序、反冲洗风机和水泵定时自动轮换控制程序、MODBUS通讯程序、手动控制程序、故障情况处理程序等。
主要子程序功能介绍：单格滤池的过滤产水控制程序是在过滤产水时控制各个阀门的开闭，通过滤池中液位计的信号与设定值的比较，自动调解出水阀的开度，使滤池在恒定液位下连续运行。
单格滤池的反冲洗过程控制程序是控制反冲洗的步骤顺序，在不同的步骤控制相应的阀门开闭、风机启停、水泵启停及初滤水排放，自动完成反冲洗过程。
单格滤池申请反冲洗排队程序的功能是根据运行条件及仪表数据来判断是否申请反冲洗，并对所有申请反冲洗的单格滤池进行排队以确定优先级和顺序。
MODBUS通讯程序实现与反冲洗风机总管风量计、反冲洗水泵总管流量计通讯，读取其瞬时值和累计值，以准确掌握反冲洗的风量和水量，进而调整变频器频率，保证反冲洗的效果。
故障信号处理程序的功能是当系统运行异常时产生报警信号以提醒运行人员，同时自动对故障情况进行分析、判断，并采取处理措施。
3.7 上位软件编程
工程师站进行上位软件编程并生成运行文件，在操作员站运行，这样运行人员在中控室就可以看到监控画面并能操作，实现远程监测与控制。监控画面包括碳砂滤池总工艺画面、参数设置画面、历史趋势曲线画面、报警画面、单格滤池控制画面、风机水泵控制画面，不仅能实时查看各设备运行状态，还可以实时监测各仪表数据，例如单格滤池液位、浊度、水头损失值、吸水井的液位、吸水井的余二氧化氯值，全面掌握碳砂滤池的运行情况。
4.结束语
碳砂滤池自控系统已经投入运行，系统稳定可靠，操作方便，数据查看简单直观，满足了工艺控制要求，保证了碳砂滤池系统的连续稳定运行。
参考文献：
[1] 洪觉民，现代化净水厂技术手册，北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2] 王倢婷，传感器及应用，北京：中国劳动社会保障出版社，2014
[3] Rockwell Automation， Inc，PowerFlex750系列交流变频器用户手册
作者簡介：黄春玲（1973-），女，本科，工程师，现就职于石家庄高新技术产业开发区供水排水公司，负责生产自控系统的设计与实施。
关键词：环网;过滤;反冲洗;变频器
1.引言
南水北调是一项跨流域的宏伟工程，其目的在于缓解北方水危机，促进经济发展。石家庄市处于水资源严重短缺的华北地区，石家庄高新区北水厂是南水北调配套工程，使用南水北调的水源给辖区供水，有效节省了地下水资源，同时改善了供水水质。碳砂滤池是北水厂非常重要的一个处理工艺，其是否正常、稳定地运行将直接影响后续处理工艺的运行情况，甚至影响北水厂能否安全、合格的供水。自控系统的实现为碳砂滤池的正常运行提供了强有力保障。
2.碳砂滤池工艺流程
碳砂滤池的处理能力为：150000m3/d ，包含8格滤池。 其过滤工艺过程为：沉淀池出水经臭氧接触池氧化处理后，自流进入滤池配水渠，经配水堰进入每格滤池，向下穿过滤床， 由集水系统进入稳压井，最后经滤池出水总渠进入反冲洗吸水井，然后溢流进入膜车间。
滤池运行包括过滤产水和反冲洗两个过程，在每个过程中需控制相应的阀门的开闭或调解开度，反冲洗过程中还需控制风机和水泵的运行。单格滤池在过滤产水时，保持在恒定液位下连续运行，通过该格滤池中液位计的信号与设定值的比较，自动调节出水阀的开启度，使滤池整个系统水头损失恒定。
除正常过滤产水外，每格滤池还需要定期进行反冲洗。反冲洗启动可由以下三种信号实现：1）预定的时间顺序; 2）达到预定的水头损失;3）人工选择。反冲洗步骤包括降低水位、气冲洗、水冲洗、初滤水排放（5-15min），各步骤的时间可在滤池运行时适当调整。
碳砂滤池配有4台反冲洗水泵和3台反冲洗风机。4台反冲洗水泵，3用1备，由滤池反冲洗程序控制启停。3台反冲洗风机，2用1备，由滤池反冲洗程序控制启停。反冲洗水泵和反冲洗风机为8格滤池共用，根据工艺要求，同一时间只允许一格滤池进行反冲洗。
3.自控系统的组成与实现
碳砂滤池的自控系统包括现场设备、仪表、网络通讯、PLC主站、I/O站和阀岛站、工程师站和操作员站，通过PLC软件编程和上位软件编程实现自动控制和远程监控。
3.1 现场设备和仪表
碳砂滤池系统共有8格滤池，需要控制的设备包括每格滤池的进水阀、出水调节阀、反冲洗进水阀、反冲洗进气阀、反冲洗排水阀、初滤水排放阀、放气阀、反冲洗风机和反冲洗水泵。以上阀门均为气动阀，反冲洗风机和水泵则采用变频控制。
每格滤池安装有液位计、浊度仪和水头损失仪，实时监测每格滤池的运行情况。反冲洗风机总管安装有压力变送器和流量计、反冲洗水泵总管安装有压力变送器和流量计，分别检测压力和流量。
3.2 网络通讯
石家庄高新区北水厂全厂采用开放的、标准的以太网结构，在中控室、絮凝沉淀池、碳砂滤池、膜池、二级泵房、进水仪表间、加氯间、加药间、脱水间分别配有管理型环网交换机，组成全厂大环网，环网结构具有冗余性、可靠性等优点.环网上的某一路链路断开，不会影响全厂网络通讯。
碳砂滤池内的网络系统包括碳砂滤池控制室plc主站、1个本地I/O站、4个滤池I/O站和1个反冲洗阀岛站，分别配有非管理型的环网交换机，组成碳砂滤池小环网。各阀岛、触摸屏及以太网模块接入对应的交换机，然后通过以太网与碳砂滤池控制室的plc主站通讯。反冲洗风机变频器和水泵变频器接入反冲洗阀岛站的交换机，通过以太网與plc主站通讯。碳砂滤池小环网经大环网与北水厂中控室的上位机进行通讯。
3.3 PLC 主站
碳砂滤池中控室配有plc主站，采用Controllogix 热备冗余系统，冗余系统为，互为热备冗余。每个系统都配有一个1756-PA72电源模块、一个1756-L72控制器、一个1756-EN2T以太网模块、一个1756-EN2TR冗余以太网模块、一个1756-RM2冗余模块。冗余系统不需另外编程，正常运行时，2个plc系统为一主一从同步运行，当主plc系统出现异常时，从plc系统自动切换为主系统，且运行数据同步，实现无缝切换，保证了系统运行稳定、可靠。
3.4 I/O站和阀岛站
碳砂滤池自控系统包括1个本地I/O站、4个滤池I/O站和1个反冲洗阀岛站。安装在中控室的本地I/O站配有电源模块、以太网模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块和MODBUS通讯模块。该站接收碳砂滤池共用部分的设备状态及仪表信号，如反冲洗风机、水泵的自动状态、反冲洗风机压力、流量、反冲洗水泵压力、流量及碳砂滤池出水总管调节阀开度等。
每2格滤池配有备1个I/O站，8格滤池共配备4个I/O站。每个I/O站配有电源模块、以太网模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块，负责对应2格滤池的运行监测和控制。
碳砂滤池系统设有1个反冲洗阀岛站， 反冲洗风机变频器和反冲洗水泵变频器及该站的阀岛、触摸屏采用网线接入该站交换机，再接入碳砂滤池小环网。
3.5 工程师站和操作员站
工程师站和操作员站均采用Rockwell公司的Factroytalk View SE系统，该系统采用先进的设计理念，标签经一次定义即可在所有平台通用。Factroytalk View SE系统可以直接使用PLC的变量库而无需另建变量库，可以极大的节省开发时间，减少调试时间。本系统可以兼容以前的RSView 32系统，使老的系统可以直接通过导入、修改就可以生成新的系统，方便于地下水厂老系统升级，升级之后和北水厂系统融合在同一个新系统里。
工程师站安装的是Factroytalk View SE系统的开发平台，主要用于开发、编写、调试应用程序，并生成运行文件。操作员站安装的是Factroytalk View SE系统的运行平台，主要对北水厂运行情况进行远程监视和控制，包括显示设备状态、显示仪表数据、参数设置、历史趋势曲线查询、控制设备的启停、故障报警和记录等。 3.6 plc软件编程
利用RSLogix 5000软件开发平台，采用梯形图形式，编写plc程序。碳砂滤池plc程序分为1个主程序和多个子程序，每个子程序完成一个相对独立的功能，并由主程序统一调用子程序。主要包括下列子程序： I/O数据处理程序、单格滤池的过滤产水控制程序、单格滤池的反冲洗过程控制程序、单格滤池申请反冲洗排队程序、反冲洗风机和水泵定时自动轮换控制程序、MODBUS通讯程序、手动控制程序、故障情况处理程序等。
主要子程序功能介绍：单格滤池的过滤产水控制程序是在过滤产水时控制各个阀门的开闭，通过滤池中液位计的信号与设定值的比较，自动调解出水阀的开度，使滤池在恒定液位下连续运行。
单格滤池的反冲洗过程控制程序是控制反冲洗的步骤顺序，在不同的步骤控制相应的阀门开闭、风机启停、水泵启停及初滤水排放，自动完成反冲洗过程。
单格滤池申请反冲洗排队程序的功能是根据运行条件及仪表数据来判断是否申请反冲洗，并对所有申请反冲洗的单格滤池进行排队以确定优先级和顺序。
MODBUS通讯程序实现与反冲洗风机总管风量计、反冲洗水泵总管流量计通讯，读取其瞬时值和累计值，以准确掌握反冲洗的风量和水量，进而调整变频器频率，保证反冲洗的效果。
故障信号处理程序的功能是当系统运行异常时产生报警信号以提醒运行人员，同时自动对故障情况进行分析、判断，并采取处理措施。
3.7 上位软件编程
工程师站进行上位软件编程并生成运行文件，在操作员站运行，这样运行人员在中控室就可以看到监控画面并能操作，实现远程监测与控制。监控画面包括碳砂滤池总工艺画面、参数设置画面、历史趋势曲线画面、报警画面、单格滤池控制画面、风机水泵控制画面，不仅能实时查看各设备运行状态，还可以实时监测各仪表数据，例如单格滤池液位、浊度、水头损失值、吸水井的液位、吸水井的余二氧化氯值，全面掌握碳砂滤池的运行情况。
4.结束语
碳砂滤池自控系统已经投入运行，系统稳定可靠，操作方便，数据查看简单直观，满足了工艺控制要求，保证了碳砂滤池系统的连续稳定运行。
参考文献：
[1] 洪觉民，现代化净水厂技术手册，北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2] 王倢婷，传感器及应用，北京：中国劳动社会保障出版社，2014
[3] Rockwell Automation， Inc，PowerFlex750系列交流变频器用户手册
作者簡介：黄春玲（1973-），女，本科，工程师，现就职于石家庄高新技术产业开发区供水排水公司，负责生产自控系统的设计与实施。