馮友強1，陳智清2，林燁欣1

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.河源市粵海水務(wù)有限公司，廣東 河源 517000）

自來水廠、污水處理廠、工廠用水回收、養(yǎng)殖用水處理等行業(yè)進行水處理工序中，由于水中存在懸浮物、有機物、膠體、泥沙和活性氯等物質(zhì)，常用在水軟化處理之前，利用各種罐狀過濾器，對水進行過濾。

砂濾罐過濾機理包括兩個過程：一是水中懸浮顆粒向濾料顆粒表面輸送的過程，二是靠近濾料顆粒表面的懸浮顆粒由于某些力的作用而產(chǎn)生粘附的過程。

水流通過濾層時，濾層孔隙中的水流一般處于層流狀態(tài)，且存在一個速度梯度，即從濾料顆粒表面濾速接近于零，到孔隙中心濾速達到最大值。隨水流一起流動的懸浮顆粒之所以能脫離水流流線向濾料顆粒表面靠近，是由于某些物理因素的作用。這些物理因素有攔截、慣性、擴散、沉降和流體動力作用等[1,2]。

1 砂濾站的工藝設(shè)計

單個過濾罐的過濾水量有限，而且需要停機沖洗，通常是由多個過濾罐組成一個過濾站。本過濾站設(shè)計是按30000 噸/天的處理能力進行設(shè)計。

1.1 砂濾罐

過濾罐內(nèi)部裝填的濾料可以分為多種，常見的有石英砂、活性炭、陶瓷、錳砂等，一般是多種濾料結(jié)合使用。過濾罐通?？梢匀コ卸喾N雜質(zhì)，以保障后續(xù)涉水設(shè)備的正常運行。本測試項目使用的是石英砂過濾罐，罐內(nèi)裝的材料主要是右英砂，同時還添加了小部分其他材料，如顆粒多孔陶瓷、錳砂等。

過濾罐里面有砂過濾器，過濾器由一個或多個標(biāo)準(zhǔn)的高速過濾單元組成。水流通過內(nèi)部的布水器及集水器，經(jīng)過不同的介質(zhì)能有效地去除顆粒物和降低濁度。若裝上特定的濾料，例如活性炭、無煙煤等，還可以吸附去掉相應(yīng)的有機物、離子等。

單個過濾罐外觀如圖1，外圍有4 個閥門：進水閥、出水閥、反沖洗排污閥、進氣閥。

圖1 砂濾罐外觀及其周邊閥門Fig.1 Appearance of sand filter tank and its surrounding valves

1.2 砂濾罐的工作狀態(tài)

過濾罐有兩種工作狀態(tài)，過濾狀態(tài)與沖洗狀態(tài)。過濾罐大多都處于過濾狀態(tài)，運行至過濾狀態(tài)時，進、出水閥門均保持全開狀態(tài)，反沖洗進氣閥門、排污閥門保持全關(guān)狀態(tài)。

過濾罐工作一段時間后，在過濾砂層已覆蓋了一層小顆粒，如不及時沖洗會影響過濾效果。通常過濾罐被使用了幾個小時到10 來個小時，就要進行反沖洗。反沖洗時，進水閥關(guān)閉，出水閥保持較小的開度。由于壓力差出水閥門的功能變成了進水，進氣閥間斷地打開，進行氣動反沖洗，反沖洗排污閥保持打開狀態(tài)。

1.3 砂濾站的組合

過濾站是根據(jù)用水量，將多個砂濾罐組合而成。按30000 噸/天的處理能力計算，整個系統(tǒng)需要36 個砂濾罐，將其分成4 組，每組由9 個組成，分布如圖2的砂濾站的組合。

圖2 砂濾站的組合Fig.2 Combination of sand filter station

每一組的9 個過濾罐共用一條進水管與排水管，進氣管與反沖洗的排污管也是共用的。然后，4 組同類的管在末端連結(jié)在一起。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 閥門選型及電氣設(shè)計

進水閥、反沖洗閥門、進氣閥門在工作時，開至全開狀態(tài)，而關(guān)閉時，關(guān)至全閉狀態(tài)。所以，閥門則可選用開關(guān)閥。閥門行業(yè)中，有一款合力品牌，其性價比較好，也是國產(chǎn)品牌，不用受制于國外。現(xiàn)場環(huán)境較為潮濕，箱體材質(zhì)選用不易生銹的鋁合金壓鑄件。根據(jù)流量選擇了一款型號為HL-10 的開關(guān)閥，其電源供應(yīng)是AC220V，電路設(shè)計如圖3。

圖3 開關(guān)閥的驅(qū)動電路設(shè)計Fig.3 Driver circuit design of switching valve

開關(guān)閥的電源供應(yīng)是AC220V，以零線為公共端，由PLC 的擴展模塊的輸出點驅(qū)動閥的開與關(guān)。而中間繼電器KA20 與KA21，則是判斷閥的狀態(tài)，并將通過其觸點組成的回路反饋到PLC 的輸入點。

出水閥門由于要按一定的比例打開閥門的開度，所以需要選用比例閥。此處選用了合力品牌的HL-20A 比例閥，其輸入控制信號與輸出反饋信號都是4mA～20mA 電流信號。電路設(shè)計如圖4。

圖4 比例閥的驅(qū)動電路設(shè)計Fig.4 Driver circuit design of proportional valve

比例閥的電源供應(yīng)也是AC220V，由PLC 的模擬量擴展模塊EM AM03 的模擬量輸出點輸入點（AO0+，AO0-）驅(qū)動閥門的開度。而閥門的開度，則是通過一個模擬量反饋給同一個PLC 擴展模塊的模擬量輸入點（AI0+，AI0-）。系統(tǒng)其他閥門電路設(shè)計也類似這種結(jié)構(gòu)。

2.2 公布式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

系統(tǒng)是由9 個砂濾罐組成一組的，同一組的罐相隔比較近。線槽是沿著一組直線布置，同一組的電線布線也較方便。如果跨組布線，則需要跨空或者鑿地，這樣施工難度較大，用線量較多，布線也混亂，給后期的維護也帶來難度。西門子SMART 200PLC 是小型PLC，價格定位比較低，單個PLC 的價格約2000 元人民幣，相比大型PLC，工程成本會少一些。而且每一組的工作邏輯是一樣的，所以每個PLC 的程序大多是相同的，4 個PLC 都用同一套PLC程序，這樣也可減小程序的開發(fā)人工。由于以上原因，系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)，一組砂濾罐由一個PLC 控制，4個PLC 組成整個站的控制系統(tǒng)。

西門子SMART 200PLC 整個系統(tǒng)都支持工業(yè)以太網(wǎng)，所以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的樞紐。整個智能控制系統(tǒng)要建立在這個網(wǎng)絡(luò)上面，內(nèi)容包括4 個PLC，一個觸摸屏，以交換機作為中間的橋梁。同時也接入了廣域網(wǎng)，遠程的組態(tài)軟件也可以監(jiān)控到砂濾站的狀態(tài)，也可對其進行遠程操作。圖5是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.5 System network structure topology

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

過濾站控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計內(nèi)容，主要包括PLC 程序、觸摸屏程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、組態(tài)軟件程序。

3.1 砂濾站程序的邏輯設(shè)計

過濾站的36 個濾罐，每組9 個罐組成一列，4 個也可組成一排。砂濾站在工作過程中按排的順序進行控制，其中一排是處在反沖洗階段，其他排則處于正常過濾階段。具體的工作過程如圖6。

圖6 過濾站的工作流程圖Fig.6 Work flow diagram of filter station

每個PLC 程序的編寫也是按此流程圖編寫，PLC 之間的協(xié)同工作則需通過工業(yè)局域網(wǎng)進行訊號交互。

3.2 過濾罐的反沖洗程序設(shè)計

過濾罐的反沖洗能起到較好的效果，過程比較復(fù)雜。其包括多個階段，每個階段的程序設(shè)計也盡量考慮操作的便捷性，提高操作人員的工作效率。其過程包括以下幾個階段：

階段一：單水沖洗。自動關(guān)閉進水閥至全關(guān)狀態(tài)，出水閥由過濾狀態(tài)的全開狀態(tài)關(guān)閉至X1=5%開度，到達開度后，打開排污閥門。由于壓力差，水會從出水閥門反沖到罐內(nèi)，從排污閥流出。此階段保持時間為T1=2min。

階段二：單氣沖洗。單水沖洗階段結(jié)束后，就進入此階段，進水閥門保持關(guān)閉狀態(tài)，將出水閥門由X2=5%開度調(diào)整至全關(guān)狀態(tài)，之后完全打開進氣閥。PLC 檢測到進氣閥門開啟傳感器信號后，加大鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速，增大流量，對罐進行氣動沖洗，此階段保持時間為T2=3min。

階段三：氣水聯(lián)合沖洗。單氣沖洗階段結(jié)束后，保持進氣閥處于全開狀態(tài)，排污閥處于開啟狀態(tài)，將出水閥門由全關(guān)狀態(tài)調(diào)整至6%開度，氣水聯(lián)合沖洗時長T3=3min。

階段四：二次單水沖洗。氣水聯(lián)合沖洗階段結(jié)束后，將出水閥門由X2=6%開度調(diào)整至全關(guān)狀態(tài)后，停止風(fēng)機運行，并關(guān)閉進氣閥至全關(guān)狀態(tài)，進氣閥關(guān)閉到位后，將出水閥門由全關(guān)狀態(tài)調(diào)整至X3=5%開度，單水沖洗時長T3=2min。

階段五：反沖洗結(jié)束。單水沖洗階段結(jié)束后，將排污閥由開狀態(tài)調(diào)整至關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉到位后，將出水閥由X3=5%開度調(diào)整至全開狀態(tài)，出水閥開啟到位后，打開進水閥，至此反沖洗過程結(jié)束，準(zhǔn)備進入到過濾周期。

圖7 調(diào)試過程的砂濾站實物圖Fig.7 Physical map of sand filter station during commissioning

上述各階段的比例閥的開度，與沖洗時間可以在人機界面進行設(shè)定。各閥門如有異常，在PLC 發(fā)出命令后，閥門不能動作或沒到預(yù)定狀態(tài)，觸摸屏應(yīng)對此有報警反饋顯示。

3.3 過濾罐檢修及其恢復(fù)程序設(shè)計

在程序設(shè)計時，還有一種狀態(tài)要考慮的，就是罐體檢查維修。當(dāng)某個單罐檢修時，可以在人機界面里對此罐進行禁用設(shè)置，禁用后，進、出水閥門及進氣閥門關(guān)閉，全部閥門關(guān)閉信號反饋到PLC 后，將反沖洗排污閥調(diào)至全開狀態(tài)。在整個檢修期間，這些閥門都保持這些狀態(tài)。

單罐檢修完畢后，要恢復(fù)使用該過濾單元時，應(yīng)彈出對話窗口進行確認是否恢復(fù)該過濾單元正常使用，確認后方可進行閥門動作。砂濾罐恢復(fù)使用時，先將反沖洗排污關(guān)閉，關(guān)閉到位后，打開進水閥門，開啟到位后，再開啟出水閥門至全開狀態(tài)。此時，恢復(fù)正常過濾狀態(tài)。

遠程操作端可以安裝組態(tài)軟件，組態(tài)軟件為上層邏輯控制，PLC 為下層邏輯控制。組態(tài)軟件主要起到人機交互，操作人員可以遠程監(jiān)控水質(zhì)及設(shè)備的狀態(tài)，也可進行遠程操作。同時產(chǎn)生日志，對生產(chǎn)過程進行記錄，也可產(chǎn)生水廠運行計劃，根據(jù)報表對控制系統(tǒng)中的狀態(tài)按計劃自動控制[3]。

4 調(diào)試與結(jié)論

控制系統(tǒng)先進行控制柜的制作，完成后，則在現(xiàn)場進行控制柜的安裝，并完成外圍線路的布置與接線。線路接完后，進入電氣I/O 測試階段，并對各點的狀態(tài)進行記錄，發(fā)現(xiàn)問題就及時排查及修改。各I/O 點無誤后，則將下載各種程序。再進入設(shè)備運行測試階段，先進行手動測試，之后是自動步測試。

系統(tǒng)在試運行階段需注意檢查各閥門是否能按要求關(guān)緊，或打開。如果沒有關(guān)到位或不能打開，觸摸屏?xí)袌缶崾荆囼炄藛T應(yīng)當(dāng)留意及記錄。

試驗時，對系統(tǒng)的主要指標(biāo)進行了測量，檢查能否達到設(shè)計的要求。測試結(jié)果見表1。從測試結(jié)果分析，此成本較低的分布式控制系統(tǒng)，能達到控制要求，設(shè)備運行穩(wěn)定。

表1 機器調(diào)試及結(jié)果記錄表Table 1 Machine commissioning and result record

系統(tǒng)已試驗性運行了3 個月，也出現(xiàn)了一些問題：①閥門關(guān)不緊，部分閥門導(dǎo)致漏水或漏氣；②閥門的轉(zhuǎn)動主軸容易生銹，導(dǎo)致閥門卡死，后續(xù)應(yīng)該選用轉(zhuǎn)動軸為優(yōu)質(zhì)不銹鋼的閥門；③橋架容易進水，導(dǎo)致橋架生銹與電纜被腐蝕。