气动阀门控制方式在滤池控制系统中的比选应用_丁琛.pdf

2023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）气动阀门控制方式在滤池控制系统中的比选应用Comparative Application of Pneumatic Valve Control Mode in Filter Control System丁琛（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）DING Chen（10th Branch of Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，Gansu，China）摘要：通过介绍滤池自控系统中气动阀门的控制需求，分析不同工况下气动阀门不同控制方式及选择。结合市政工程实例，探讨气动阀门控制方式在滤池控制系统中的比选应用，希望在滤池控制系统阀门控制方式选取灵活性上提供一定参考，优化不同工况下滤池控制系统中气动阀门的控制，提高污水处理工艺运行的稳定性。关键词：气动阀门控制；阀岛；滤池；IO站Abstract：This paper introduces the control requirements of pneumatic valves in filter automatic control system，analyzes the different control modes and choices of pneumatic valves under different working conditions.Finally，combined with municipal engineering examples，the comparative application of pneumatic valve control mode in filter control system is discussed，hoping to provide some reference for the flexibility of valve control mode selection in filter control system，optimize the control of pneumatic valve in filter control system under different working conditions，and improve the stability of sewage treatment process operation.Key words：pneumatic valve control；valve island；filter；IO station中图分类号：TU 991.62 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）03-0057-041前言如今城市市政污水处理厂的自动控制水平在控制方式、理念上都有了新的突破和发展，特别是关键工艺流程滤池的控制水平更是代表了整个水厂控制水平。因此，滤池的控制在水厂自控系统中显得尤为重要，滤池运行的气动阀门的控制问题、优化比选气动阀门的控制方式是市政污水厂自控系统中重要的研究方向。气动阀门是市政行业各种水处理工艺中自动控制系统的重要执行终端，气动阀门的传统控制方式是按照完整的气动阀门控制系统进行配置，从而实现单台阀门的独立灵活控制。随着集中式电磁阀控制理念的提出，“阀岛”作为气动阀门的新型控制方式应运而生。相比传统控制方式，阀岛控制在实际工程应用中有明显的优势和发展前景，但传统控制方式凭借其技术成熟稳定性，以及应用不受限制等不可替代性，有其不可忽视的重要地位。随着污水处理水质指标的不断提高，深度处理工艺已成为必不可少的水处理工艺环节，在所有的深度处理过程中，过滤是一个十分重要环节，直接影响出厂水水质达标情况。气动阀门控制作为滤池控制系统中最主要的控制手段，成为代表整个水厂控制水平的重要标志，对于气动阀门控制方式的技术革新和优化比选也成为水处理自控设计工作必须要面对和考虑的问题。2滤池阀门控制需求各类滤池工艺结构形式从原理上看大同小异，主要由滤板、滤料(粗细不同的粒径石英砂组成，并分层分布)、排水渠、出水井、工艺管道等组成，主要气动阀门包括进水阀、出水闸门、反冲洗进水阀、反冲洗排水阀、反冲洗气阀等，所有阀门均采用气动阀门(按动作形式分为直行程、角行程)，通过空压机系统提供阀门控制所需的气源系统。每一格滤池正常运行，以及反冲洗通过控制气动阀门开关动作实现，所有滤池阀门的开关均按照控制台内可编程逻 辑 控 制 器(Programmable Logic Controller，PLC)程序指令完成，从而实现了滤池自动化运行。滤池运行方式为过滤、反冲洗交替运行。过滤时，关闭冲洗进水阀门、进气阀门，开启进水阀门、清水出水闸门。当滤后水质逐渐变差时，进行滤池反冲洗，首先关闭进水阀门，保持表面扫洗进水孔处于开启状态，待砂面上水位下降到和排水渠渠顶 工程应用 57Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control齐平时，关闭清水出水闸门。气动鼓风机，开启空气进气阀，进行空气反冲洗，之后气动反冲洗泵，开启冲洗水阀，进行气、水同时冲洗，最后关闭进气阀门，停 止 空 气 冲 洗，单 独 用 水 冲 洗，具 体 如 图 1所示。3传统的阀门控制方式完整的气动阀门控制系统包含阀体、机械执行结构、电磁阀、限位开关、气路系统（含减压阀、气源过滤器）、上游控制器 PLC、连接阀门设备和 PLC 间的信号电缆，单台阀门的控制必须满足以上完整的控制系统配置才能实现。因此，气动阀门的传统控制通常需要集成了电磁阀，以及限位开关的气动阀门和 PLC，通过信号电缆进行阀门动作信号、位置指示信号向 PLC 的传输，并向气动阀门一对一配备所 需 气 源 管 线，组 成 完 整 的 气 动 阀 门 自 动 控 制系统。传统气动阀门控制方式的主要特点如下：（1）单台阀门控制均需配置完整气动控制系统，单台投资较高，但集成化气动阀门为大众化产品，技术成熟稳定；（2）阀门气源一对一配置，适用阀门分布不集中的工况，对大口径气动阀门控制可靠有保障；（3）电磁阀分散化控制，故障点多，调试复杂；（4）传动控制方式经历长时间发展，产品适配性好，应用灵活。4阀岛控制原理阀岛是新一代气电一体化控制元器件，已从最初带多针接口的阀岛发展为带现场总线的阀岛，继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。阀岛将原阀门上的电磁阀集中化，即将控制每个阀门开关的电磁阀与其所需的气路模块集成在一起，每个阀门配一个模块，通过滑道背板集成在一起，并通过总线通信与上游 PLC 进行数据通信。阀岛使 PLC 与电磁阀之间不再有连接电缆，节约了大量的材料及施工时间，借助现场总线高水平一体化的信息系统，使两者的优势得到充分发挥，具有广泛的应用前景。阀岛控制方式的主要特点如下：（1）阀岛技术和现场总线技术相结合，不仅确保电控阀的布线简易，而且也大大简化了复杂系统调试、性能检测、诊断及维护工作；（2）阀岛将电磁阀及气源集中化配置，适用阀门分布集中的工况，保证阀岛距离阀门的一定距离才能满足气管配置的可靠性；（3）阀岛技术发展迅速，但现场总线阀控技术并不适用所有场合，对数量少且分散的气动阀门，现场总线并不经济。（4）随着现场通信技术以及气电一体化技术的发展，阀岛技术具有很好的应用发展前景。5工程应用实例陕西省西安市雁塔鱼化污水处理厂原总设计规模 20万 m3/d，对该厂的提标改造工程维持现状污水厂规模不变，并维持原二级处理工艺，采用现状深反池加填料+深度处理单元（现状保留利用）+深床滤池（新建）处理工艺流程。新建深床滤池部分作为深度处理的核心工艺，其滤池控制水平对出水水质具有决定性作用。根据该项目滤池设计处理能力要求，深床滤池车间总共设计了 2 座滤池，每座 10 格滤池，并配置一套反冲洗水及气系统。每座滤池按每 5格为一组共 2 组对称布置，中间为公共管廊。每格滤池阀门配置情况见表 1，平面布置如图 2所示。图 1滤池控制表 1滤池阀门配置情况名称进水出水流量控制空气反冲洗入口阀反冲洗水进水阀排气阀反冲洗排水阀阀门气动闸门气动调节蝶阀气动蝶阀气动蝶阀气动蝶阀气动蝶阀尺寸和规格500 mm500 mmDN 400；PN1.0 MPaDN 400；PN1.0 MPaDN 500；PN1.0 MPaDN 50；PN1.0 MPaDN 600；PN1.0 MPa备注NO自动NO自动NC自动NC自动NO自动NC自动 582023年 6月流体测量与控制第 4卷第 3期（总第 16期）根据每格滤池阀门控制需求，结合滤池整体平面布置，选用滤池气动阀门控制方式时，重点考虑以下几个因素：（1）单格滤池阀门数量为 6 台，分布于滤池两端，两端相距约 10 m，其中管廊端集中分布 4 台，进水端集中分布 2台；（2）滤池总数为 20 格，按单格配置一套阀岛考虑时，投资较高；（3）阀门口径大部分集中在 DN 400600，均相对为大口径；（4）公共管廊间以及管廊间顶上柜体安装位置空间充足。阀岛作为简约集成化、模块化的新一代气电一体化控制元器件，理应作为滤池阀门控制的首选方案，但考虑到本项目中单格滤池阀门数量较少且位置分布并不算很集中，再加上气动阀门本身口径偏大，采用传统阀门控制方式会使控制更灵活稳定，因而更有优势；除此之外，考虑滤池规模较大、滤池整体平面按照成组对称布置等因素，如果按照单格滤池格配置 1套阀岛，整体 20座阀岛投资将会居高不下；而若采用传统的阀门控制方式，整个滤池在控制室共同配置一座 PLC 控制站实现滤池的控制，按每 5 格滤池为一组下设现场远程 IO 站，整体共 4座远程 IO 站均通信至上游 PLC 实现数据上传，滤池现场位置空间充足满足现场 IO 站安装需求，该种配置方式相对更经济，控制更稳定有效。结合以上分析，该项目最终按照传统阀门控制方式进行配置，整个滤池车间配置了一套 PLC 控制站，采用 S7-1500，下设 4 座现场 IO 站，分别配置HMI(触摸屏)用于显示滤池运行状态，并对滤池设备进行操作，实现滤池阀门就地动作。现场 4座 IO站通过现场总线实现与 PLC 控制站的数据通信，每格滤池所有气动阀门均通过 PLC 集中控制。所有现场气动阀门均成套配置限位开关、电磁阀以及气源过滤器，阀门位置信号、动作信号通过硬接线引至对应现场 IO 站，实现阀门控制数据传输。整个滤池车间配置 1 套仪表空气系统，仪表空气系统空压机、储气罐以及冷干机分别按照 2 台（一用一备）配置，气路系统按滤池分布配置气源至每台气动阀门。结合根据工艺控制需求配置的超声波液位计、压力传感器等仪表，实现滤池自动控制运行。工程实际建成状况如图 3图 6所示。图 2深床滤池平面布置图 3滤池管廊间图 4滤池控制阀 59Jun.2023Vol.4 No.3 Fluid Measurement&Control目前项目已改造施工完成并投入运营，结合现场实际运营反馈，滤池控制系统运行良好，气动阀门就地、远程操作便捷，过滤、反冲洗工艺流程切换运行稳定，完全满足水处理工艺流程的控制需求，进而保证出水水质稳定达标。6结语（1）气动阀门控制作为水处理行业内最基本的控制手段，在关键工艺处理流程中有着不忽视的重要作用，必须足够重视气动阀门控制方式的选择和应用，并在具体应用中按需选用。（2）传统的阀门控制方式作为阀门控制基础，因成套化阀门设备产品成熟，在众多工业自动化工程中有大量应用，阀门控制的稳定可靠性在某些关键控制中占据着不可替代的地位。在滤池系统控制中必须结合工程实际条件和特点，对阀门的控制方式进行科学比选，制定成熟可靠经济的控制方案，保证水处理工艺流程运行可靠、处理效果稳定。（3）阀岛控制技术作为更新、更有效、更进步的气动阀门控制技术，有广阔的应用和发展前景，具体须结合具体的工程实际条件选用。参考文献：1 郭忠杰.PLC、阀岛在净水厂 V 型砂滤池控制系统中的应用J