摘要:給水工程中的超濾膜處理工藝控制過(guò)程比較復雜，自控系統的編程、調試和網(wǎng)絡(luò )架構等直接影響到超濾膜處理效果和運行成本。廊坊市地表水廠(chǎng)一期工程規模為 15 ×10 4 m 3 /d，采用超濾膜工藝，其控制流程包括膜池過(guò)濾控制流程、維護性清洗控制流程、恢復性化學(xué)清洗控制流程、膜完整性檢測控制流程。2016 年底投入運行以來(lái)，超濾膜池自動(dòng)運行穩定，既保證了產(chǎn)水水質(zhì)，又提高了運行效率，可為同行業(yè)相關(guān)設計提供借鑒和參考。
隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市飲用水水質(zhì)標準更加嚴格，供水保證率和供水安全度要求日益提高，使得超濾膜工藝在給水工程中得到推廣應用［1 －3］ 。該工藝需要依靠完整的自控系統來(lái)實(shí)現，自控系統的編程、調試和網(wǎng)絡(luò )架構等直接影響到超濾膜處理的效果和運行成本。
廊坊市地表水廠(chǎng)采用超濾膜處理工藝，該水廠(chǎng)是南水北調的配套工程，擔負著(zhù)廊坊市的主要供水任務(wù)。廊坊市屬于嚴重缺水地區，水源僅為開(kāi)采地下水，人均水資源量只有 260 m 3 ，隨著(zhù)地下水的水質(zhì)受到了不同程度的污染，供水安全性受到威脅。
新建廊坊地表水廠(chǎng) 30 ×10 4 m 3 /d 的規模，分兩期實(shí)施，一期規模為 15 ×10 4 m 3 /d，于 2016 年底建成，將南水北調的水引進(jìn)廊坊市，為城市的社會(huì )、經(jīng)濟和生態(tài)發(fā)展提供重要保障。

1 水廠(chǎng)工藝概述
根據南水北調工程取水口多年來(lái)的水質(zhì)分析數據，原水水質(zhì)大多數指標符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的Ⅱ ～ Ⅲ類(lèi)標準，常年濁度都不高。
該水廠(chǎng)的主要水處理建(構)筑物有:格柵間及取水泵房、混合絮凝池、沉淀池、超濾膜池、清水池、送水泵房及變配電間、加藥加氯間及排泥水處理車(chē)間等。
工藝流程見(jiàn)圖 1。
主要處理單元為浸沒(méi)式超濾膜池，共 16 組膜池，其主要設計參數見(jiàn)表 1。 浸沒(méi)式超濾系統既可抽真空虹吸出水，又可以泵抽吸出水，每池設 1 臺變頻水泵，單泵流量為 450m 3 /h，揚程為 100 kPa。
膜池反沖洗采用水泵直接沖洗，反沖洗水泵共4 臺，2 用 2 備。膜的化學(xué)清洗分為維護性清洗和恢復性清洗，均為在線(xiàn)清洗。

2 水廠(chǎng)自控系統概述
根據工藝需要，水廠(chǎng)自控系統采用“集中監控、管理，分散控制”的集散型系統，整個(gè)自控系統分為三個(gè)層次，即管理監控層、現場(chǎng)控制層和設備層，由管理監控中心和 5 個(gè) PLC 現場(chǎng)控制主站、16 個(gè)膜池控制子站組成全廠(chǎng)實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)。
控制層 PLC 和設備層之間通過(guò)標準總線(xiàn)進(jìn)行數據通信;控制層 PLC 和中控室監控計算機之間通過(guò) 10/100 M TCP/IP 光纖單環(huán)網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行高速大容量數據交換;管理層各節點(diǎn)通過(guò)交換機構成星型以太網(wǎng)。
水廠(chǎng)自控系統見(jiàn)圖 2。 3 超濾膜車(chē)間自控系統配置
3. 1 管理監控中心
該廠(chǎng)一期工程的監控中心設在超濾膜處理車(chē)間，主要由兩臺中央監控計算機、數據庫服務(wù)器、視頻監視計算機、拼接大屏幕等構成，作為管理控制中心。
兩套中央監控計算機互為冗余，采用 Kingscada上位監控軟件，主要完成對膜池以及全廠(chǎng)其他處理段的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態(tài)等。在中央監控計算機操作界面上含有膜系統關(guān)鍵參數的顯示，如過(guò)濾周期、系統運行狀態(tài)的倒計時(shí)、液位、壓力、跨膜壓差、維護性清洗周期的計數等。對于膜系統不正常的運行狀態(tài)或是應有的操作未按照程序執行，設立相應的報警信息，以方便運行人員采取相應的對策。
數據庫服務(wù)器采用 KingHistorian 實(shí)時(shí)數據庫軟件，實(shí)時(shí)接收現場(chǎng)采集的各類(lèi)數據，包括工藝流程參數、設備運行狀態(tài)和報警信號等，具有定時(shí)巡測、隨機點(diǎn)測、分組監測等功能，建立各類(lèi)實(shí)時(shí)數據庫和歷史數據庫，為網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)提供相應權限級別的數據服務(wù)。

3. 2 現場(chǎng)控制站
超濾膜處理車(chē)間設一套 PLC 控制主站，采用雙CPU 冗余，具有更高的可靠性，主要負責膜池的反沖洗泵、鼓風(fēng)機、維護性清洗系統、化學(xué)清洗系統的設備自控和數據采集。在每個(gè)膜池設置一個(gè) PLC子站控制臺，負責單個(gè)膜池的信號采集和自動(dòng)運行。子站控制臺嵌有觸摸屏，可以顯示膜池的閥門(mén)狀態(tài)、池內液位、產(chǎn)水量、跨膜壓差、出水濁度等多項檢測數據。
每個(gè) PLC 子站通過(guò)以太網(wǎng)交換機與控制主站進(jìn)行數據交換，PLC 根據膜工藝要求進(jìn)行控制參數設定，并可在觸摸屏上進(jìn)行修改。

3. 3 在線(xiàn)儀表的設置和作用
每座膜池設置超聲波液位計，控制膜池恒水位過(guò)濾;膜池出水管設置壓力變送器，檢測阻塞情況，控制反沖洗的進(jìn)行;在出水管設電磁流量計，計量抽吸泵的產(chǎn)水量;膜池出口設置濁度計，檢測膜池的過(guò)濾效果;膜池總出水設置顆粒計數儀，檢測膜池的水質(zhì)、監測膜的完整性。

4 超濾膜池的控制流程
超濾膜池的整體控制流程見(jiàn)圖 3。 4. 1 膜池過(guò)濾控制流程
沉淀池來(lái)水由進(jìn)水配水渠、進(jìn)水閘，經(jīng)配水堰進(jìn)入每組膜池，自外而內穿過(guò)膜絲經(jīng)集水系統虹吸或泵抽吸至清水渠，最后由總出水管送至清水池。在沉淀后出水注滿(mǎn)膜池后(達到設定過(guò)濾水位)，首先啟動(dòng)真空抽虹吸裝置，虹吸形成后緩緩啟動(dòng)清水抽吸泵或打開(kāi)出水調節閥。裝置投入運行后，由膜池液位控制抽吸泵的轉速或調節出水調節閥的開(kāi)度，以保證超濾裝置的恒流過(guò)濾。

4. 2 膜池反沖洗控制流程
正常的膜池反沖洗根據時(shí)間或跨膜壓差狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行。反沖洗采用透過(guò)液(超濾出水)進(jìn)行反洗，水反洗的同時(shí)膜箱底部曝氣。
膜池反沖洗過(guò)程由下列步驟組成:
① 膜池氣動(dòng)進(jìn)水閘關(guān)閉，產(chǎn)水繼續運行，膜池降低水位，約 1 min;
② 關(guān)閉抽吸泵或出水調節閥;
③ 啟動(dòng)擦洗鼓風(fēng)機，開(kāi)啟該膜池的氣動(dòng)進(jìn)氣閥，膜池曝氣;
④ 開(kāi)啟反沖洗水閥、反沖洗水泵，氣水同洗約2． 5 min;
⑤ 停止鼓風(fēng)機，關(guān)閉該膜池的氣動(dòng)進(jìn)氣閥;關(guān)閉反洗泵，關(guān)閉反洗閥;
⑥ 打開(kāi)排水氣動(dòng)提板閘，排污一定水量后，約1 min，關(guān)閉提板閘;
⑦ 打開(kāi)氣動(dòng)進(jìn)水閘進(jìn)水，達到液位后(約 1min)重新開(kāi)始過(guò)濾。

4. 3 維護性清洗控制流程
維護性清洗程序根據計數至 M 次排空周期后，進(jìn)入維護性清洗程序。通常而言，維護性清洗周期為7 ～14 d。不同膜池間的維護性清洗輪流進(jìn)行，并根據現場(chǎng)需要，設置一鍵式維護性清洗模式。該步驟在膜系統運行的任何階段均可有效插入。

4. 4 恢復性化學(xué)清洗控制流程
恢復性化學(xué)清洗的周期可根據膜污染程度而定，一般為 2 ～4 個(gè)月，由堿洗、酸洗以及漂洗三部分組成。

4. 5 膜完整性檢測控制流程
膜完整性檢測(MIT)過(guò)程為全自動(dòng)，每次耗時(shí)約10 min。檢測頻率根據需要確定，即在產(chǎn)水濁度、顆粒計數異常時(shí)進(jìn)行。
若壓力衰減速率≤3 kPa/min，膜完整性檢測通過(guò)，系統恢復正常過(guò)濾狀態(tài)，即開(kāi)啟抽真空引水，啟動(dòng)抽吸泵過(guò)濾;若壓力衰減速率 ＞ 3 kPa/min，膜完整性檢測失敗，PLC 報警，該膜過(guò)濾池停機，然后需要人工找出破損部位，并進(jìn)行修復。

5 自動(dòng)報警系統
在膜池自動(dòng)運行的過(guò)程中，運行參數和重要數據均設有報警信號，提示運行人員處理。
① 膜池低液位:在過(guò)濾以及停池階段，保證水位沒(méi)過(guò)膜絲。
② 膜池不能正常反洗報警:如果不能正常反洗，連續過(guò)濾時(shí)間超過(guò)兩個(gè)過(guò)濾周期，系統報警，并強制反洗。
③ 膜池不能正常排空報警:膜池每“過(guò)濾 －反洗”循環(huán)幾個(gè)周期后排空一次，如果不能正常排空，則報警，提示運行人員強制排空。
④ 膜池降液超過(guò)設定時(shí)間報警:打開(kāi)排污閥輔助降液，運行人員看到降液報警后，該膜池進(jìn)入維護清洗程序，完成后再重新運行。

6 結論
廊坊市地表水廠(chǎng)一期工程于 2017 年 4 月 11 日正式通水并投入運行，并獲得了中國建筑工程“魯班獎”。出廠(chǎng)水水質(zhì)符合《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006) 和《城市供水水質(zhì)標準》(CJ/T206—2005)，出廠(chǎng)水濁度≤0． 3 NTU，確保城市居民獲得優(yōu)質(zhì)安全的飲用水。
該水廠(chǎng)的自控系統運行穩定，實(shí)現超濾膜池的連續自動(dòng)運行、自動(dòng)反沖洗、自動(dòng)維護性清洗和恢復性清洗，日常無(wú)需現場(chǎng)運行人員的人為參與，既提高了運行效率，又保證了產(chǎn)水質(zhì)量。