二次供水已經(jīng)成為我國(guó)城市中飲用水和海上作業(yè)船舶飲用水主要的，甚至是最重要的來(lái)源。如果二次供水受到污染，微生物引起的疾病便可以通過(guò)水傳播[1]。碼頭補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)淡水是保障船舶飲用水安全的源頭。碼頭集裝箱船補(bǔ)充淡水多采用“海上加水船給集裝箱船加水”和“碼頭岸供淡水”2種模式，“碼頭岸供淡水”比“海上加水船給集裝箱船加水”效率更高，水質(zhì)更優(yōu)，價(jià)格更低，能實(shí)現(xiàn)24h不間斷供水。“碼頭岸供淡水”模式正逐漸成為碼頭集裝箱船供水的首選方案。

 

1生產(chǎn)工藝及參數(shù)

        廈門(mén)碼頭集裝箱船岸供二次供水生產(chǎn)工藝主要包括恒壓變頻供水、管道水自循環(huán)、供水加氯、水質(zhì)檢測(cè)、碼頭加水口等，具體如圖1所示。

 

        恒壓變頻供水水泵為3臺(tái)單級(jí)立式離心泵BD1～BD3，Q＝65m3/h，H＝34m，N＝11kW（2用1備）。水箱尺寸為L(zhǎng)×B×H＝16000mm×4000mm×2500mm，容積V＝160m3，有效容積V＝128m3。不銹鋼水箱Ⅰ設(shè)置投入式液位計(jì)LET01和進(jìn)水電動(dòng)蝶閥DF2～DF3，不銹鋼水箱Ⅱ設(shè)置投入式液位計(jì)SC500系列和進(jìn)水電動(dòng)蝶閥DF5～DF6。管道水自循環(huán)水泵為2臺(tái)單級(jí)立式離心泵BD4～BD5，Q＝13m3/h，H＝10m，N＝1.5kW（1用1備）。管道自循環(huán)水進(jìn)水箱Ⅰ設(shè)置電動(dòng)蝶閥DF1，管道自循環(huán)水進(jìn)水箱Ⅱ設(shè)置電動(dòng)蝶閥DF4。

 

        供水加氯為1臺(tái)次氯酸鈉一體機(jī)，一次投加量50g，單獨(dú)布置在加氯間。水質(zhì)檢測(cè)采用1臺(tái)多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀SZY，它主要檢測(cè)余氯值、濁度值、pH值和電導(dǎo)率。

 

        在碼頭加水口Ⅰ，設(shè)置電磁流量計(jì)FET01和出水電動(dòng)蝶閥MDF1；在碼頭加水口Ⅱ，設(shè)置仕樂(lè)克電磁流量計(jì)FET02和出水電動(dòng)蝶閥MDF2。

2儀表、自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        要想滿(mǎn)足工藝的控制要求，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)儀表檢測(cè)水位和水質(zhì)，對(duì)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并配置高效智能的自控設(shè)備。基于PLC設(shè)計(jì)的碼頭集裝箱船岸供二次供水自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 儀表設(shè)置及主要自控檢測(cè)項(xiàng)目

        根據(jù)工藝流程和計(jì)算機(jī)測(cè)控管理系統(tǒng)的要求配置檢測(cè)儀表，儀表的選型要滿(mǎn)足被測(cè)對(duì)象的性質(zhì)和環(huán)境條件、測(cè)量范圍及精度、防護(hù)等級(jí)等要求，還要適合當(dāng)?shù)卮a頭的氣候特點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)置如下檢測(cè)儀表：水箱Ⅰ液位檢測(cè)（投入式液位計(jì) LET01），水箱Ⅱ液位檢測(cè)（投入式液位計(jì) LET02），加壓泵出水壓力檢測(cè)（遠(yuǎn)傳壓力表 PET01），碼頭加水口Ⅰ加水量檢測(cè)（電磁流量計(jì) FET01），碼頭加水口Ⅱ加水量檢測(cè)（SCLDE電磁流量計(jì) FET02），水箱出水濁度、余氯、pH、電導(dǎo)率檢測(cè)（在線水質(zhì)分析儀 SZY）。

 

        在實(shí)際工作中，除了設(shè)置適當(dāng)?shù)脑诰€檢測(cè)儀表檢測(cè)相應(yīng)的工藝參數(shù)外，還要對(duì)水泵、閥門(mén)、加氯等電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)船舶岸供淡水的自動(dòng)控制。自控主要接口如下：

        水箱Ⅰ進(jìn)水電動(dòng)蝶閥（DF2～DF3）：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)。

        水箱Ⅱ進(jìn)水電動(dòng)蝶閥（DF5～DF6）：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)。

        水箱Ⅰ循環(huán)進(jìn)水電動(dòng)蝶閥（DF1）：開(kāi)/關(guān)控制以及位置狀態(tài)。

        水箱Ⅱ循環(huán)進(jìn)水電動(dòng)蝶閥（DF4）：開(kāi)/關(guān)控制以及位置狀態(tài)。

 

        1～3#加壓水泵（BD1～BD3）：開(kāi)/停控制，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，頻率調(diào)節(jié)。

        1～2#循環(huán)水泵（BD4～BD5）：開(kāi)/停控制，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，頻率調(diào)節(jié)。

        碼頭 1～2#加水口閥門(mén)（MDF1～MDF2）：開(kāi)/關(guān)控制及位置狀態(tài)。

 

2.2 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        生產(chǎn)管理設(shè)置于控制室內(nèi)，由上位機(jī)操作員站、打印機(jī)等組成，它以輪船加水的操作監(jiān)控為主要內(nèi)容，兼有部分管理功能。操作員可以通過(guò)界面及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值、是否有異常發(fā)生等，并通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)過(guò)程的安全、可靠、有效、高質(zhì)。另外，打印機(jī)能打印各種生產(chǎn)報(bào)表、趨勢(shì)圖等。PLC 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由 2 臺(tái)西門(mén)子 S7-200 構(gòu)成，所有 PLC 通過(guò) MODBUS 連接，每臺(tái) PLC 的基本配置有電源模塊、CPU 模塊、數(shù)字量 I/O 模塊、A/D 和 D/A 模塊以及通訊模塊等。

 

2.2.1 功能要求

        在控制室設(shè)有 PLC1 控制主站，加壓泵、自循環(huán)泵、電動(dòng)閥門(mén)等由 PLC1 主站控制開(kāi)停，實(shí)時(shí)接受設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)和請(qǐng)求自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)，并完成船舶自動(dòng)加水。加氯間設(shè)置PLC2 子站，在 PLC1 控制主站的協(xié)調(diào)下，根據(jù)在線水質(zhì)儀信號(hào)完成供水加氯。

 

2.2.1.1 PLC1 主站控制裝置

        PLC1 主站控制裝置的主要任務(wù)是：①按次序啟停碼頭各加水口申請(qǐng)的加水量；②監(jiān)控加壓泵、閥門(mén)、循環(huán)泵、碼頭加水口閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)；③變頻器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；④對(duì)加壓泵、閥門(mén)、循環(huán)泵、碼頭加水口閥門(mén)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)控制；⑤接受控制室下達(dá)的控制指令，包括強(qiáng)制啟動(dòng)循環(huán)泵的指令，判斷其正確性、可執(zhí)行性后加以執(zhí)行；⑥采集相關(guān)工藝儀表檢測(cè)信號(hào)。

 

2.2.1.2 加氯間次氯酸鈉發(fā)生器一體機(jī) PLC2 子站控制裝置

        次氯酸鈉發(fā)生器一體機(jī)系統(tǒng)是由電解槽、電解電源、智能控制中心 PLC2、流量開(kāi)關(guān)、鹽度監(jiān)測(cè)、液晶顯示屏、電解電壓/電流顯示、易燃易爆氣體監(jiān)測(cè)傳感器等組成。加氯間次氯酸鈉發(fā)生器一體機(jī)PLC2子站控制裝置采用西門(mén)子 S7-200 系列 PLC 作為控制器單元，用于監(jiān)控整套發(fā)生器系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，以及在發(fā)生故障的情況下的自檢測(cè)、報(bào)警和自停機(jī)狀態(tài)。

 

        觸摸液晶顯示與控制采用西門(mén)子 SIEMENS SMART1000IE 10 吋觸摸液晶屏，以實(shí)時(shí)顯示溶鹽單元、稀釋配比單元、電解單元、投加單元等分部系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，還可以使用觸摸功能調(diào)整和設(shè)置參數(shù)。

 

        對(duì)于流量開(kāi)關(guān)，當(dāng)機(jī)器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，控制中心開(kāi)始檢測(cè)電解液的流量開(kāi)關(guān)。當(dāng)流量開(kāi)關(guān)的設(shè)定值出錯(cuò)時(shí)，機(jī)器停止運(yùn)行，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在線鹽度監(jiān)測(cè)儀用于對(duì)稀釋配比的稀鹽水進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和顯示，儀表可設(shè)定濃度高限和低限，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定范圍，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并停止機(jī)器運(yùn)行。氫氣氣體濃度監(jiān)測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)發(fā)生器房間內(nèi)的氫氣含量，當(dāng)氣體濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，儀表發(fā)出報(bào)警信號(hào)，機(jī)器停止運(yùn)行。

 

2.2.2 自動(dòng)控制要求

2.2.2.1 水箱液位

        當(dāng)水箱液位下降到最低液位（相對(duì)水箱底標(biāo)高）時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電動(dòng)蝶閥開(kāi)啟；當(dāng)水箱液位上升到最高液位（相對(duì)水箱底標(biāo)高）時(shí)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)水電動(dòng)蝶閥關(guān)閉。

 

2.2.2.2 輪船加水

        有一艘輪船補(bǔ)水時(shí)，接通加水口Ⅰ，選擇就地控制箱（MDFX1）的面板自動(dòng)模式，控制室上位機(jī)設(shè)定好 1#加水口需要加水流量 Q1，上位機(jī)等待加水指令。加水前，需要確認(rèn)循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果循環(huán)水系統(tǒng)正在運(yùn)行，要先關(guān)閉循環(huán)系統(tǒng)，即關(guān)閉循環(huán)泵組以及循環(huán)進(jìn)水電動(dòng)蝶閥，確認(rèn)循環(huán)水系統(tǒng)為關(guān)閉狀態(tài)后，上位機(jī)接收到加水指令后，PLC1 為加水口Ⅰ連接的船舶供水，開(kāi)啟加壓泵組，待出水管至加水口段的壓力達(dá)到開(kāi)閥壓力值 P1 時(shí)，開(kāi)啟出水電動(dòng)蝶閥 MDF1。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)電磁流量計(jì) FET01 累計(jì)加水量達(dá)到設(shè)定值 Q1 后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉 MDF1、加壓泵組，對(duì)加水口Ⅰ連接的船舶供水關(guān)閉，打印加水報(bào)告單。

 

        第一艘輪船補(bǔ)水時(shí)，第二艘輪船也需要補(bǔ)水。這時(shí)，接通加水口Ⅱ，選擇就地控制箱（MDFX2）的面板自動(dòng)模式，控制室上位機(jī)設(shè)定好 2#加水口需要加水的流量 Q2，上位機(jī)等待加水指令。上位機(jī)接收到加水指令后，PLC1 開(kāi)啟出水電動(dòng)蝶閥 MDF2，向加水口Ⅱ連接的船舶供水。當(dāng)管道中的壓力降至啟泵壓力值 P2 時(shí)，開(kāi)啟第二臺(tái)水泵。系統(tǒng)檢測(cè)電磁流量計(jì) FET01 累計(jì)加水量達(dá)到設(shè)定值 Q1 后，第一艘船完成補(bǔ)水作業(yè)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉 MDF1、第一臺(tái)泵，對(duì)加水口Ⅰ連接的船舶供水關(guān)閉，打印加水報(bào)告單 1。系統(tǒng)檢測(cè)仕樂(lè)克電磁流量計(jì) FET02 累計(jì)加水量達(dá)到設(shè)定值 Q2 后，第二艘船完成補(bǔ)水作業(yè)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉 MDF2、第二臺(tái)泵，對(duì)加水口Ⅱ連接的船舶供水關(guān)閉，打印加水報(bào)告單 2。

 

        當(dāng)水箱內(nèi)的余氯不足時(shí)（余氯值≤0.1 mg/L），水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀發(fā)送信號(hào)至 PLC2，PLC2 開(kāi)啟次氯酸鈉發(fā)生器一體機(jī)工作，向水箱內(nèi)加藥，同時(shí)，PLC1 陸續(xù)開(kāi)啟循環(huán)泵、循環(huán)進(jìn)水電動(dòng)蝶閥進(jìn)行余氯擴(kuò)散，直至余氯值大于等于 0.2 mg/L，PLC1 關(guān)閉循環(huán)泵、循環(huán)進(jìn)水電動(dòng)蝶閥。

 

        當(dāng)水箱靜至 24 h 以上沒(méi)有出水時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行回水循環(huán)，循環(huán)時(shí)間控制為 5 h，滿(mǎn)足循環(huán)完半個(gè)水箱的水量后，關(guān)閉循環(huán)系統(tǒng)。

 

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

        廈門(mén)碼頭船舶加水系統(tǒng)如圖 3 所示。上位機(jī)根據(jù)工藝流程的要求進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，可以通過(guò)人機(jī)界面及時(shí)了解整個(gè)工藝的運(yùn)行情況，各種運(yùn)行參數(shù)的當(dāng)前值，是否有報(bào)警信號(hào)等。

        表 1 所示為碼頭船舶加水單。船舶加水完成后，自動(dòng)打印加水報(bào)告單，船舶加水的水質(zhì)指標(biāo)值（濁度、余氯、pH、電導(dǎo)率）均能顯示在加水報(bào)告單上。