★ 孙锐（克拉玛依市水务有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000）

关键词：清水处理厂；可编程逻辑控制器；数据采集与监控系统； 工艺自动化；出水水质；闭环控制

1   引言

风城超稠油开发清水处理厂立项是为解决乌尔禾区油田开发用水需求不断增长和地下水过度开采间的根本性矛盾。2012年中石油集团批准该项目可行性研究报告，决定利用黄羊泉水库兴建一座日处理能力10万立方米的清水处理厂，且将电气、自控及仪表系统定位为项目核心组成部分。乌尔禾地区年平均气温仅3℃,冬季持续低温会严重削弱絮凝效果而夏季汛期会使进水浊度急剧升高，这两种极端工况对工艺控制系统的实时响应能力构成严峻挑战。该项目系统采用以可编程逻辑控制器（PLC）与数据采集监控系统（SCADA）为基础的自动化控制方案，本文围绕其控制结构、工艺策略及运行表现展开探讨，研究成果对类似严寒干旱地区的水处理工程建设具有重要借鉴意义。

2   清水处理厂工程概况与自动化控制需求分析

风城超稠油开发清水处理厂选址在黄羊泉水库南侧0.7千米的地方， 主要的构筑物包括高密度澄清池、 10格气水反冲洗滤池、1.8万立方米清水池以及外输泵房，出厂水浊度控制标准要求不高于0.7NTU。处理流程依次为机械搅拌混凝、高密度澄清、气水反冲洗过滤和二氧化氯消毒。原水化学类型属于硫酸钠型，暂时硬度、总铁以及pH值均存在超标的情况。乌尔禾区域极端最低气温能达到零下33.4℃,冬春季原水水温低于5℃时絮凝效果会明显降低，夏季汛期浊度可能飙升至1000NTU。加药量、滤池反冲洗时序以及外输泵组运行都需要进行实时联动，人工调控无法适配这类复杂的工况，搭建以PLC与SCADA为核心的自动化控制系统是保障该厂稳定运行的核心办法。

3   PLC与SCADA集成控制系统的技术应用

3.1   基于PLC的分层控制架构设计与现场部署

风城清水处理厂自动化控制系统采用管理层与过程控制层相分离的两级架构。管理层设置在中心控制室，里面设有操作站、工程师站以及报警打印系统，以太网冗余通信能够支持多站以及第三方数据共享， SCADA系统由此实现对底层PLC控制逻辑的实时监视与数据分析，为集中管理与运行优化提供技术支撑^[1]。过程控制层包含两个PLC站，其中PLC1设置在中心控制室，负责消能配水间、外输泵房、清水池以及二氧化氯间的控制工作， PLC2设置在水处理间仪控室，管辖高密度澄清池加药系统、气水反冲洗滤池以及反冲洗设备，每个站都配备了UPS， PLC1是20kVA/120分钟， PLC2是6kVA/60分钟， I/O配置情况如表1所示。

表1 两个PLC控制站I/O点数统计表

由表1可知，开关量输入DI在两站中的占比最大，其中PLC1为690点、PLC2为460点，合计1150点，是I/O总点数的主要构成部分，体现了现场设备状态采集对控制系统的核心需求^[2]。模拟量输入AI共209点，主要来源于流量计、液位计等连续检测仪表，为工艺参数的闭环控制提供数据支撑；两站I/O规模的差异与其管辖的工艺单元范围一致， PLC1覆盖的单元多、电动阀门多，故开关量占比高；PLC2滤池控制复杂，因而RS485接口略多，用于接入澄清池与二氧化氯系统的控制单元。两站合计I/O总点数为1940点，系统拓扑规模如图1所示。

图1 PLC1与PLC2控制站I/O点数对比（单位：点）

3.2   关键工艺环节的自动化控制策略实现

滤池液位控制能有效保障过滤过程稳定， PLC2站借助PID单回路来调节出口蝶阀开度，以此维持设定液位从而确保等速过滤^[3]。反冲洗由定时或者水头损失来触发，按照气冲、气水冲、水冲三个阶段顺序执行，冲洗时长可以进行调节，10格滤池会自动轮换进行冲洗，冲洗周期大约为24小时。混凝加药系统依据进水流量和原水浊度进行联动投加，聚合氯化铝最大投加量为20mg/L，浓度为3%，计量泵采用一用一备的方式，按照公式实时计算投药量：

式（1） 中， Q_药为投药量（升每小时）， C为投加浓度（毫克每升），Q_水为进水流量（立方米每小时）。隔膜计量泵会把二氧化氯溶液注入压力水管，与出厂水实现充分混合，二氧化氯间安装有余氯泄漏检测仪，当发生泄漏情况时会联锁启动轴流风机，同时关闭加药出口电磁阀，以此形成安全保护闭环。

3.3   SCADA系统的数据采集、通信组网与集中监控

在线仪表可通过现场总线协议将检测结果实时传送至PLC，并通过网络送至操作员工作站与数据服务器中^[4]。进厂原水管路上设置有电磁流量计和调流调压阀，消能配水井安装了液位计、浊度及pH分析仪，出厂水管路上配置了流量计、压力变送器、浊度、二氧化氯与pH分析仪，清水池、废水调节池和排泥调节池都配备了超声波液位计，反冲洗水泵与鼓风机出口安装了流量计和压力变送器，具体参数如表2所示。

表2 主要在线仪表技术参数一览表

4   自动化控制系统的运行性能评估

4.1   PLC控制精度与响应速度实验测试

对滤池液位PID控制以及反冲洗联锁逻辑开展实验测试，液位控制测试中对PLC2的液位设定值进行阶跃调整，重复20次后取平均值；反冲洗响应测试中模拟水头损失超限信号，记录从条件满足到首步指令输出的时间。测试结果显示液位平均调节时间约42秒且稳态误差在±2毫米内、PID调节无超调，反冲洗平均响应时间为1.8秒， 远低于人工巡检的响应延迟；加药计量泵精度测试采用实际称量法，不同流量下输出误差均值在理论值的±3%以内，关键指标如图2所示。

图2 滤池液位PID控制阶跃响应曲线（设定值阶跃+30mm，调节时间约42s）

4.2   工艺控制效果与出水水质稳定性评估

自动化控制系统投入使用后，针对冬季低温低浊和夏季高浊冲击这两类典型工况开展了工艺效果跟踪工作[5]。在冬季工况当中，当原水温度下降到3～5℃、浊度保持在4～5NTU时， PLC会依据原水浊度和流量信号自动增加聚合氯化铝投加量，同时同步对高密度澄清池搅拌转速进行调整，泥渣回流系统也会相应提高回流比来增强絮凝效果，最终出水浊度稳定维持在0.5NTU以下，和人工控制时7NTU以上的平均值相比有明显降低。在夏季原水浊度突然增加到300NTU以上时，自动加药系统会迅速做出响应并动态调整至最大投加量，高密度澄清池会自动增加排泥频次，滤池过滤周期会根据水头损失实时缩短，整个过程里出厂水浊度始终没有突破0.7NTU的控制标准。

4.3   SCADA系统数据可靠性与远程监控效能评价

对SCADA系统数据可靠性的评估主要考量通信链路稳定性、数据采集完整性以及异常报警响应效率三个方面。以太网通信靠冗余架构保障，主链路失效时备用链路能无缝切换，实测切换时延不超过500毫秒，全厂仪表数据采集完整率达到99.2%且数据传输丢包率低于0.8%。远程监控性能方面操作站界面更新周期为2秒且报警信息可自动归档并生成日志记录，系统日均产生有效报警约12条且误报率低于5%，现场人工巡检频率较改造前减少约60%。 SCADA系统的综合运行性能可通过以下公式进行量化评估：

式（2）中，η为数据采集完整率，N_有效为有效采集数据点数， N_总为应采集数据总点数，实测n值为99.2%。

5   结语

风城超稠油开发清水处理厂建设经验表明，采用两套可编程逻辑控制器（PLC）现场控制站构建分层控制体系，并且以以太网作为通信主干，成功应对机械搅拌混凝、高密度澄清、气水反冲洗过滤及二氧化氯消毒等多工艺流程中参数协同难度大、人工调整响应慢的挑战。实际运行效果显示，滤池液位控制精度、聚合氯化铝投加精度及出水浊度合格率均明显提升，该系统在乌尔禾地区冬季低温低浊和夏季高浊冲击的典型环境下都能维持稳定工作。为保证自动化控制系统长期稳定运行，需重点保障电磁流量计、超声波液位计、浊度分析仪等在线仪表的定期校准，以及滤池反冲洗控制逻辑与加药联动策略的持续改进。该项目的自动化控制技术方案，为同类寒旱地区净水处理设施的智能化建设及运维管理水平的提升提供有益参考。

作者简介：

孙   锐 （1986-），男，新疆克拉玛依人，高级工程师，硕士，现就职于克拉玛依市水务有限责任公司，主要研究方向为水利工程运行管理与技术研究。

参考文献：

[1] 陈东阳. 基于PLC和SCADA的自来水厂控制系统设计[J]. 自动化应用, 2025, 66 (23) : 39 - 42.

[2] 王杰. 基于PLC的污水处理控制系统设计与应用[D]. 长沙: 中南大学, 2022.

[3] 胡宇航. PLC控制在水厂自动化控制中的运用探讨[J]. 电子制作, 2016 (20) : 20.

[4] 何孟基. 基于PLC的自来水厂控制系统设计及应用[J]. 吉林水利, 2022 (5) : 57 - 60.

[5] 袁可. SCADA系统和Aprol上位监控组态软件在净水厂中的应用[J]. 自动化博览, 2016 (3) : 90 - 94.

摘自《自动化博览》2026年9月刊