胡曉春

　　提要　分析介紹了國內(nèi)水廠自動化現(xiàn)狀，并就水廠自動化控制工藝設(shè)計、設(shè)備選型及運行管理提出了建議。
　　關(guān)鍵詞　水廠自動化　控制系統(tǒng)　設(shè)計　設(shè)備選型

　　自動化介入自來水行業(yè)是近年來水廠發(fā)展最顯著的特點。伴隨水廠自動化技術(shù)、系統(tǒng)控制設(shè)備和機電儀表設(shè)備的發(fā)展，濾池自動化、投加自動化、泵站自動化、水質(zhì)檢測自動化技術(shù)逐步成熟，電腦應(yīng)用日益普及，這標志著自動化水廠在國內(nèi)尤其是大中型城市已具備較好的技術(shù)環(huán)境，已發(fā)展成為地項成熟的技術(shù)。事實上，90年代是國內(nèi)水廠自動化產(chǎn)生實質(zhì)性效益的時期。
　　國內(nèi)實現(xiàn)不廠自動化的方法主要是依靠新建和擴建水廠。北方城市新建和擴建水廠主要依靠引進外資和全套設(shè)備技術(shù)，水廠自動化工藝平均水平較高。南方城市由于小型水廠多，主要通過改造舊水廠實現(xiàn)自動化。南方的情況體現(xiàn)了水廠自動化在中小水司蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀，其特點為：設(shè)計工作以本地技術(shù)力量為主，新建或改造舊水廠的投資渠道多樣化，在設(shè)備選型上實行土洋結(jié)合的辦法。但由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠技術(shù)力量相對薄弱，自動化在生產(chǎn)中的維護存在一定因難。雖然各地水廠自動化有了長足的進步，但是由于多種原因，目前國內(nèi)還沒有一座真正意義上的全自動化水廠，主要原因是國內(nèi)經(jīng)濟、技術(shù)條件所致。就拿水廠泵站自動化來說，國產(chǎn)電機、開關(guān)柜等設(shè)備質(zhì)量還達不到自動化控制要求，加之供水管網(wǎng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，造成泵站自動化只能依靠進口設(shè)備，投資大，效益不明顯、維護費用高。很多水廠的泵站自動化僅指水泵站自動化，甚至少數(shù)水廠將中控室遙控認為是自動化。
　　筆者根據(jù)從事自動化設(shè)計及運行管理方面的經(jīng)驗，在走訪了國內(nèi)多家水廠后認為，國內(nèi)水廠自動化已形成一定的工藝模式，同時也存在一些比較明顯的問題需要我們在實踐中加以解決。

　　1　水廠自動化設(shè)計的方要模式及注意問題

　　可編程序控制器和計算機的應(yīng)用，是水廠自動化的特征?，F(xiàn)在國內(nèi)多采用三種控制系統(tǒng)：SCADA、DCS、PLC+PC。其中PLC+PC控制器比較流行。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)集散控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，開發(fā)、操作簡便。
　　采用PLC+PC系統(tǒng)的水廠自動化控制工藝設(shè)計一般采用下面的模式，能夠較好的滿足國內(nèi)水廠自動化的監(jiān)控、保護要求。
　　1.1　通訊主站
　　對于大中型水廠主站設(shè)置3臺監(jiān)控電腦，1臺處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)熱報表，2臺生產(chǎn)監(jiān)控，1用1備。生產(chǎn)監(jiān)控電腦應(yīng)配置故障報警打印功能，實時打印報警項目。主站應(yīng)設(shè)置報警鈴，加強報警功能。根據(jù)料際需要，還可以在管理部門辦公室設(shè)置監(jiān)察院控電腦，以便管理者及時了解生產(chǎn)情況。
　　在設(shè)計時要充分考慮網(wǎng)絡(luò)通訊線的干擾問題。通訊纜不要有駁口，雖然通訊纜有屏蔽層，但是還應(yīng)在通訊纜外再加金屬管加強屏蔽為妥。
　　通訊纜包括儀表信號通訊線走線應(yīng)該避開強電設(shè)備，例如變壓器、高壓電纜，避免產(chǎn)生電磁干擾。
　　1.2　投加站
　　由于投加站設(shè)備以投加自動化設(shè)備、儀表為主，所以該站PLC主要負責(zé)完成投加站投身數(shù)據(jù)采集工作。在投加站設(shè)計中，普遍存在一個問題，就是PLC沒有完全采集儀表及設(shè)備的輸出信號點。由于各個水廠使用投加站儀表設(shè)備不同，設(shè)計人員設(shè)計時沒有充分了解設(shè)備功能，缺乏對設(shè)備輔助數(shù)據(jù)的監(jiān)控功能。
　　投加站包括兩大部分：投加自動化生產(chǎn)設(shè)備、原水水質(zhì)儀表。
　　一般配置的生產(chǎn)的設(shè)備有：投氯、投氨設(shè)備，投凈水劑設(shè)備含(SCD)，漏氯、漏氨報警器，氯、氨瓶磅秤，凈水劑流量計等。有的水廠還配置了凈水劑攪拌設(shè)備、燒堿投加設(shè)備。對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要采集加氯機、加氨機的投加量，計量泵沖程、頻率，磅秤數(shù)值等，對于設(shè)備中的高、低真空調(diào)節(jié)閥等開關(guān)量的報警點的采集比較少。這些開關(guān)量報警信號能夠為設(shè)備維修提供明確的指導(dǎo)，有利于生產(chǎn)者管理維護設(shè)備。尤其適用于一些技術(shù)力量不足的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)。
　　投加站可以設(shè)置一個原水儀表室，布置原水高濁度計、流量計、有的水廠還設(shè)置了氨氮計。在實際運行中，投加站儀表傳感器按使用周期編制成相應(yīng)的報警程序，及時提醒生產(chǎn)人員更換。
　　1.3　反應(yīng)池、沉淀池站
　　該站控制設(shè)備包括水池排泥閥、排泥機兩部分。對于水池排泥閥，可實現(xiàn)自動周期排泥、電腦遙控排泥兩種工作方式。設(shè)置排泥程序要考慮一個具體問題：由于水廠排污管或池限制了排污水量，要將濾池排污、排泥機排污與此處排污分開進行，并且要把該處排污閥分組排水，保證生產(chǎn)安全性。
　　近年來建設(shè)的水廠多采用平流式沉淀池，池底沉泥不是均勻分布，排泥機必須變速行走?，F(xiàn)在的平流池排泥機多為有級調(diào)速運行，利用平流池上設(shè)置的幾個行程開關(guān)平控制運行速度。根據(jù)池底沉泥規(guī)律，最好能設(shè)計成無級調(diào)速運行，可以節(jié)省生產(chǎn)水耗、排泥更徹底。
　　1.4　濾池及反沖洗站
　　該站主要完成濾水及協(xié)調(diào)風(fēng)機房反沖兩項控制任務(wù)，一般將濾池工作狀態(tài)分為3種：停水、濾水、反沖。主要采集濾池水位、水頭損失信號、處理反沖排隊、最大工作周期設(shè)置等工作。
　　在濾水狀態(tài)下，控制程序都是利用的控制功能實現(xiàn)恒水位濾水，設(shè)置遙控濾池排泥閥、濾閥開度操作，以處理突發(fā)生產(chǎn)問題。在停池狀態(tài)下，設(shè)置理行所有閥門遙控操作的程序，以方便檢修等生產(chǎn)工作。
　　濾池反沖洗依靠周期及水頭損失兩個參數(shù)來啟動，但水頭損失啟動反沖洗的機會很少，而且水頭損失壓力計經(jīng)過長期運行生產(chǎn)零漂，如果不及時校準，其數(shù)據(jù)往往不可靠。氣水混合反沖洗分為5個階段：濾池排水、氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗、濾池進水。利用羅茨風(fēng)機沖洗濾池，啟動風(fēng)機時噪聲大，利用變頻器進行軟啟動能夠較好地降低噪聲污染。在水沖洗、氣沖洗、氣水混合沖洗過程中，所需氣、水量不同，多采用1臺風(fēng)機和1臺水泵。正在建設(shè)中的惠州市江北水廠就采用了新的反沖工藝：在氣、水單純反沖洗時，分別采用2臺風(fēng)、2臺水泵；氣水混合沖洗時，采用1臺風(fēng)機和1臺水泵。這樣就使反沖洗的氣、水流量趨于合理，但隨之而來使控制程序復(fù)雜化。
　　反沖設(shè)備可以采用國產(chǎn)設(shè)備，為了克服國產(chǎn)電機啟動柜內(nèi)設(shè)備的故障問題可以在相關(guān)的繼電器上采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，利用軟件及時發(fā)現(xiàn)啟動柜在啟動或運行時產(chǎn)生在故障，防止事故進一步擴大。
　　1.5　一、二級泵站
　　兩座泵站分別是水廠兩座小型變電站，泵站自動化首先要采集足夠的生產(chǎn)電量數(shù)據(jù)。另外兩個任務(wù)是：監(jiān)控水泵電機運行、采集出廠水質(zhì)數(shù)據(jù)。
　　水泵電機主要采集電機溫度、水泵前后軸承溫度、水泵出口壓力等數(shù)據(jù)。以往的泵站自動化有較多例子采用變頻控制二泵站恒壓供水，由于城市管網(wǎng)布局原因使這項技術(shù)經(jīng)濟效益不明顯，現(xiàn)在的水廠有很大部分僅僅保證一泵站自動化，二泵站半自動化。
　　出廠水儀表主要包括：低濁度計、出廠水流量計、余氯計、出廠水壓力計、PH計等。在水廠自動化設(shè)計中，原水及出廠水儀表的采樣點直接影響到儀表檢測的實時性、準確性，從而影響到自動化控制。佛山市沙口水廠的后氯點在清水池前，清水池進水管無混合器，余氯采樣點在二泵出廠水管上，產(chǎn)生了后氯投加與余氯檢測長達2h的滯后，造成后加氯量變化十分明顯。后來在二泵站集水井增加輔助投氯點，將余氯檢測滯后縮短到15min，改善了原來的加氯情況。所以在自動化設(shè)計工作中，自動化設(shè)計人員要和工藝設(shè)計緊密聯(lián)系，才能保證整個設(shè)計成功。
　　自動化水廠的防雷問題也應(yīng)該在設(shè)計時作統(tǒng)一考慮。早期運行的自動化水廠由于缺乏防雷措施，其儀表及控制系統(tǒng)因雷擊損失嚴重。以ＰＬＣ系統(tǒng)為例，由于儀表串入雷電，造成ＡＤ轉(zhuǎn)換模塊損壞的事故常有發(fā)生。近兩年來，防雷器產(chǎn)品大量出現(xiàn)，自動化水廠防雷投資很低，但其保護效果十分明顯。
　　在自動化設(shè)計中，可以增加閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，對一些關(guān)鍵生產(chǎn)場所進行直接監(jiān)視?，F(xiàn)在的閉路監(jiān)視系統(tǒng)還具備了簡單的報警功能，對水位異常等簡單問題能夠生產(chǎn)報警。閉路監(jiān)視器成為水廠自動化系統(tǒng)的一部分。

　　2　水廠自動化的發(fā)展方向及生產(chǎn)管理

　　2.1　降低自動化投資，提高水廠自動化設(shè)計中設(shè)備國產(chǎn)化使用比率及控制軟件的智能化程度
　　由于經(jīng)濟條件限制，我國的水廠自動化設(shè)計需要具有一定的特點，以促進水廠自動化在國內(nèi)的發(fā)展。提高水廠自動化設(shè)計國產(chǎn)設(shè)備比率，是我們必需要走的路。事實上，很多水廠自動化是建立在部分國產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，這種土洋結(jié)合設(shè)備配置的方法有效地降低了自動化投資。但在自動化運行中會出現(xiàn)設(shè)備誤動作或故障的現(xiàn)象，這就需要自動化設(shè)計工作中逐步提高設(shè)備國產(chǎn)化使用比率，降低自動化投資的同時，加強控制系統(tǒng)可靠性，提高控制程序智能化程度。也就是說技術(shù)設(shè)計人員要熟悉水廠國產(chǎn)設(shè)備的性能，準確設(shè)定設(shè)備監(jiān)控報警信號，發(fā)揮自動化監(jiān)控及保護的功能，加強設(shè)計方案的安全性和可靠性。只有在自動化設(shè)計操作中加強和改善這個問題，才能有效降低水廠自動化投資、提高水廠自動化運行安全系數(shù)。
　　2.2　改造老式水廠，實現(xiàn)老式水廠更新?lián)Q代
　　自動化水廠的出現(xiàn)，使老式水廠落后于潮流。改造老式水廠成為當前水廠自動化工作的任務(wù)之一。老式水廠的工藝、布局、設(shè)備千差萬別，每個水廠改造都要具體分析，只有把自動化技術(shù)與生產(chǎn)工藝合理結(jié)合，才能達到成功改造、節(jié)約投資的目的。
　　在老式水廠改造工作中出現(xiàn)一種趨勢，就是著重保證凈水系統(tǒng)自動化，這是在現(xiàn)階段根據(jù)實際情況作出的選擇。凈水系統(tǒng)的兩大工藝濾池和投加又是其中的重點。濾池設(shè)備多使用進口設(shè)備，可靠性較好。技術(shù)人員不約而同地將主要研究力量放在了投加系統(tǒng)，尤其是凈水劑投加方面。對于投加凈水劑的實踐研究應(yīng)用，下面的例子較好地體現(xiàn)了其發(fā)展特點。福州東南區(qū)水廠高位藥池重力投加自動化改造，體現(xiàn)了新舊工藝結(jié)合的特點。該廠的改造抓住了投藥自動化的本質(zhì)原理，利用反饋信號控制調(diào)節(jié)閥，不改變原來的建筑結(jié)構(gòu)，仍然依靠重力作為投加動力。改造工作不僅節(jié)約了土建設(shè)備投資，而且新舊生產(chǎn)系統(tǒng)較好地揉和。鎮(zhèn)江金西水廠的投礬自動化改造，體現(xiàn)了技術(shù)人員對控制系統(tǒng)改造持有比較新穎的思路。他們沒有采用流動電流控制器，而是利用原水流量計和濾前水濁度計構(gòu)成控制系統(tǒng)。另外針對在控制凈水劑投加時預(yù)防突變因素的功能較弱，上海閔行水廠利用的模糊控制功能對信號進行改善，使投加量隨原水參數(shù)變化的實時性得到加強，當原水流量變化率100%時，濾前水濁度能夠保持在5NTU左右。這3個例子都成功地實現(xiàn)了老式水廠凈水劑投加的自動化改造，投資成本低、效果比較好。三者都涉及到自動化系統(tǒng)的研究，體現(xiàn)了國內(nèi)水廠自動化技術(shù)深入發(fā)展的趨勢，技術(shù)人員從過去的單純引進階段，進入自行研究時期。
　　2.3　加強水廠自動化生產(chǎn)運行管理
　　自動化水廠的生產(chǎn)管理是水廠自動化應(yīng)該考慮的問題。在實際生產(chǎn)中，不少水廠經(jīng)過幾年地運行，自動化變成手動，這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在早期建設(shè)的自動化水廠中。
　　出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是多方面的。其一是設(shè)計思想、方案不清晰，與實際水廠生產(chǎn)管理脫節(jié)。比如，有的水廠在自動化設(shè)計的同時，增加了過多的手動操作設(shè)備，不僅造成重復(fù)投資，還使生產(chǎn)人員產(chǎn)生了不正確的依賴心理。另外由于技術(shù)人員不了解生產(chǎn)實際情況，其設(shè)計往往與生產(chǎn)實際有出入，造成自動化設(shè)計局部失敗。第二個原因是生產(chǎn)管理人員沒有認識到水廠自動化的管理方法。有的水廠將職工仍然按照老式水廠生產(chǎn)模式，片面地把人員劃分為電工、機械工、制水工和泵房值班機電工等。各崗位明顯的條塊分割，不完全適應(yīng)水廠自動化生產(chǎn)的需要。自動化水廠應(yīng)該以控制系統(tǒng)為單元進行安全效益生產(chǎn)管理，不同于老式水廠以孤立的設(shè)備落實管理制度。第三，管理人員不能切實掌握自動化水廠的技術(shù)維修工作。目前流行的控制系統(tǒng)雖然具有較好的可靠性，經(jīng)過數(shù)年運行后也會因設(shè)備老化出現(xiàn)不同的故障。由于網(wǎng)絡(luò)通訊線老化引起的通訊誤報警、出現(xiàn)組件變形導(dǎo)致接觸不良、個別組件輸入點損壞等等，這些都要求生產(chǎn)管理人員根據(jù)實際情況及時處理設(shè)備維護問題。

　　3　水廠自動化的設(shè)備選型

　　設(shè)備選型工作是水廠自動化系統(tǒng)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，選擇設(shè)備要滿足控制要求，并注意設(shè)備投資的經(jīng)濟性。在關(guān)鍵設(shè)備選擇上，進口設(shè)備運行的可靠性相對較高。目前在水廠自動化設(shè)計中，可編程序控制器、主要水質(zhì)儀表、濾池閥門、投加自動化設(shè)備多選用進口設(shè)備。
　　3.1　合理選擇進口設(shè)備
　　選擇進口設(shè)備要實際了解其工作性能，這樣可以合理選擇到投資較低的設(shè)備。例如水廠投加、水質(zhì)檢測自動化設(shè)備，進口設(shè)備報價就有很大差別。一些開發(fā)中國市場較早的外國公司，例如首都、愛爾多斯公司，市場較廣，進入中國市場早期報價較高，其報價降低幅度不大，同樣的設(shè)備報價要高出其它公司1/3左右。相反對于一些市場面不大的公司，例如W&T、霍尼威爾等公司的報價相對較低，其設(shè)備性能也基本相同。由于這些公司產(chǎn)品使用不多，其性能不為大家熟悉，在使用過程中可能需要進行某些技術(shù)摸索，所以選用較少。如果企業(yè)具有一定的技術(shù)力量，就應(yīng)該抓住有利的市場形勢，采用他們的產(chǎn)品，可以大降低水廠自動化投資。通過廣泛了解進口設(shè)備，不難發(fā)現(xiàn)同一家公司或銷售商的不同設(shè)備報價也有區(qū)別，這也為我們在選擇控制設(shè)備時降低投資提供了條件。
　　控制設(shè)備PLC的國外供銷商紛紛進入中國市場，比較流行的PLC品牌包括美國AB、德國西門子、日本三菱以及法國、西班牙、韓國的產(chǎn)品。美國AB公司PLC軟件功能比較齊全（目前只有AB公司的產(chǎn)品具有專門的模糊控制功能），但價格較高。三菱PLC價格相對低廉，能夠滿足水廠自動化控制的要求。另外，監(jiān)控制軟件也是自動化設(shè)計需要選擇的，比較著名的監(jiān)控軟件是美國FIX軟件，最近推出了V6.15中文版本。另外還有國產(chǎn)組態(tài)王、臺灣的炎黃，以及很多專業(yè)公司的配套軟件，均能實現(xiàn)一定規(guī)模的水廠自動化監(jiān)控要求。
　　3.2　合理配置國產(chǎn)設(shè)備
　　目前在自動化設(shè)計工作中，選擇國產(chǎn)（或中文合資）控制檢測設(shè)備較可靠的包括：壓力傳感器、流量計、濁度計、流動電流控制儀、監(jiān)控電腦、各種電纜、防雷器等等。有較多品牌的產(chǎn)品以供選擇，只有選用了產(chǎn)品質(zhì)量好的控制設(shè)備才能符合水廠自動化控制的要求、達到設(shè)計可靠性要求。一般來說，采用進口技術(shù)的合資或獨資企業(yè)的產(chǎn)品可靠性可以與進口設(shè)備媲美。例如V型濾池采用的水位計、堵塞度計，我們在實踐中使用了E+H公司技術(shù)的國產(chǎn)產(chǎn)品，其性能、外觀和進口產(chǎn)品完全相同，報價卻相差1/3以上。另外，在設(shè)備選型問題上不要采用一家公司或銷售商的配套選型方案，這樣的設(shè)備報價往往較高。能夠真正了解產(chǎn)品性能，通過自己的設(shè)計將不同品牌的設(shè)備合理布置在一個水廠控制系統(tǒng)當中，是降低水廠自動化投資的一種有效方法。所以在水廠自動化設(shè)計工作中，恰當選擇設(shè)備能夠較大幅度降低投資，降低幅度可以超過10%～20%。
　　現(xiàn)在水廠潮流是氣水反沖洗V型濾池，水廠自動化的重點之一就是濾池站。濾池管廊基本使用氣動蝶閥，有歐洲及美國多家產(chǎn)品都在各地水廠流行，國產(chǎn)氣動閥門使用較少。但在深圳水涌水廠的自動化改造中，全部濾池閥門選用國產(chǎn)氣動閥門，生產(chǎn)性能也比較好。該項工程被評為建設(shè)部樣板工程。