水厂自动化及设计

胡晓春

　　提要　分析介绍了国内水厂自动化现状，并就水厂自动化控制工艺设计、设备选型及运行管理提出了建议。
　　关键词　水厂自动化　控制系统　设计　设备选型

　　自动化介入自来水行业是近年来水厂发展最显著的特点。伴随水厂自动化技术、系统控制设备和机电仪表设备的发展，滤池自动化、投加自动化、泵站自动化、水质检测自动化技术逐步成熟，电脑应用日益普及，这标志着自动化水厂在国内尤其是大中型城市已具备较好的技术环境，已发展成为地项成熟的技术。事实上，90年代是国内水厂自动化产生实质性效益的时期。
　　国内实现不厂自动化的方法主要是依靠新建和扩建水厂。北方城市新建和扩建水厂主要依靠引进外资和全套设备技术，水厂自动化工艺平均水平较高。南方城市由于小型水厂多，主要通过改造旧水厂实现自动化。南方的情况体现了水厂自动化在中小水司蓬勃发展的现状，其特点为：设计工作以本地技术力量为主，新建或改造旧水厂的投资渠道多样化，在设备选型上实行土洋结合的办法。但由于乡镇水厂技术力量相对薄弱，自动化在生产中的维护存在一定因难。虽然各地水厂自动化有了长足的进步，但是由于多种原因，目前国内还没有一座真正意义上的全自动化水厂，主要原因是国内经济、技术条件所致。就拿水厂泵站自动化来说，国产电机、开关柜等设备质量还达不到自动化控制要求，加之供水管网缺乏统一规划，造成泵站自动化只能依靠进口设备，投资大，效益不明显、维护费用高。很多水厂的泵站自动化仅指水泵站自动化，甚至少数水厂将中控室遥控认为是自动化。
　　笔者根据从事自动化设计及运行管理方面的经验，在走访了国内多家水厂后认为，国内水厂自动化已形成一定的工艺模式，同时也存在一些比较明显的问题需要我们在实践中加以解决。

　　1　水厂自动化设计的方要模式及注意问题

　　可编程序控制器和计算机的应用，是水厂自动化的特征。现在国内多采用三种控制系统：SCADA、DCS、PLC+PC。其中PLC+PC控制器比较流行。利用该系统可实现集散控制，系统稳定性能好，开发、操作简便。
　　采用PLC+PC系统的水厂自动化控制工艺设计一般采用下面的模式，能够较好的满足国内水厂自动化的监控、保护要求。
　　1.1　通讯主站
　　对于大中型水厂主站设置3台监控电脑，1台处理生产数据热报表，2台生产监控，1用1备。生产监控电脑应配置故障报警打印功能，实时打印报警项目。主站应设置报警铃，加强报警功能。根据料际需要，还可以在管理部门办公室设置监察院控电脑，以便管理者及时了解生产情况。
　　在设计时要充分考虑网络通讯线的干扰问题。通讯缆不要有驳口，虽然通讯缆有屏蔽层，但是还应在通讯缆外再加金属管加强屏蔽为妥。
　　通讯缆包括仪表信号通讯线走线应该避开强电设备，例如变压器、高压电缆，避免产生电磁干扰。
　　1.2　投加站
　　由于投加站设备以投加自动化设备、仪表为主，所以该站PLC主要负责完成投加站投身数据采集工作。在投加站设计中，普遍存在一个问题，就是PLC没有完全采集仪表及设备的输出信号点。由于各个水厂使用投加站仪表设备不同，设计人员设计时没有充分了解设备功能，缺乏对设备辅助数据的监控功能。
　　投加站包括两大部分：投加自动化生产设备、原水水质仪表。
　　一般配置的生产的设备有：投氯、投氨设备，投净水剂设备含(SCD)，漏氯、漏氨报警器，氯、氨瓶磅秤，净水剂流量计等。有的水厂还配置了净水剂搅拌设备、烧碱投加设备。对于生产数据，主要采集加氯机、加氨机的投加量，计量泵冲程、频率，磅秤数值等，对于设备中的高、低真空调节阀等开关量的报警点的采集比较少。这些开关量报警信号能够为设备维修提供明确的指导，有利于生产者管理维护设备。尤其适用于一些技术力量不足的乡镇企业。
　　投加站可以设置一个原水仪表室，布置原水高浊度计、流量计、有的水厂还设置了氨氮计。在实际运行中，投加站仪表传感器按使用周期编制成相应的报警程序，及时提醒生产人员更换。
　　1.3　反应池、沉淀池站
　　该站控制设备包括水池排泥阀、排泥机两部分。对于水池排泥阀，可实现自动周期排泥、电脑遥控排泥两种工作方式。设置排泥程序要考虑一个具体问题：由于水厂排污管或池限制了排污水量，要将滤池排污、排泥机排污与此处排污分开进行，并且要把该处排污阀分组排水，保证生产安全性。
　　近年来建设的水厂多采用平流式沉淀池，池底沉泥不是均匀分布，排泥机必须变速行走。现在的平流池排泥机多为有级调速运行，利用平流池上设置的几个行程开关平控制运行速度。根据池底沉泥规律，最好能设计成无级调速运行，可以节省生产水耗、排泥更彻底。
　　1.4　滤池及反冲洗站
　　该站主要完成滤水及协调风机房反冲两项控制任务，一般将滤池工作状态分为3种：停水、滤水、反冲。主要采集滤池水位、水头损失信号、处理反冲排队、最大工作周期设置等工作。
　　在滤水状态下，控制程序都是利用的控制功能实现恒水位滤水，设置遥控滤池排泥阀、滤阀开度操作，以处理突发生产问题。在停池状态下，设置理行所有阀门遥控操作的程序，以方便检修等生产工作。
　　滤池反冲洗依靠周期及水头损失两个参数来启动，但水头损失启动反冲洗的机会很少，而且水头损失压力计经过长期运行生产零漂，如果不及时校准，其数据往往不可靠。气水混合反冲洗分为5个阶段：滤池排水、气冲洗、气水混合冲洗、水冲洗、滤池进水。利用罗茨风机冲洗滤池，启动风机时噪声大，利用变频器进行软启动能够较好地降低噪声污染。在水冲洗、气冲洗、气水混合冲洗过程中，所需气、水量不同，多采用1台风机和1台水泵。正在建设中的惠州市江北水厂就采用了新的反冲工艺：在气、水单纯反冲洗时，分别采用2台风、2台水泵；气水混合冲洗时，采用1台风机和1台水泵。这样就使反冲洗的气、水流量趋于合理，但随之而来使控制程序复杂化。
　　反冲设备可以采用国产设备，为了克服国产电机启动柜内设备的故障问题可以在相关的继电器上采集监控数据，利用软件及时发现启动柜在启动或运行时产生在故障，防止事故进一步扩大。
　　1.5　一、二级泵站
　　两座泵站分别是水厂两座小型变电站，泵站自动化首先要采集足够的生产电量数据。另外两个任务是：监控水泵电机运行、采集出厂水质数据。
　　水泵电机主要采集电机温度、水泵前后轴承温度、水泵出口压力等数据。以往的泵站自动化有较多例子采用变频控制二泵站恒压供水，由于城市管网布局原因使这项技术经济效益不明显，现在的水厂有很大部分仅仅保证一泵站自动化，二泵站半自动化。
　　出厂水仪表主要包括：低浊度计、出厂水流量计、余氯计、出厂水压力计、PH计等。在水厂自动化设计中，原水及出厂水仪表的采样点直接影响到仪表检测的实时性、准确性，从而影响到自动化控制。佛山市沙口水厂的后氯点在清水池前，清水池进水管无混合器，余氯采样点在二泵出厂水管上，产生了后氯投加与余氯检测长达2h的滞后，造成后加氯量变化十分明显。后来在二泵站集水井增加辅助投氯点，将余氯检测滞后缩短到15min，改善了原来的加氯情况。所以在自动化设计工作中，自动化设计人员要和工艺设计紧密联系，才能保证整个设计成功。
　　自动化水厂的防雷问题也应该在设计时作统一考虑。早期运行的自动化水厂由于缺乏防雷措施，其仪表及控制系统因雷击损失严重。以ＰＬＣ系统为例，由于仪表串入雷电，造成ＡＤ转换模块损坏的事故常有发生。近两年来，防雷器产品大量出现，自动化水厂防雷投资很低，但其保护效果十分明显。
　　在自动化设计中，可以增加闭路电视监视系统，对一些关键生产场所进行直接监视。现在的闭路监视系统还具备了简单的报警功能，对水位异常等简单问题能够生产报警。闭路监视器成为水厂自动化系统的一部分。

　　2　水厂自动化的发展方向及生产管理

　　2.1　降低自动化投资，提高水厂自动化设计中设备国产化使用比率及控制软件的智能化程度
　　由于经济条件限制，我国的水厂自动化设计需要具有一定的特点，以促进水厂自动化在国内的发展。提高水厂自动化设计国产设备比率，是我们必需要走的路。事实上，很多水厂自动化是建立在部分国产设备的基础上，这种土洋结合设备配置的方法有效地降低了自动化投资。但在自动化运行中会出现设备误动作或故障的现象，这就需要自动化设计工作中逐步提高设备国产化使用比率，降低自动化投资的同时，加强控制系统可靠性，提高控制程序智能化程度。也就是说技术设计人员要熟悉水厂国产设备的性能，准确设定设备监控报警信号，发挥自动化监控及保护的功能，加强设计方案的安全性和可靠性。只有在自动化设计操作中加强和改善这个问题，才能有效降低水厂自动化投资、提高水厂自动化运行安全系数。
　　2.2　改造老式水厂，实现老式水厂更新换代
　　自动化水厂的出现，使老式水厂落后于潮流。改造老式水厂成为当前水厂自动化工作的任务之一。老式水厂的工艺、布局、设备千差万别，每个水厂改造都要具体分析，只有把自动化技术与生产工艺合理结合，才能达到成功改造、节约投资的目的。
　　在老式水厂改造工作中出现一种趋势，就是着重保证净水系统自动化，这是在现阶段根据实际情况作出的选择。净水系统的两大工艺滤池和投加又是其中的重点。滤池设备多使用进口设备，可靠性较好。技术人员不约而同地将主要研究力量放在了投加系统，尤其是净水剂投加方面。对于投加净水剂的实践研究应用，下面的例子较好地体现了其发展特点。福州东南区水厂高位药池重力投加自动化改造，体现了新旧工艺结合的特点。该厂的改造抓住了投药自动化的本质原理，利用反馈信号控制调节阀，不改变原来的建筑结构，仍然依靠重力作为投加动力。改造工作不仅节约了土建设备投资，而且新旧生产系统较好地揉和。镇江金西水厂的投矾自动化改造，体现了技术人员对控制系统改造持有比较新颖的思路。他们没有采用流动电流控制器，而是利用原水流量计和滤前水浊度计构成控制系统。另外针对在控制净水剂投加时预防突变因素的功能较弱，上海闵行水厂利用的模糊控制功能对信号进行改善，使投加量随原水参数变化的实时性得到加强，当原水流量变化率100%时，滤前水浊度能够保持在5NTU左右。这3个例子都成功地实现了老式水厂净水剂投加的自动化改造，投资成本低、效果比较好。三者都涉及到自动化系统的研究，体现了国内水厂自动化技术深入发展的趋势，技术人员从过去的单纯引进阶段，进入自行研究时期。
　　2.3　加强水厂自动化生产运行管理
　　自动化水厂的生产管理是水厂自动化应该考虑的问题。在实际生产中，不少水厂经过几年地运行，自动化变成手动，这种现象多出现在早期建设的自动化水厂中。
　　出现这种现象的原因是多方面的。其一是设计思想、方案不清晰，与实际水厂生产管理脱节。比如，有的水厂在自动化设计的同时，增加了过多的手动操作设备，不仅造成重复投资，还使生产人员产生了不正确的依赖心理。另外由于技术人员不了解生产实际情况，其设计往往与生产实际有出入，造成自动化设计局部失败。第二个原因是生产管理人员没有认识到水厂自动化的管理方法。有的水厂将职工仍然按照老式水厂生产模式，片面地把人员划分为电工、机械工、制水工和泵房值班机电工等。各岗位明显的条块分割，不完全适应水厂自动化生产的需要。自动化水厂应该以控制系统为单元进行安全效益生产管理，不同于老式水厂以孤立的设备落实管理制度。第三，管理人员不能切实掌握自动化水厂的技术维修工作。目前流行的控制系统虽然具有较好的可靠性，经过数年运行后也会因设备老化出现不同的故障。由于网络通讯线老化引起的通讯误报警、出现组件变形导致接触不良、个别组件输入点损坏等等，这些都要求生产管理人员根据实际情况及时处理设备维护问题。

　　3　水厂自动化的设备选型

　　设备选型工作是水厂自动化系统设计的一个重要环节，选择设备要满足控制要求，并注意设备投资的经济性。在关键设备选择上，进口设备运行的可靠性相对较高。目前在水厂自动化设计中，可编程序控制器、主要水质仪表、滤池阀门、投加自动化设备多选用进口设备。
　　3.1　合理选择进口设备
　　选择进口设备要实际了解其工作性能，这样可以合理选择到投资较低的设备。例如水厂投加、水质检测自动化设备，进口设备报价就有很大差别。一些开发中国市场较早的外国公司，例如首都、爱尔多斯公司，市场较广，进入中国市场早期报价较高，其报价降低幅度不大，同样的设备报价要高出其它公司1/3左右。相反对于一些市场面不大的公司，例如W&T、霍尼威尔等公司的报价相对较低，其设备性能也基本相同。由于这些公司产品使用不多，其性能不为大家熟悉，在使用过程中可能需要进行某些技术摸索，所以选用较少。如果企业具有一定的技术力量，就应该抓住有利的市场形势，采用他们的产品，可以大降低水厂自动化投资。通过广泛了解进口设备，不难发现同一家公司或销售商的不同设备报价也有区别，这也为我们在选择控制设备时降低投资提供了条件。
　　控制设备PLC的国外供销商纷纷进入中国市场，比较流行的PLC品牌包括美国AB、德国西门子、日本三菱以及法国、西班牙、韩国的产品。美国AB公司PLC软件功能比较齐全（目前只有AB公司的产品具有专门的模糊控制功能），但价格较高。三菱PLC价格相对低廉，能够满足水厂自动化控制的要求。另外，监控制软件也是自动化设计需要选择的，比较著名的监控软件是美国FIX软件，最近推出了V6.15中文版本。另外还有国产组态王、台湾的炎黄，以及很多专业公司的配套软件，均能实现一定规模的水厂自动化监控要求。
　　3.2　合理配置国产设备
　　目前在自动化设计工作中，选择国产（或中文合资）控制检测设备较可靠的包括：压力传感器、流量计、浊度计、流动电流控制仪、监控电脑、各种电缆、防雷器等等。有较多品牌的产品以供选择，只有选用了产品质量好的控制设备才能符合水厂自动化控制的要求、达到设计可靠性要求。一般来说，采用进口技术的合资或独资企业的产品可靠性可以与进口设备媲美。例如V型滤池采用的水位计、堵塞度计，我们在实践中使用了E+H公司技术的国产产品，其性能、外观和进口产品完全相同，报价却相差1/3以上。另外，在设备选型问题上不要采用一家公司或销售商的配套选型方案，这样的设备报价往往较高。能够真正了解产品性能，通过自己的设计将不同品牌的设备合理布置在一个水厂控制系统当中，是降低水厂自动化投资的一种有效方法。所以在水厂自动化设计工作中，恰当选择设备能够较大幅度降低投资，降低幅度可以超过10%～20%。
　　现在水厂潮流是气水反冲洗V型滤池，水厂自动化的重点之一就是滤池站。滤池管廊基本使用气动蝶阀，有欧洲及美国多家产品都在各地水厂流行，国产气动阀门使用较少。但在深圳水涌水厂的自动化改造中，全部滤池阀门选用国产气动阀门，生产性能也比较好。该项工程被评为建设部样板工程。