浅析自动化控制设备的国产化

赵文耕
《给水排水》编辑部

　　0 引言

　　从《给水排水》杂志1964年首次刊登关于水厂自动控制方面的文章至今已经30多年了，自动化控制的发展历程也从简单的水源井遥测发展到如今的大型数据采集与控制系统(SCADA)，尤其是从80年代开始引进国外先进设备与技术以来，我国的水厂自动化技术有了长足的发展。
　　为了提高供水水质，确保供水安全可靠，同时又能降低能耗，降低药耗，降低漏耗[1]，水厂自动化控制技术有广阔的应用前景。许多的老水厂引入了自动化控制环节，更多的新建水厂在设计时就考虑了自动化控制。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源是技术发展的必然趋势。水厂自动化是我国水工业发展的方向，也是我国“供水2000年规划”的主要目标。
　　0.1 水厂自动化控制的分类
　　对于水厂自动化模式大致可分为：SCADA系统(Supervisory Control And Data Acquisi-tion)，DCS集散型控制系统(Distributed Control System)，IPC十PLC三种类型。
　　0.1.1 SCADA系统
　　SCADA系统是由一个主控站(MTU)和若干个远程终端站(RTU)组成，MTU与RTU之间用物理链路层或数据链路层联系，该系统特点：(1)组网范围大，通讯平台灵活，可实现一个城市或地区这样较大的地理分布的监测和控制。通讯方式可采用无线有线或微波联系；(2)系统分为主控机和远程机两部分，RTU的控制较固定，处理能力较小；(3)MTU或RTU通过通讯接口进行协议变换后可与其它网络链接，可以组成较大，较复杂的通讯网络；(4)系统实时性较低，对大规模和复杂的控制实现较困难。
　　深圳市自来水集团公司目前已经实现了以深圳市范围内的给水SCADA系统。在中心控制室或者装有终端的地方都可以随时查阅任何一个检测点的情况。
　　0.1.2 DCS系统
　　DCS系统是由多台计算机和现场端机组成。通过网络将现场控制站、检测站和操作管理站、控制管理站及工程师站联系起来。共同完成分散控制和集中操作。管理的综合控制系统特点：
　　(1)采用分级，分布式控制；(2)在物理上实现了真正的分散控制，系统可靠性较高；(3)有较好的扩展能力；(4)系统的软硬件资源丰富，可适应各种要求；(5)响应时间较快；实时性较好；(6)应用软件的编程工作量较大，对开发和维护人员要求较高，开发周期长。
　　DCS系统具有较高的可靠性及良好的扩展能力，他注重与功能分散以求危险分散，他可根据用户管理体系的需要和用户功能要求，组成层次化(纵向分散)和功能化(横向分散)的各类系统，借助于网络技术，完成纵向和横向的通信，或向最上层的管理机构通信。在软件方面，有面向过程控制用的支持软件和功能软件包，以便于过程控制工程师摆脱软件人员而独立编程(生成应用程序)，其结构如图1所示：

　　0.1.3 IPC十PLC系统
　　该系统是IPC和PLC组成的分布控制系统，可实现DCS系统的功能，其性能已经达到DCS要求，而价格比DCS低的多。开发方便，在国内水厂自动控制中得到最广泛的应用。该系统特点：(1)可实现分级分布控制;(2)可实现集中管理分散控制的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性；(3)可靠性高，组网方便；(4)编程方便，开发周期短，维护方便；(5)系统内的配置和调整非常灵活；(6)与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化；(7)系统分布不大。
　　由于DCS系统运行可靠性高，能实现中心控制室、现场监控子站和就地控制的分级控制，模块化结构，扩展灵活，结构开放，组网力强的优越性，遂被多家水厂采用。北京水源九厂第三期滤池自动控制就采用了该系统。
　　0.2 水厂自动控制系统可实现的功能
　　(1)保证用户管网供水压力恒定。操作人员设定管网压力后，系统根据设定值和压力传感器测得的管网压力实际压力信号比较，采用变频系统自动控制加压泵站中的泵启动台数。在较高的精度范围内保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下最大限度地节省电能，同时减少了由于无谓磨损，频繁启停等原因对水泵造成的损害。以及用水低峰时，由于管网压力过高造成跑冒事故，浪费宝贵水源。
　　(2)蓄水池水位自动控制。由于用户用水量的变化较大且具有随机性，而水厂对蓄水池内水位控制的精度要求较高，自动控制的实现一般采用水位维持在标准范围内的前提下，合理开关深井泵台数，避免深井泵的不合理频繁启停。
　　(3)自动倒泵功能。为防止某台水泵长期不运转发生锈蚀，由PLC控制水泵定期倒换。
　　(4)防止水锤功能。由于管内压力较高，为防止水锤对水泵的冲击，在每台加压泵的出水口处安装电动蝶阀，由PLC按照先开泵，再开阀；先关阀，后关泵的模式进行控制，有效地防止了水锤的危害。
　　(5)参数显示一目了然,数据存储方便。水泵的电压、电流、阀门状态、清水池液位、深井液位、出水厂压力、出厂瞬时流量、出厂累计流量等都可以实时显示，对于以上数据的存储、操作也十分方便，可供管理人员随时调阅。
　　(6)生产管理功能。上位机随时检测并记录水厂各台水泵的出水量及运转状态，以班次为单位生成生产报表，自动统计出水量及耗电量，并存入指定单元。
　　(7)报警及保护功能。当发生电气，液位，机械等故障时系统进行声、光报警，并采取相应措施。
　　由此可见，水厂自动化控制系统的实现有效地防止了因为操作不利、不及时而产生的问题，不但节省了水电资源，也提高了水质。
　　0.3 水厂自动化设备
　　0.3.1 控制设备
　　控制设备包括：监控电脑，可编程控制器，工控组态软件。其中主要的部件即是可编程控制器(Programmable Logical Controller)，简称PLC(或PC)，1969年在美国DEC公司出现以来，经过多年的发展，现在已成为一种应用范围很广泛的新一代工业自动控制装置，至今，它在供水领域的自动控制中的作用与贡献非常明显。目前，可编程控制器的生产厂家有几百家，从微型PLC到大型PLC，都有许多型号和系列，其主要生产厂家有：美国艾伦—布拉德利(ALLEN—BBADLEY)公司，简称AB公司；(2)美国通用电气(GENERA—LELECTRIC)公司，简称GE公司;(3)德国西门子(SIEMENS)公司；(4)德国通用电气 (AEG)公司；(5)法国(TELEMELANIQUE)公司，(6)日本三菱公司(MITSUBISHI)公司；(7)日本立石(OMRON欧姆龙)公司。近年来，美国生产的PLC系列产品以稳定性高，价格相对低廉，而受到了广大用户的肯定。
　　对于PLC的国产化问题很多专家都达到了一定的共识：由于国外产品技术成熟而且价格便宜，国内厂家无须再投入相当的人力和财力去搞同类重复性质的劳动了，而直接用国外产品即可。但是并不是说没有必要进行相关的科研，我们完全可以利用国外大公司生产线和技术更新时间较长的弊端生产出技术跨度较大的产品，这完全是有可能的。
　　0.3.2 监测仪表
　　监测仪表包括：流量计、水位计、压力表、各种在线水质分析仪表。其中的某些设备国内均可生产，而且性能与国外同类产品相同。比如说流量计，压力式水位计，压力表，台式浊度计，单因子投药控制仪等等。在很多水厂中的一次仪表，完全可以选购国内产品，不过，pH计，氨氮计和SCD国内技术尚未成熟。
　　0.3.3 执行设备
　　执行设备包括：滤池各个阀门、各种水泵阀门、变频器等。除了变频器还可以用国外设备外，其他泵阀均可用国内产品。
　　0.3.4 附属设备
　　附属设备包括：避雷器、闭路电视、通讯天线等。
　　0.3.5 执行设备的作用
　　在实现计算机全自动控制目标前，首先检验现场设备是否正常运行，计算机与现场设备接口部分是否正确。执行设备的正常运行，是自动系统能够成功运行的基础。如果他们稳定性差、精度不够、不按要求动作等；自动化控制系统是不会正常运行的，也就不能实现自动化控制。

　　1 设备国产化现状

　　1.1 引进设备应用现状
　　北京水源九厂的供水能力随着第三期扩建工程的投产已达到150万m3／d，约占北京市区供水能力的52％，在首都供水系统中起着举足轻重的作用。
　　九厂的自动化控制由中心控制室和加药控制站、一期滤池控制站、预处理控制站、二期滤池控制站、配水泵房控制站、污泥控制站、怀柔取水控制站、密云取水控制站等8个分控制站组成。净配水厂与怀柔、密云2个取水厂采用无线通讯方式传递数据。九厂利用国家拨给的外汇，在以往的工程当中(包括一期二期工程)引进了下列设备：
　　(1)变频调速装置、电机、水泵机组4台套，水泵设备由英国马勃公司提供，驱动电机和可控硅变频调速装置由德国西门子公司提供。
　　(2）液压转芯阀(ROTO阀)4台套，美国产品(Allis Charms)。
　　(3)加药计量泵12台套，德国普明能厂产品，该产品的特点是采用隔膜技术，使腐蚀性强的药液(三氯化铁FeCl3)与泵的金属件隔开。
　　(4)加氯、加氨设备共20台套，采用的是美国首都公司的产品，这是在了解深圳自来水公司引进设备使用情况后做出的决定。
　　(5)水厂制水过程监控系统成套设备及软件、现场监测仪表、有线无线数据通讯设备等。整套控制系统由日本横河公司提供，取水泵站由于工艺比较简单，选用了YEWPACK单总线综合仪表集散行进控系统。净配水厂采用了双重化的CENTUM综合仪表集散型监控系统，全系统设一个中央控制站，5个分控站，此外，配套引进了主要水质、水位、水量监测仪表，包括浊度、碱度、氨氮、PH、溶解氧、温度、超声波流量计、大口径电磁波流量计等。对于引进工作应当看作当前权宜之计，而不是永远方针。实际上引进是手段，而消化吸收才是目的。由于水源九厂引进的主控设备为日本横河公司早期的产品，属自控系列的中期产品，致使中心控制室由于种种原因到现在只能对全厂的参数进行检测，而不能实现实时控制，还需要现场控制室的配合，该系统控制形式虽属于DCS系统，但是没有实现分级管理，分级控制的功能。不过九厂一期二期经过10多年的实际运行，没有出现过较大的故障或问题，可见系统的稳定性能较好。基于此，九厂三期滤池的控制设备依然采用横河公司的产品，投入生产至今效果良好。
　　值得一提的是，国产设备在三期工程中的所占比重较大。实践证明国产自动化控制设备完全可以取代国外同类产品，这样还可以节省大量外汇，并可得到及时的售后服务。
　　1.2 国产设备应用现状
　　一些国内新建水厂相继采用了计算机监控系统，但这些水厂都采用可编程控制器 (FLC)，其被控设备大都为进口，而且都是在建厂时期全套引进，同期设计，同期安装、调试，建设一步到位。相对于以国产设备为主，已建成生产的老水厂，因设备可靠性差、故障率高，缺乏实现自动化的基础条件，所以老水厂实现计算机控制管理系统，在国内供水行业中应用得不多。
　　笔者有幸参观了位于深圳市的大涌水厂，大涌水厂的自动化系统改造就是以完全国产化设备为基础，《给水排水》杂志曾对其运行及效果作过相应的报道，不再赘述。大涌水厂自动化改造工程得到了专家的肯定，运行效果一直良好。这又是一个有力的佐据：国产设备完全可以达到相同的控制效果，而且还可节省大量金钱。
　　纵观水工业的发展历史，最近10年水厂自动化方面的发展尤为显著，随着对于国外设备和先进技术的引进和自身的不断摸索与进步，国内水厂自动控制程度也逐渐接近世界先进水平。10年前，某工程师在总结国内监控技术与国际水平的差距时说道：国外水厂普遍实行集中监测，分散控制。而今天我国的大部分水厂均已实现了如上所述自控功能，而且国产设备通过在水厂自动化改造中的应用也可以完全实现了当初另我们刮目相看的国外自动控制技术的自动化水平。只要有一定的时间，并且再加上自己不懈的努力，有些技术难关是完全可以攻破的。比如说：大口径流量计，一直到80年代末我们都无法自己生产大于2m的流量计，北京水源九厂输水管道上安装的2.2m的流量计就是引进日本的横河公司的产品，现而今，不仅是超声波流量计，还是电磁流量计，而且直径大于3m的我们都能生产，国内有能力生产的厂家有很多。
　　呼吁实现自动化控制设备国产化，不仅是市场的需要，也是用户的需要，我国水厂自动化控制发展最快的几年当中，从国外引进了大量的设备。据不完全统计，从1990年到1996年有19家水厂引进了设备，其费用达1.84亿美元[23。贷款国有奥地利、日本、芬兰、西班牙、英国、法国、澳大利亚、瑞典、荷兰等国家。从这些国家贷款，就要有一定比例的设备从该国购买，质量不能得到保证，这给日后维修与更换带来诸多不便，更何况有的国家的备件索价很高，几乎相当于整套设备的价钱。广大的用户需要某些设备实现国产化。

　　2　 引进设备与技术存在问题

　　2.1 硬件质量问题
　　从调查中可知，进口设备中计量泵、压力变送器、低量程浊度仪、pH测定仪、电导测定仪、余氯测定仪、液位变送器、温度变送器、监控主机、PLC或RTU等仪表和设备80％以上运行良好或正常[3]。而问题较多的设备如碱度计引进后从未投产或因运行中故障极多而被拆除占2／3，氨氮测定仪、溶解氧测定仪有1／3因使用中故障极多以至引进后从未投人生产，浓度测定仪和差压变送器有1／4因运行中问题较多而停用。这些产品严重地影响了水厂自动化系统运行。
　　水厂自动化控制是一个系统工程，因此除了自控设备、自控仪表必须质量有保证外，即使是一些次要的配套设备也必须忠于工艺要求，密切配合主体系统，才能使自动化系统整体运转起来。然而在调查中发现，很多环节的自动化系统运转不起来，并非是自控系统上存在问题，或是自控仪表、自控设备存在问题，而是配套设备存在着质量问题，如变频设备故障3滤池清水阀门开启度不稳定，不能按指令动作到位3鼓风机电机烧毁等故障；严重地妨碍了泵房自动控制和滤池自动反冲的正常进行。
　　2.2 软件质量问题
　　关于产品质量问题，还包括计算机软件及PLC程序编制上存在的问题。有的水厂经常发生计算机“死机”现象，有的原设计只允许一格一格进行滤池冲洗，却常有二三格滤池同时冲洗现象发生。诸如此类，都是软件质量问题，它们造成控制和调节的紊乱，自控无法正常进行。
　　国内计算机或通讯设备与进口设备的计算机网络相连比较困难，这包括以下3方面原因：其一，由于外商强调技术专利，不肯将软件编制向用户公开，造成联网及检修的困难；其二，由于在技术上，实现联网也必须进行处理，这些技术处理问题也存在着一定的困难；其三，由于担心“变动”进口设备，可能引起预料不到的情况而影响正常生产，因此不敢调整变动，也就无法与国内设备联网，影响了系统的合理性和统一性。
　　有些引进设备在运行中发生故障后，由于没有备品备件，国内无法修复，而请原产品供应商前来修理，则时间很长，而且费用极高。

　　3 国产自控设备的出路

　　引进国外先进技术、设备，建立水厂监控系统、城市调度系统，无疑推动和促进了我国供水行业的技术进步，开拓、充实了从事供水行业自动化人员的眼界和技术水平。但也存在大量问题。如，成套引进控制系统不仅价高，且售后服务跟不上。备品、备件的价格更高，有的甚至与主设备持平，且供应不及时。
　　应该看到这些年来，国内的一些制造厂商，或通过引进技术，或采取合资方式生产的电子设备，无论设备质量、技术的先进性，均可与国外设备相比。国内自己开发的计算机控制系统，在一些中小水厂，也得到了较好的应用。深圳大涌水厂就是很好的实例。实际上，国产自动化控制设备无论是从安全可靠性还是技术先进性都可以替代引进设备。而且价格便宜。
　　3.1 合理选型，降低投资
　　在设备选择上不宜采用一家公司或者销售商的配套选型方案，这样的设备报价往往很高，能够真正比较产品性能，通过自己的设计将不同的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％。同时如果国内已有较成熟产品，也可以考虑用国产设备代替引进设备，这样可以大幅度降低投资，还可以保证完善的售后服务。
　　3.2 “土洋结合”，合理组型
　　通过国产自控设备在某些水厂的成功的运行，说明国产设备是比较适合国情的，一次仪表、执行机构、和监控电脑、通讯设备选用国产设备，而国内发展尚不成熟的PLC可以选择国外厂家或者国内集成商的产品。实践证明，这种组合方式，首先具有较高的可靠性，其次就是可以大大降低投资。对于那些面临水厂改造而资金又比较优先的水厂，可以选择这种方式。
　　3.3 提高国产设备可靠性
　　水厂自动控制成败的关键，就在于系统的可靠性，虽然国产设备的售后服务优于国外设备，但是经常性的维修也会给生产实际带来麻烦。而水厂自动控制市场在水工业市场所占份额很大，所以要闯进这个市场，与国外具有丰富经验的厂商竞争，必须提高设备的可靠性。

　　4 结语

　　实践证明，国产的自控设备与产品基本能够满足水厂以及用户的需要，除自控核心部件可编程控制器(PLC)由于国外企业或公司多年的生产经验与完善的销售渠道和售后服使得国产PLC失去了价格优势外，其他设备比如控制软件系统、通讯设备和某些一仪表等国产设备已经达到了用户的需求，完全可以替代国外设备与产品。这与那些面临动化改造而又短缺资金的水厂无疑是一个很好的选择。水厂和其他一些用户对于自动化看法逐渐形成了正确的认识，自动化并不意味着世界上最先进的设备，价钱上最高的投，只要能够解决生产实际问题，低投资和较先进的设备依然可以达到相同的功能，这种情况下国产设备又是一个明智的选择。

参考文献
[1]汪光焘.城市供水行业2000年技术进步发展规划.北京：中国建筑工业出版社，1993
[2]杨立福，赵静生，张公度.给水排水自动化控制技术(SCADA)综述.给水排水，2000(26)3：72--76
[3]吴月华.引进自动化控制设备存在的问题.给水排水，1997(23)