水厂自控系统可靠性问题探讨

费霞丽(厦门市供水公司) 刘灿生 马超(哈尔滨工业大学)

　　可靠性是评价水厂自控系统的重要经济技术指标，它关系到生产的安全和经济效益，与投资，成本，性能指标一样，是水厂设计时应考虑的问题。目前，我国水厂应用的自控系统可靠性方面存在许多问题，尚未形成完整的自控系统优化设计原则与标准，影响水厂自控技术的发展。基于这种情况，本文在对我国水厂自控系统和工艺系统可靠性研究的基础上，探讨水厂自控系统可靠性设计原则。

　　1．可靠性的理论基础

　　1．1 水厂自控系统的可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，系统完成规定功能的能力，是评价水厂系统好坏的重要指标。
　　1．2 设备或部件运行总数为N，在t时间间隔内，正常运行的件数为N_t，出现故障的件数为N_J；当件数足够多时，不发生故障的频率可代表其概率，故可靠度R=N_t/N；故障度F=N_j／N，即R=l—F．设备工作到t时刻后，单位时间内发生故障的概率称为设备在时刻t时的失效率∧(t)，当设备的寿命服从指数分布时，即该设备的故障发生是随机，对于大多数设备，部件及构筑物都符合，则其可靠度函数为R(t)＝e^-∧t。
　　1．3 系统可靠度预测和评价的基本方法：
　　(1)串联系统组成系统的各单元(设备，部件或构筑物)如有一个发生故障则整个系统就会失效，这种系统称为串连系统。
　　假定单元的可靠性指标Ri，单元的寿命服从指数分布，即R_i(t)＝e^-∧t，则系统的可靠度R_s (t)＝∏R_i＝∏e^∧it，由此可见，串连系统的可靠度小于任何单元的可靠度。
　　(2)并联系统由一系列平行工作的单元组成，只有当各单元均失效时系统才会失效，这种系统称为并联系统。
　　假定各单元的可靠度为R₁ R₂—R_n，系统的可靠度即为

　　

　　(3)储备系统当系统中各单元工作单元有一个失效时，处于被用的另一单元即行替换，这种系统称为储备系统。与其并联系统不同之处在于前者为待机工作，后者为同机工作。(如图1)

　　对于有n个单元组成的系统，一个工作，其他(n-1)个在备用，且在备用期不失效，当各单元可靠度Ri均一致，且单元故障的发生是随机的，则系统可靠度为

　　　　　

　　2． 　水厂可靠性设计的原则

　　2．2 　应用简化设计原则设计水厂可靠性
　　2．2．1 　结构的简化
　　研究表明，水厂自控系统的计算机主控制系统可靠度较高，其薄弱环节主要是检测仪表和部分执行机构，因此在进行系统的可靠度设计时，应根据可靠性一致性原则，简化网络结构，改善薄弱环节。
　　2．2．2 　 功能的简化
　　水厂自控系统是通过对主要过程参数的连续监测，对生产设备进行控制，过多的设置监测参数，过高要求系统功能，会增加系统的复杂性，加大维护维修量，增大系统的投资，根据我国水厂的实际情况，进行系统的设计时，宜遵循重点突出，主次分明的原则，深入进行功能分析，合理设置检测参数，满足工艺过程控制和设备维护的需要、使系统简明实用，提高整个系统的可靠性。
　　2．3 　　 应用优化分配与储备原则设计水厂可靠性
　　系统可靠度的优化分配是指在系统可靠度已定的条件下，将单元的可靠度进行合理分配，使之费用最省。
　　可用动态规划进行系统可靠度的优化分配和冗余设计，预测系统各单元的可靠度目标，其规划方法基于最优化原理，其基本原理是：把一个N阶段决策过程化为一系列N个单元阶段决策过程，不论初始状态和初始决策如何，对于前面决策所造成的某一状态而言，其后各阶段的决策序列必须构成“最优策略”。
　　设系统由n个单元串联组成，期望达到的设计可靠度为R*，则进行系统的可靠度优化分配并保证费用最低的数学模型是：
　　单元i装有Xi个备有单元，其正常工作的可靠度为R_i(X_i)，费用C_i(X_i)，则系统的可靠度的动态规划寻优方程为

　　　

　　该系统的多阶段决策过程系统图如下

　　　　　　　

　　采用该方法可预测系统的可靠性，并进行可靠度的优化分配和优化冗余设计，根据实际情况校核，使预测及分配的可靠度目标具有可行性，且能改善系统的可靠度。

　　3．水厂自控系统可靠性的设计

　　水厂系统包括构筑物、自控系统和执行机构(闸阀等)。在进行水厂自控系统可靠性设计时，应对以上三个系统分别进行可靠度分配。
　　构筑物系统是最基本的子系统，是自控系统服务的基础。自控系统通过传感器(检测仪表)检测工艺控制参数，经控制器分析比较后，发出控制信号，由执行机构完成对工艺系统的控制，因此，在工艺系统运行可靠需要现场检测仪表及执行机构的灵敏可靠。一般，水厂自控系统的可靠度最高，检测仪表稍差，工艺系统的可靠度能满足要求，而执行机构的可靠度尚不能令人满意，如何提高执行机构和检测仪表的可靠度成为水厂可靠度设计的关键。
　　3．1 水厂工艺对自控系统可靠性的影响
　　以图2所示的工艺系统为例进行分析

　　　

　　水处理工艺是典型的串联系统，虽然工艺系统中的一个甚至几个构筑物故障不致引起整个系统功能的故障，但会引起给水设计功能水平的某种下降，同时，对自控系统功能的实现造成一定的影响，一次分析系统功能的可靠性，确定可能对自控系统产生的影响的环节，对于研究自控系统的可靠性具有一定的意义。
　　1)混合 由进水手动阀门，静态管式混合器，出水手动阀门组成，其可靠度经统计后得出：
　　 R_混合＝R_手阀×R_{管式混合器}×R_手阀 ＝0．978×0．99×0．978
　　　　 　＝0．974
　　 2)反应池 前后均设有手动闸阀，故单元的可靠度为：
　　　 R_反应池＝R_手阀×R_反应池×R_手阀
　　　　　　　 ＝0．978×0．93×0．978
　　　　　　 　＝0．890
　　当两池并联运行时，n＝2，R反应池＝
　　当四池并联运行时，n＝4，R反应池＝0．9998
　　当六池并联运行时，n＝6，R反应池＝1
　　3)平流沉淀池 前后均设有手动阀门，故
　　　　 R_平流＝R_手阀×R_沉淀池×R_手阀＝0．978×0.96×0.978＝0.918
　　　　　　　　 当n＝2时，R_平流＝0．993
　　　　　　　　　　n＝4时，R_平流＝1
　　4) 滤池 V型滤池每池前设有气动进水闸板阀门，池后设有清水蝶阀，因此

　　　　　R_滤池＝R_进水阀×R_池×R_水阀＝0.954×0.92×0.945＝0.822
　　　　 n＝2时，R_滤池2＝0．968
　　　　 n＝4时，R滤池4＝0．999
　　　　 n＝6时，R滤池6＝1
　　对整个工艺系统的可靠度进行计算(串联)，结果列于表3中。

工艺单元 并联单元数 无 2 4 6 混合装置 0．974 反应池 0．890 0．988 0．9998 1 沉淀池 0．918 0．993 1 1 滤池 0．822 0．968 0．999 1 工艺系统可靠度 0．636 0．899 0．946 0．947

　　若药剂与原水不能迅速均匀的混合，混凝效果差，影响出水水质。仪表检测到的反映混凝效果的参数反馈至投药控制系统，又在一定程度上影响投药控制系统功能的发挥。
　　如反应效果好，杂质沉降性能好，沉淀后水浊度低，从而减轻滤池运行负担，相反，反应效果不好，沉淀池除浊率低，滤池负荷增加，因此，要根据沉淀后水浊度的变化，混凝投药控制系统调整投药量，以保证沉淀后水浊度保持在设定值附近，因此，反应池的可靠与否对整个工艺系统优化运行和投药系统的控制有较大的影响。
　　综上所述，工艺系统中各构筑物采用多池并联，能达到较高的可靠度，因此，在进行工艺设计时，要根据处理水量和工艺系统的可靠度要求，与自控系统的可靠性进行综合权衡与匹配，选择合理的构筑物组合。
　　3．2 水厂自控系统的可靠性分析
　　3．2．1 投药系统的可靠性
　　在以除浊为主的水处理中，混凝剂的投加是重要环节，其系统的可靠性是影响水厂运行的重要环节。
　　以SCD投加系统为例，该系统以原水的流量为前馈变量，控制计量泵，以SCD值为反馈变量，控制计量泵的冲程通过PLC中的PID控制功能，组成一个前馈——反馈闭环控制系统。其主要设备有变频调速装置，投药计量泵，流动电流测定仪，控制器等。模块图为：

　　该控制回路中，一个参数的传递出现误差或设备出现故障，都可能会影响系统功能的实现。根据故障率与可靠度的关系，统计分析出系统的可靠性数据如下表：

名称 故障率∧(10^-5/h) 可靠度R 流量计 208 0．782 SCD仪 2．4 0．810 变频调速装置 0．58 0．950 PLC 0．16 0．999 计量泵 0.65 0．944

　　单个系统的可靠度为：
　　　　　R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅＝0．592
　　水厂通常采用两套系统时，
　　　　 R＇置计＝0.974 R’SCD＝0．981 R’_交频器＝0.998 R’_计量泵＝0.997
　　　　 R＝R’_流量计×R’SCD×R’_变频器×RPLC×R’_计量泵
　　　　　 ＝0．949
　　而计量泵二用一备时R＝0．999，但在实际运行中，进行系统设计时应从可靠性，经济 性和实用性上综合权衡。整个系统中流量计和流动电流测定仪的可靠度较低，常常流量计的量值不准，流动电流测定仪出现信号漂移现象，为了提高投药系统的可靠性，首先必须改善检测仪表的可靠性，选择质量好，可靠性高的仪表和设备及提高系统的储备。
　　3．2．2 沉淀池排泥系统的可靠性
　　沉淀池排泥控制由PLC的逻辑控制实现。不同的池型控制方式有所区别，但目前常用的的控制方案是采用周期排泥，按设定方式排泥。
　　机械虹吸式排泥主要设备是排泥机，其中每台排泥机的单元设备有真空泵，破坏真空电磁阀，行走电机。PLC控制排泥机完成规定的排泥程序。整个系统是串联系统、系统的可靠性数据如下：

名称 故障率∧10^-5／h) 可靠度 PLC 0．16 0．999 真空泵 0．95 0.920 行走电机 0．82 0．930 电磁阀 1．85 0．85

　　因此，排泥系统的可靠度为：

　　

　　当两格沉淀池并联运行时

　　　

　　四格沉淀池并联运行时R4＝0．980；六格沉淀池并联运行时R6＝0．986可以看出，电磁阀的可靠度最低，是系统的薄弱环节。常发生的故障是电磁阀，使虹吸不易形成，排泥失败。此外，排泥行程开关不灵敏，触点不吸合，排泥机排泥不到位或不能按指令返回，影响排泥自控功能的实现。
　　3．2．3 滤池控制系统的可靠性
　　V型滤池的PLC主要实现两个控制功能：过滤控制，反冲洗控制。目前，V型滤池的控制比较统一，每格滤池配置一台PLC，控制滤池的过滤，一台PLC控制滤池的反冲洗，当某一格滤池达到反冲洗条件，向公共反冲洗PLC提出申请并被允许时，公共反冲洗PLC按既定的程序进行反冲洗，所以滤池控制系统是一个串联与并联相结合的系统统计得出系统主要单元可靠性如表：

名称 故障率∧(10^-5／h) 可靠度R PLC 0．16 -0.999 鼓风机 0．50 0．957 空压机 0．44 0．962 反冲洗水泵 0．50 0．957 气动阀门 0．64 0．945 水位计 4．23 0．690 压差计 3．71 0．722

　　因此，单体V型滤池的可靠度为：
　　　　 R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0.664
　　水厂采用备用的方式提高系统的可靠度，假设：
　　1)鼓风机一用一备：L＝1，n＝1；
　　2)反冲洗水泵二用一备：L＝2，n＝1，得R，₄＝0．996
　　3)空压机一用一备：L＝1，n＝1，得R，₃＝0．9993
　　所以，R有备用＝R₁×R’₂×R，₃×R’₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0．726
　　4)滤池十格：
　　　　　　　

　　滤池控制系统总的可靠度R为：
　　　　 R_总：＝[1-(1-R_公共PLC)(1-R_滤池)]R_鼓风机×R_反冲洗泵×R_空压机
　　　　　　 ＝1×0．999×0．996×0．9993＝0．994
　　V型滤池的阀门在实际运行中，数量多，动作多，故障来源也多，是整个系统的薄弱环节。水位计和压差计可靠度最低，水位计测值不准确，进水，污泥堵塞，甚至被杂物缠绕， PLC接受水位变送器传输的错误信号，导致清水蝶阀开度指令的混乱；压差计探头经常损坏，检测数据不准确，按水头损失控制滤池反冲洗存在一定误差，影响反冲洗功能的实现，所以为了提高滤池控制系统的可靠度，尤其要注意以上设备的可靠性，注意定期检修，备件充足。
　　3．2．4 投氯系统的可靠性
　　水厂投氯消毒是将滤后水余氯控制在设定值附近，以滤后水流量作为前馈量，清水池入口余氯作为反馈量，在PLC中组成一个前馈--反馈闭环比例控制系统，控制加氯机流量的大小。投氯系统是一个串联系统。

　　其主要设备的可靠性如表：

名称 故障率∧(10-5/h) 可靠度R 流量计 2.8 O．782 加氯机 1．85 0．850 PLC 0．16 0．999 余氯分析仪 3．49 0．736 增压泵 0．46 0．960 水射器 0．40 0．965

　　由串联系统的可靠度公式得加氯控制系统的可靠度为：
　　　　　 R＝R_流量计×R_加氯机×R_PLC×R_余氯仪×R_泵×R_水射器
　　　　　　 ＝0.782×0．850×0．999×0．736×0．960×0．965
　　　　　　 ＝0．453
　　为了提高系统的可靠度采用两套加氯系统时，R’流量计＝0．974 R’加氯机＝0．988 R’余氯仪＝0．962 R’_泵＝0．999 R’_水射器＝0．999
　　　　　　 R=R’_温量计×R’_加氯机×R_PLC×R＇_余氯仪×R’_泵×R’_水射器
　　　　　　 ＝0．974×0.988×0．962×0.999×0．999×0．999＝0.923
　　 三台加氯机两用一备时，

　　　　　　

　　根据可靠性一致性原则，串联系统的可靠性低于任一单元的可靠度，系统的中可靠度最低的流量计，余氯分析仪对整个系统的可靠度影响较大，所以如何提高它们的可靠度，成为设计加氯控制系统的关键。余氯分析仪是系统的重要设备，它通过连续检测水中的余氯量，输出余氯量的信号给加氯机，控制阀门的开度来调节加氯量。而余氯仪测值不准确，信号漂移，会致使投氯调节不稳定。此外，水射器堵塞，压差稳压器隔膜组织老化腐蚀，流速计不准，行程开关故障，阀门开启不灵敏，同样会影响投氯量的准确。
　　总之，在进行水厂自控系统可靠度设计时，要注意系统可靠度比较薄弱的环节，选择比较好的设备或者通过并联或备用的方法使系统中各个单元的可靠度大体一致，因此，可靠性设计的第一步是对串联系统的各组件的可靠度进行调整，对可靠度较低的设备和单元采用备用或并联的方法处理，使系统内的各子系统、各单元的可靠度趋于一致，使整个系统的可靠度提高。使水厂自控系统可以满足可靠度设计要求，又不过分要求各单元的过高的可靠度，使得水厂系统的设计安全、可靠、合理、经济。