城市供水系统监控和自动化技术设备情况介绍

崔福义 李圭白

　　一、专题概况

　　“污水处理与水工业关键技术研究”是我国“九五”期间设立的国家重点科技攻关项目。该项目由5个课题、21个专题组成，分别由建设部、国家环保总局、中国科学院等6个部委组织实施。“城市供水系统监控和自动化技术设备”（96-909-03-04）是专题之一，由哈尔滨工业大学（原哈尔滨建筑大学）主持。专题下设4个子专题，即1、安全饮用水的监测仪表；2、已建水厂集散型计算机监控系统；3新建水厂集散型计算机监控系统；4、城市供水系统监控技术设备与优化调度研究，分别由哈尔滨工业大学、中国市政工程中南设计研究院、深圳自来水集团公司承担，有广东开平供水集团公司、厦门飞华环保器材有限公司、三门峡市自来水公司等单位参加。该专题工作自1996年至2000年进行，历时5年，参加攻关人员总计约40人，投入经费2374万元。

　　二、专题设立的指导思想

　　1、研究的目的和意义
　　随着社会经济的发展，水对人民生活与生产的影响日益加强，对供水的质量与安全可靠性的要求不断提高，人们也更加重视降低供水系统的能耗，为此，一项重要而有效的措施就是加强供水系统工况的监测，尤其是加强水处理厂各个工艺环节的自动监测与控制。
　　研究城市供水系统的监控与水厂自动化技术装备，必须考虑中国供水行业的技术特点与经济力量。我国水厂的基本现状是：水工业整体技术水平低，特别缺乏供水系统监控技术与人才；水工业仪表与装备基础薄弱，国产的专用水质在线检测仪表及主要装备性能难以满足供水企业的需要；受社会经济发展水平限制，供水企业经济实力不足，除了少数较大型企业有能力通过贷款等方式引进国外的先进技术与设备、发展供水监控系统外，多数的中水水厂面临的是缺资金、少技术、进口设备买不起、国产设备质量不过关的局面。这些情况决定了发展中国供水行业的现代化不能全盘照搬西方发达国家的经验，要形成有中国特色的技术路线。
　　为此，本专题的研究目的就是在“八五”攻关成果的基础上，继续发挥已有研究优势，开发出一批适全中国国情的特点的、关键的水质专用检测仪表与装备；总结我国供水系统监控技术经济，参考借鉴国外的先进经济，建成若干有代表性的水厂集散型计算机监控系统示范工程。这一专题的研究将有效地提高供水系统的工作质量及供水的安全可靠性，降低供水成本，推进我国供水系统监控现代化的进程，具有很显著的社会效益与经济效益。
　　2、国内外技术发展概况及国内需求
　　国外自60-70年代起开始了供水系统自动监控的研究与应用工作。尤其是自80年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。加之西方发达国家雄厚经济实力与技术基础，供水系统的自动监控已得到普遍应用。一些水厂已实现全自运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等。这种高度自动化运行的模式是符合西方国情特点的。西方许多国家人力资源紧张，人工费用往往占生产成本构成的比重较大，而仪表设备费相对较低，加之设备质量可靠，高度自动化节省了人力资源也就是获取了较高的经济效益。西方也有相当多的水厂仅对一些影响处理水质及费用关键工艺环节实施自动控制，而对各个工艺阶段的主要水质与运行参数进行自动监测。这是一种经济高效的自动监控方案，值得借鉴。国外的水厂监控普遍采用集散式系统。对各个工艺单元进行分散控制减小了各控制环节之间的干扰，提高了工作的可靠性；对全厂的集中监控，又保证了统一指挥、调度的灵活性。
　　我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。我国在水厂关键环节——混凝投药控制技术与设备方面实现了流动电流及透光率脉动两种凝控制设备的国产化，并在水厂获得推广应用，取得显著效果，在此方面已居于国际领先水平。水工业的一些专用检测仪表与设备，如在线检测浊度仪、计量投加泵等，也有一些厂家开始生产，但是质量水平与国外产品相对仍有距离，难以满足国内市场需要。我国大多数水厂的监控技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，很难适应现代化的要求，一些水厂（包括有些引进设备的水厂）的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调近代功能并不强。如混凝投药是按原水流量比例控制，不能跟踪响应原水水质等因素变化对药耗的需求；沉淀池排泥用水；传统的处理效果以浊度为指标，存在检测可靠性等问题等等。这种模式并不适应我国相当多的水厂原水水质变化大而快的情况，而谈不上保证水处理系统运行优化，结果水质保证率低，而运行费用高。这些自动监控系统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。
　　针对我国的技术经济条件，不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。近年来建设的较大型的、自动监控水平较高的水厂需要认真总结应用经验，并向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导。对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节的自动监控技术与设备，建立规模适宜的集散型计算机监控系统。

　　三、专题执行情况

　　1、安全饮用水的监测仪表
　　针对现有浊度仪的检测原理、结构形式、以及辅助功能等方面与国外进口产品的差距和实际生产应用的需要，着重在以下几个方面进行了改进与完善。
　　采用CPU微处理器，可实现各种参数的设置、储存、备份，具有上下限报警、声光批示、线性校正功能，同时可实现时间设定、RS-232通讯接口、信号平滑电子密码锁等多项智能化功能。
　　采用悬挂式连续采样系统，垂直安装的大直径取样器，具有黑体吸收结构，并实现了产品模具化。通过采用高稳定度的光源与高精度、低漂移的光电转换器，高稳度电源、光学透镜等器件，配备了机械消气泡装置，设置了电路滤波、计算机软件消泡功能。这些措施提高了信号接收的稳定性，解决清洁维护问题。
　　在技术性、稳定性、线性度及抗干扰性等四个主要方面与美国进口的同类产品进行对比，表明其质量和参数的可靠性均达到满意的水平。
　　准确度实验表明，表面散射光浊度仪定位准确稳定，线性较好，回收率在98%——102%之间，可见其测定准确度较高。精密度实验表明：同台仪器测定的相对偏差不大于2.5%，不同仪器间的最大偏差不大于1.5%，相对标准偏差（RSD）小于2.0%，均满足浊度测定国家标准方法的要求，同时也表示该种仪器具有很高的精密度，已达到国际先进水平。浊度仪的稳定性、准确性、重要性、绝缘性等主要指标均符合技术要求。
　　浊度脉动检测仪采用光透射式检测方式，根据光束内颗粒物质数量浓度的变化情况进行检测。有效检测信号输出值为比值的形式，由于电子元器件的老化漂移及透光表面的粘污所千万的检测信号改变，在两个计算值上产生相同程度影响，其比值R则消除了这些影响，避免了许多光电仪器存在的严重问题，因此具有抗污染性能，在检测过程中不需要进行常规的标定和清洗，具有免清洁、免维护的特点。这是该检测方法的一种独特的性质，也弥补了浊度测定法存在的电子漂移和检测器表面粘污等弊端。R值能够更有效地表达出悬浮液中颗粒物质含量相对数量及其变化情况，弥补了浊度测定方法受颗粒粒径影响大的缺陷。
　　从以上结果和分析可看出，浊度法更适用于小于1μm的悬浮颗粒。这两种检测方法实现了优势互补，从而使得在整个颗粒粒径范围内都有了有效的颗粒检测方法。
　　当颗粒大于1.5μm时，浊度脉动法可直接检测ppb级至10⁹个/cm³以上范围的颗粒，而常规颗粒计数方法在大于10⁶个cm³时就必须进行稀释；浊度检测也会因重叠效应产生较大偏差。浊度脉动检测技术有极大的适用性，一般不需稀释或预处理可直接检测，拓宽了应用范围，大幅度简化了操作程序，更具实用性。
　　在仪表设计及测试中，采用高性能的远红外激光发射二级管，大幅度稳定光源强度，同时配置高性能光敏二极管，以及高精度电子处理电路，使检测信号的处理精度进一步提高，而且不易受到干扰，信号的波动和飘移程度均低于±2%。对待检测水进行取样时，考虑到流速过低会使絮凝体或悬浮颗粒产生沉淀，而且检滞后时间加大，不利于控制过程；但流速过高会使絮凝体颗粒破碎；一般取样流速应大于100ml/min为宜。
　　配备进口的智能化功能微电脑控制器，具有自动诊断、自动校准、自动量程转换，误操作及传感器故障自动对策。报警方式有误操作及传感器故障数字显示、声光报警；过投药、欠投药、断药报警；变频器停机及故障报警。整机的关键部件均采用高质量器件，可充分保证仪表的使用寿命。传感器部分为不锈钢材质，采用分体式远传信号传感器，具有密封、防水、耐温等功能，可适用与各种条件恶劣的现场，保证长时间正常使用。
　　对于低浓度悬浮液，仪器的信号将主要由通过光束的单个颗粒产生，此时浊度脉动检测仪器的运行方式 与基于光阻塞理论的颗粒分析计数仪器的非常相似，可以对清洁水质中的浓度极低的悬浮颗粒物质进行检测。与常规颗粒计数检测仪器进行的平行对比结果表明，浊度脉动检测仪器的检测值与实际颗粒计数值的变化趋势完全相同，而价格要低于常规颗粒计数检测仪器数倍。
　　由于常规颗粒计数仪器在运行时只能检测某个粒径范围的颗粒，而浊度脉动检测仪可以有效地检测出大于1μm粒粒物质，并且颗粒浓度及粒径都不受限制，所以后者应该更具代表性，更能真实地反映水中颗粒物质相对含量。因而，该检测技术有可能作为一种全新的颗粒物质总体含量的有效检测方法。
　　浊度脉动检测方法同样可检测颗粒浓度高的悬浮液，此时光束可有数以千计的颗粒，但检测过程不受颗粒浓度的限制，避免了浊度检测法和常规颗粒计数检测法存在的严重重叠效应问题。这是该方法的一个主要优点。
　　对于水处理工艺的水质来说，颗粒物质只要低于一定的整体水平即可满足，一般不需要知道颗粒数量和粒径的具体数据。因此使用浊度脉动检测方法会更方便、更快捷，而且具有仪器投资少，运行费用低，维护简单等诸多优点。
　　通过与显微照相和常规颗粒计数检测仪器相结合的检测和对比运行，表明浊度脉动监测仪的确可真实地反映出水中絮凝体和悬浮颗粒物质的相对尺寸及其变化情况，检测结果可以作为一种相对检测指标，提供出水质或混凝状况。
　　2、已建水厂集散型计算机监控系统
　　本子专题建立了以广东开平供水集团公司振华水厂为基地的示范工程。针对各单元控制系统的可靠性、集散型系统的可扩展性等方面进行了从理论到实际生产实用的多方位、多层次的研究，为已建成水厂集散型计算机监控系统的推广应用奠定了坚实的基础，完成了合同中要求的各部分内容。
　　在振华水厂的应用示范表明，开发的这一集成系统稳定可靠，而且操作简单，颇受水厂技术人员的欢迎。
　　该部分内容已经在本次会议上进行了鉴定，不再详述。
　　3、新建水厂集散型计算机监控系统
　　由中国市政工程西南设计院主持完成的这部分任务，对计算机监控进行开发，在河南省三门峡第三水厂是比较典型的应用实例，所以选择这个工程为本研究的示范工程。
　　水厂计算机监控系统的主要功能为监视，控制和管理。其中控制直接作用于生产过程。为把因计算机监控系统故障造成的对生产过程的影响减小到最低程度，把提高计算机监控系统的安全性和可靠性放在重要的位置上加以考虑。在计算机监控系统结构设计上，采用多台计算机同时工作，各自完成其特定功能的方式，把风险分散。当某一台出现故障时，不影响系统其它功能的完成。同时监视和管理是集中的，以便于生产管理人员及时了解生产全过程的情况，对全厂的生产进行管理。通过现代通讯技术，将多台计算机连接起来形成一个局域计算机网络，从而形成水厂计算机监控系统。系统中有一台核心主控机，它不直接与生产过程中的各种设备连接，而是通过网络收集其它计算机采集的信息，协调其它计算机之间的关系，为集中监视和管理提供界面。它是整个计算机监控系统信息的交汇点。其它计算机则分布在生产过程的各环节，负责相应工艺环节的监视和控制功能的实现。
　　在功能满足要求的情况下，计算机监控系统能够投入实行运行的关键是能够适应工业现场恶劣的环境。在研制开发计算机监控系统时，对其防尘、抗震、防电压工业现场恶劣的环境。在研制开发计算机监控系统时，对其防尘、抗震、防电压冲击和电磁干扰方面作了充分的考虑。在器件选择面、板布置、连接方式等方面，也都使其尽量满足工业现场平均无故障时间长，易于操作，易于维护更换等要求。通过不断的完善，终于使开发的这套计算机监控系统从实验室走向工业现场，在实际项目中取得成功的应用。
　　通过示范工程的应用，证明这套计算机控制系统在用于中小规模的水厂中时，仅滤池反冲洗水量就可节约10%，取得较为明显的社会效益和经济效益。
　　4、城市供水系统监控技术设备与优化调度研究
　　该部分内容由深圳自来水公司完成。开发了可靠性高、开放性好、适应性强的城市供水监控调度系统。三年多来的运行实践表明，系统的可靠性高：所有软件平台稳定正确运行；室内安装的各类计算机、通信网络设备均一直正常运行；配水管上安装的硬设备除少量压力变送器因元件受损进行过维修外，数据采集器和电台无一故障。所有这些都保证了系统很高的可靠性与可用性。
　　基于地理信息系统（DIS）平台，进行了优化调度研究。选择了Autodesk作为GIS平台，除价格因素外，主要还由于它具有（相对）较强的管网分析能力、最擅长于进行我们原有的管网基础资料的输入与整饰。已完成了市区配水管网全部图形文件的整饰，二次开发的管网维护、爆管抢修关阀的应用功能已投入使用，包括停水施工方案的决策，效果良好。
　　提交了先进实用的城市供水监控调度系统的集成技术。城市供水监控调度系统的可靠性、开放性、适应性，很大程度上取决于安装在城市供水调度中心这一层次上的软、硬件平台，整个系统的集成就是调度中心的监控系统与水厂、原水泵站、配水管网各分系统间的通信（即，数据交换）集成。本系统采用的、调度中心这一层次上的SCADA平台为澳洲MITS公司的产品——MOSAIC。这是一个开放性很强的SCADA平台。它支持多种操作系统和监控通信协议，有利于用户的硬件平台选择，和对其它监控平台的集成。
　　调度管理系统工程已具规模，并获得初期效益。选好调度中心这一层次的系统软件平台与相应的计算机、通信等硬设备，实现对一片配水管网、一个水厂和一个泵站监控系统（已建或新建）的集成，形成一定的系统规模并获取初期效益；同时解决对其它片匹配水管网、其它水厂和泵站的全部集成的技术问题，视其监控系统建设的进度，逐一加入调度管理系统。先期建成的调度管理系统在辅助实时调度决策方面发挥了显著作用，为保证安全可靠供水、实现集团公司对社会作出的供水服务承诺，发挥了积极促进作用，取得了显著的社会效益。借助于已具规模的调度管理系统，集团公司调度中心的调度人员方便地进行了对泵站生产状况的远程（约20公里）实时监视，及时作出原水调度决策，始终保证了对宝安水司的正常原水供应。

　　四、成果转化、产业化情况以及所取得的直接效益和间接效益

　　课题对高性能浊度检测仪法和浊度脉动检测仪的检测理论、设备研制及应用技术进行了深入研究，研制出了适合中国国情的、从一般浊度到高浊度水的水中颗粒物质检测仪表系统，并实现了设备的工业产品化。浊度仪的产销已形成规模化，浊度脉动检测仪及相关配厌控制系统已多种水质的实际工程中应用，能满足生产中各种苛刻要求，使技术理论、生产应用、技术服务实现了有机结合。在价格方面要比同类进口设备低40--50%。
　　以浊度脉动监测仪为核心，开发出可靠、实用、精度高的高浊度水和含油污水投药自控系统，首次解决了高浊度水药剂准确投加这一国内外均未解决的难题，是特种工业污水处理系统浊凝投药自动控制技术的一次重大突破。目前已有多套浊度脉动监测仪表用于实际生产的水质检测和处理工艺过程控制中，取得良好的经济效益和社会效益。
　　水厂集散型计算机监控系统的研究，结合我国国情，发展适合水厂实际管理和操作水平系统和设备，使得在造价上有较为明显的优势，较国外同等条件的PLC控制设备节约投资40——50%，电耗节约40%，滤池节省水量10%，水厂总运行费用节约5--10%，社会效益和经济效益显著。
　　研究开发的城市供水监控调度系统中主体软件平台、计算机与通信等硬设备的配套是科学、合理的；解决了大规模计算机应用系统开发中至为关键的集成技术、保证了系统的可靠性、开放性和适应性。同时在项目管理方面积累较丰富的经验，组建一支自动化的专业队伍为系统长期稳定运行的维护和扩展提供了广泛而竖实的人才基础。