胡曉春

　　提要　分析介紹了國內水廠自動化現狀，并就水廠自動化控制工藝設計、設備選型及運行管理提出了建議。
　　關鍵詞　水廠自動化　控制系統　設計　設備選型

　　自動化介入自來水行業是近年來水廠發展最顯著的特點。伴隨水廠自動化技術、系統控制設備和機電儀表設備的發展，濾池自動化、投加自動化、泵站自動化、水質檢測自動化技術逐步成熟，電腦應用日益普及，這標志著自動化水廠在國內尤其是大中型城市已具備較好的技術環境，已發展成為地項成熟的技術。事實上，90年代是國內水廠自動化產生實質性效益的時期。
　　國內實現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備技術，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自動化。南方的情況體現了水廠自動化在中小水司蓬勃發展的現狀，其特點為：設計工作以本地技術力量為主，新建或改造舊水廠的投資渠道多樣化，在設備選型上實行土洋結合的辦法。但由于鄉鎮水廠技術力量相對薄弱，自動化在生產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，目前國內還沒有一座真正意義上的全自動化水廠，主要原因是國內經濟、技術條件所致。就拿水廠泵站自動化來說，國產電機、開關柜等設備質量還達不到自動化控制要求，加之供水管網缺乏統一規劃，造成泵站自動化只能依靠進口設備，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，甚至少數水廠將中控室遙控認為是自動化。
　　筆者根據從事自動化設計及運行管理方面的經驗，在走訪了國內多家水廠后認為，國內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　水廠自動化設計的方要模式及注意問題

　　可編程序控制器和計算機的應用，是水廠自動化的特征。現在國內多采用三種控制系統：SCADA、DCS、PLC+PC。其中PLC+PC控制器比較流行。利用該系統可實現集散控制，系統穩定性能好，開發、操作簡便。
　　采用PLC+PC系統的水廠自動化控制工藝設計一般采用下面的模式，能夠較好的滿足國內水廠自動化的監控、保護要求。
　　1.1　通訊主站
　　對于大中型水廠主站設置3臺監控電腦，1臺處理生產數據熱報表，2臺生產監控，1用1備。生產監控電腦應配置故障報警打印功能，實時打印報警項目。主站應設置報警鈴，加強報警功能。根據料際需要，還可以在管理部門辦公室設置監察院控電腦，以便管理者及時了解生產情況。
　　在設計時要充分考慮網絡通訊線的干擾問題。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該避開強電設備，例如變壓器、高壓電纜，避免產生電磁干擾。
　　1.2　投加站
　　由于投加站設備以投加自動化設備、儀表為主，所以該站PLC主要負責完成投加站投身數據采集工作。在投加站設計中，普遍存在一個問題，就是PLC沒有完全采集儀表及設備的輸出信號點。由于各個水廠使用投加站儀表設備不同，設計人員設計時沒有充分了解設備功能，缺乏對設備輔助數據的監控功能。
　　投加站包括兩大部分：投加自動化生產設備、原水水質儀表。
　　一般配置的生產的設備有：投氯、投氨設備，投凈水劑設備含(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備、燒堿投加設備。對于生產數據，主要采集加氯機、加氨機的投加量，計量泵沖程、頻率，磅秤數值等，對于設備中的高、低真空調節閥等開關量的報警點的采集比較少。這些開關量報警信號能夠為設備維修提供明確的指導，有利于生產者管理維護設備。尤其適用于一些技術力量不足的鄉鎮企業。
　　投加站可以設置一個原水儀表室，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的報警程序，及時提醒生產人員更換。
　　1.3　反應池、沉淀池站
　　該站控制設備包括水池排泥閥、排泥機兩部分。對于水池排泥閥，可實現自動周期排泥、電腦遙控排泥兩種工作方式。設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，保證生產安全性。
　　近年來建設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。現在的平流池排泥機多為有級調速運行，利用平流池上設置的幾個行程開關平控制運行速度。根據池底沉泥規律，最好能設計成無級調速運行，可以節省生產水耗、排泥更徹底。
　　1.4　濾池及反沖洗站
　　該站主要完成濾水及協調風機房反沖兩項控制任務，一般將濾池工作狀態分為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、最大工作周期設置等工作。
　　在濾水狀態下，控制程序都是利用的控制功能實現恒水位濾水，設置遙控濾池排泥閥、濾閥開度操作，以處理突發生產問題。在停池狀態下，設置理行所有閥門遙控操作的程序，以方便檢修等生產工作。
　　濾池反沖洗依靠周期及水頭損失兩個參數來啟動，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過長期運行生產零漂，如果不及時校準，其數據往往不可靠。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。利用羅茨風機沖洗濾池，啟動風機時噪聲大，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臺風機和1臺水泵。正在建設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、2臺水泵；氣水混合沖洗時，采用1臺風機和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雜化。
　　反沖設備可以采用國產設備，為了克服國產電機啟動柜內設備的故障問題可以在相關的繼電器上采集監控數據，利用軟件及時發現啟動柜在啟動或運行時產生在故障，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電量數據。另外兩個任務是：監控水泵電機運行、采集出廠水質數據。
　　水泵電機主要采集電機溫度、水泵前后軸承溫度、水泵出口壓力等數據。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，由于城市管網布局原因使這項技術經濟效益不明顯，現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。所以在自動化設計工作中，自動化設計人員要和工藝設計緊密聯系，才能保證整個設計成功。
　　自動化水廠的防雷問題也應該在設計時作統一考慮。早期運行的自動化水廠由于缺乏防雷措施，其儀表及控制系統因雷擊損失嚴重。以ＰＬＣ系統為例，由于儀表串入雷電，造成ＡＤ轉換模塊損壞的事故常有發生。近兩年來，防雷器產品大量出現，自動化水廠防雷投資很低，但其保護效果十分明顯。
　　在自動化設計中，可以增加閉路電視監視系統，對一些關鍵生產場所進行直接監視。現在的閉路監視系統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報警。閉路監視器成為水廠自動化系統的一部分。

　　2　水廠自動化的發展方向及生產管理

　　2.1　降低自動化投資，提高水廠自動化設計中設備國產化使用比率及控制軟件的智能化程度
　　由于經濟條件限制，我國的水廠自動化設計需要具有一定的特點，以促進水廠自動化在國內的發展。提高水廠自動化設計國產設備比率，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設備的基礎上，這種土洋結合設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設備誤動作或故障的現象，這就需要自動化設計工作中逐步提高設備國產化使用比率，降低自動化投資的同時，加強控制系統可靠性，提高控制程序智能化程度。也就是說技術設計人員要熟悉水廠國產設備的性能，準確設定設備監控報警信號，發揮自動化監控及保護的功能，加強設計方案的安全性和可靠性。只有在自動化設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。
　　2.2　改造老式水廠，實現老式水廠更新換代
　　自動化水廠的出現，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之一。老式水廠的工藝、布局、設備千差萬別，每個水廠改造都要具體分析，只有把自動化技術與生產工藝合理結合，才能達到成功改造、節約投資的目的。
　　在老式水廠改造工作中出現一種趨勢，就是著重保證凈水系統自動化，這是在現階段根據實際情況作出的選擇。凈水系統的兩大工藝濾池和投加又是其中的重點。濾池設備多使用進口設備，可靠性較好。技術人員不約而同地將主要研究力量放在了投加系統，尤其是凈水劑投加方面。對于投加凈水劑的實踐研究應用，下面的例子較好地體現了其發展特點。福州東南區水廠高位藥池重力投加自動化改造，體現了新舊工藝結合的特點。該廠的改造抓住了投藥自動化的本質原理，利用反饋信號控制調節閥，不改變原來的建筑結構，仍然依靠重力作為投加動力。改造工作不僅節約了土建設備投資，而且新舊生產系統較好地揉和。鎮江金西水廠的投礬自動化改造，體現了技術人員對控制系統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成控制系統。另外針對在控制凈水劑投加時預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的研究，體現了國內水廠自動化技術深入發展的趨勢，技術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運行管理
　　自動化水廠的生產管理是水廠自動化應該考慮的問題。在實際生產中，不少水廠經過幾年地運行，自動化變成手動，這種現象多出現在早期建設的自動化水廠中。
　　出現這種現象的原因是多方面的。其一是設計思想、方案不清晰，與實際水廠生產管理脫節。比如，有的水廠在自動化設計的同時，增加了過多的手動操作設備，不僅造成重復投資，還使生產人員產生了不正確的依賴心理。另外由于技術人員不了解生產實際情況，其設計往往與生產實際有出入，造成自動化設計局部失敗。第二個原因是生產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，不完全適應水廠自動化生產的需要。自動化水廠應該以控制系統為單元進行安全效益生產管理，不同于老式水廠以孤立的設備落實管理制度。第三，管理人員不能切實掌握自動化水廠的技術維修工作。目前流行的控制系統雖然具有較好的可靠性，經過數年運行后也會因設備老化出現不同的故障。由于網絡通訊線老化引起的通訊誤報警、出現組件變形導致接觸不良、個別組件輸入點損壞等等，這些都要求生產管理人員根據實際情況及時處理設備維護問題。

　　3　水廠自動化的設備選型

　　設備選型工作是水廠自動化系統設計的一個重要環節，選擇設備要滿足控制要求，并注意設備投資的經濟性。在關鍵設備選擇上，進口設備運行的可靠性相對較高。目前在水廠自動化設計中，可編程序控制器、主要水質儀表、濾池閥門、投加自動化設備多選用進口設備。
　　3.1　合理選擇進口設備
　　選擇進口設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備。例如水廠投加、水質檢測自動化設備，進口設備報價就有很大差別。一些開發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，其設備性能也基本相同。由于這些公司產品使用不多，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摸索，所以選用較少。如果企業具有一定的技術力量，就應該抓住有利的市場形勢，采用他們的產品，可以大降低水廠自動化投資。通過廣泛了解進口設備，不難發現同一家公司或銷售商的不同設備報價也有區別，這也為我們在選擇控制設備時降低投資提供了條件。
　　控制設備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、韓國的產品。美國AB公司PLC軟件功能比較齊全（目前只有AB公司的產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，監控制軟件也是自動化設計需要選擇的，比較著名的監控軟件是美國FIX軟件，最近推出了V6.15中文版本。另外還有國產組態王、臺灣的炎黃，以及很多專業公司的配套軟件，均能實現一定規模的水廠自動化監控要求。
　　3.2　合理配置國產設備
　　目前在自動化設計工作中，選擇國產（或中文合資）控制檢測設備較可靠的包括：壓力傳感器、流量計、濁度計、流動電流控制儀、監控電腦、各種電纜、防雷器等等。有較多品牌的產品以供選擇，只有選用了產品質量好的控制設備才能符合水廠自動化控制的要求、達到設計可靠性要求。一般來說，采用進口技術的合資或獨資企業的產品可靠性可以與進口設備媲美。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公司技術的國產產品，其性能、外觀和進口產品完全相同，報價卻相差1/3以上。另外，在設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，這樣的設備報價往往較高。能夠真正了解產品性能，通過自己的設計將不同品牌的設備合理布置在一個水廠控制系統當中，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計工作中，恰當選擇設備能夠較大幅度降低投資，降低幅度可以超過10%～20%。
　　現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品都在各地水廠流行，國產氣動閥門使用較少。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氣動閥門，生產性能也比較好。該項工程被評為建設部樣板工程。