費霞麗(廈門市供水公司) 劉燦生 馬超(哈爾濱工業大學)

　　可靠性是評價水廠自控系統的重要經濟技術指標，它關系到生產的安全和經濟效益，與投資，成本，性能指標一樣，是水廠設計時應考慮的問題。目前，我國水廠應用的自控系統可靠性方面存在許多問題，尚未形成完整的自控系統優化設計原則與標準，影響水廠自控技術的發展。基于這種情況，本文在對我國水廠自控系統和工藝系統可靠性研究的基礎上，探討水廠自控系統可靠性設計原則。

　　1．可靠性的理論基礎

　　1．1 水廠自控系統的可靠性是指在規定的條件下和規定的時間內，系統完成規定功能的能力，是評價水廠系統好壞的重要指標。
　　1．2 設備或部件運行總數為N，在t時間間隔內，正常運行的件數為N_t，出現故障的件數為N_J；當件數足夠多時，不發生故障的頻率可代表其概率，故可靠度R=N_t/N；故障度F=N_j／N，即R=l—F．設備工作到t時刻后，單位時間內發生故障的概率稱為設備在時刻t時的失效率∧(t)，當設備的壽命服從指數分布時，即該設備的故障發生是隨機，對于大多數設備，部件及構筑物都符合，則其可靠度函數為R(t)＝e^-∧t。
　　1．3 系統可靠度預測和評價的基本方法：
　　(1)串聯系統組成系統的各單元(設備，部件或構筑物)如有一個發生故障則整個系統就會失效，這種系統稱為串連系統。
　　假定單元的可靠性指標Ri，單元的壽命服從指數分布，即R_i(t)＝e^-∧t，則系統的可靠度R_s (t)＝∏R_i＝∏e^∧it，由此可見，串連系統的可靠度小于任何單元的可靠度。
　　(2)并聯系統由一系列平行工作的單元組成，只有當各單元均失效時系統才會失效，這種系統稱為并聯系統。
　　假定各單元的可靠度為R₁ R₂—R_n，系統的可靠度即為

　　

　　(3)儲備系統當系統中各單元工作單元有一個失效時，處于被用的另一單元即行替換，這種系統稱為儲備系統。與其并聯系統不同之處在于前者為待機工作，后者為同機工作。(如圖1)

　　對于有n個單元組成的系統，一個工作，其他(n-1)個在備用，且在備用期不失效，當各單元可靠度Ri均一致，且單元故障的發生是隨機的，則系統可靠度為

　　　　　

　　2． 　水廠可靠性設計的原則

　　2．2 　應用簡化設計原則設計水廠可靠性
　　2．2．1 　結構的簡化
　　研究表明，水廠自控系統的計算機主控制系統可靠度較高，其薄弱環節主要是檢測儀表和部分執行機構，因此在進行系統的可靠度設計時，應根據可靠性一致性原則，簡化網絡結構，改善薄弱環節。
　　2．2．2 　 功能的簡化
　　水廠自控系統是通過對主要過程參數的連續監測，對生產設備進行控制，過多的設置監測參數，過高要求系統功能，會增加系統的復雜性，加大維護維修量，增大系統的投資，根據我國水廠的實際情況，進行系統的設計時，宜遵循重點突出，主次分明的原則，深入進行功能分析，合理設置檢測參數，滿足工藝過程控制和設備維護的需要、使系統簡明實用，提高整個系統的可靠性。
　　2．3 　　 應用優化分配與儲備原則設計水廠可靠性
　　系統可靠度的優化分配是指在系統可靠度已定的條件下，將單元的可靠度進行合理分配，使之費用最省。
　　可用動態規劃進行系統可靠度的優化分配和冗余設計，預測系統各單元的可靠度目標，其規劃方法基于最優化原理，其基本原理是：把一個N階段決策過程化為一系列N個單元階段決策過程，不論初始狀態和初始決策如何，對于前面決策所造成的某一狀態而言，其后各階段的決策序列必須構成“最優策略”。
　　設系統由n個單元串聯組成，期望達到的設計可靠度為R*，則進行系統的可靠度優化分配并保證費用最低的數學模型是：
　　單元i裝有Xi個備有單元，其正常工作的可靠度為R_i(X_i)，費用C_i(X_i)，則系統的可靠度的動態規劃尋優方程為

　　　

　　該系統的多階段決策過程系統圖如下

　　　　　　　

　　采用該方法可預測系統的可靠性，并進行可靠度的優化分配和優化冗余設計，根據實際情況校核，使預測及分配的可靠度目標具有可行性，且能改善系統的可靠度。

　　3．水廠自控系統可靠性的設計

　　水廠系統包括構筑物、自控系統和執行機構(閘閥等)。在進行水廠自控系統可靠性設計時，應對以上三個系統分別進行可靠度分配。
　　構筑物系統是最基本的子系統，是自控系統服務的基礎。自控系統通過傳感器(檢測儀表)檢測工藝控制參數，經控制器分析比較后，發出控制信號，由執行機構完成對工藝系統的控制，因此，在工藝系統運行可靠需要現場檢測儀表及執行機構的靈敏可靠。一般，水廠自控系統的可靠度最高，檢測儀表稍差，工藝系統的可靠度能滿足要求，而執行機構的可靠度尚不能令人滿意，如何提高執行機構和檢測儀表的可靠度成為水廠可靠度設計的關鍵。
　　3．1 水廠工藝對自控系統可靠性的影響
　　以圖2所示的工藝系統為例進行分析

　　　

　　水處理工藝是典型的串聯系統，雖然工藝系統中的一個甚至幾個構筑物故障不致引起整個系統功能的故障，但會引起給水設計功能水平的某種下降，同時，對自控系統功能的實現造成一定的影響，一次分析系統功能的可靠性，確定可能對自控系統產生的影響的環節，對于研究自控系統的可靠性具有一定的意義。
　　1)混合 由進水手動閥門，靜態管式混合器，出水手動閥門組成，其可靠度經統計后得出：
　　 R_混合＝R_手閥×R_{管式混合器}×R_手閥 ＝0．978×0．99×0．978
　　　　 　＝0．974
　　 2)反應池 前后均設有手動閘閥，故單元的可靠度為：
　　　 R_反應池＝R_手閥×R_反應池×R_手閥
　　　　　　　 ＝0．978×0．93×0．978
　　　　　　 　＝0．890
　　當兩池并聯運行時，n＝2，R反應池＝
　　當四池并聯運行時，n＝4，R反應池＝0．9998
　　當六池并聯運行時，n＝6，R反應池＝1
　　3)平流沉淀池 前后均設有手動閥門，故
　　　　 R_平流＝R_手閥×R_沉淀池×R_手閥＝0．978×0.96×0.978＝0.918
　　　　　　　　 當n＝2時，R_平流＝0．993
　　　　　　　　　　n＝4時，R_平流＝1
　　4) 濾池 V型濾池每池前設有氣動進水閘板閥門，池后設有清水蝶閥，因此

　　　　　R_濾池＝R_進水閥×R_池×R_水閥＝0.954×0.92×0.945＝0.822
　　　　 n＝2時，R_濾池2＝0．968
　　　　 n＝4時，R濾池4＝0．999
　　　　 n＝6時，R濾池6＝1
　　對整個工藝系統的可靠度進行計算(串聯)，結果列于表3中。

工藝單元 并聯單元數 無 2 4 6 混合裝置 0．974 反應池 0．890 0．988 0．9998 1 沉淀池 0．918 0．993 1 1 濾池 0．822 0．968 0．999 1 工藝系統可靠度 0．636 0．899 0．946 0．947

　　若藥劑與原水不能迅速均勻的混合，混凝效果差，影響出水水質。儀表檢測到的反映混凝效果的參數反饋至投藥控制系統，又在一定程度上影響投藥控制系統功能的發揮。
　　如反應效果好，雜質沉降性能好，沉淀后水濁度低，從而減輕濾池運行負擔，相反，反應效果不好，沉淀池除濁率低，濾池負荷增加，因此，要根據沉淀后水濁度的變化，混凝投藥控制系統調整投藥量，以保證沉淀后水濁度保持在設定值附近，因此，反應池的可靠與否對整個工藝系統優化運行和投藥系統的控制有較大的影響。
　　綜上所述，工藝系統中各構筑物采用多池并聯，能達到較高的可靠度，因此，在進行工藝設計時，要根據處理水量和工藝系統的可靠度要求，與自控系統的可靠性進行綜合權衡與匹配，選擇合理的構筑物組合。
　　3．2 水廠自控系統的可靠性分析
　　3．2．1 投藥系統的可靠性
　　在以除濁為主的水處理中，混凝劑的投加是重要環節，其系統的可靠性是影響水廠運行的重要環節。
　　以SCD投加系統為例，該系統以原水的流量為前饋變量，控制計量泵，以SCD值為反饋變量，控制計量泵的沖程通過PLC中的PID控制功能，組成一個前饋——反饋閉環控制系統。其主要設備有變頻調速裝置，投藥計量泵，流動電流測定儀，控制器等。模塊圖為：

　　該控制回路中，一個參數的傳遞出現誤差或設備出現故障，都可能會影響系統功能的實現。根據故障率與可靠度的關系，統計分析出系統的可靠性數據如下表：

名稱 故障率∧(10^-5/h) 可靠度R 流量計 208 0．782 SCD儀 2．4 0．810 變頻調速裝置 0．58 0．950 PLC 0．16 0．999 計量泵 0.65 0．944

　　單個系統的可靠度為：
　　　　　R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅＝0．592
　　水廠通常采用兩套系統時，
　　　　 R＇置計＝0.974 R’SCD＝0．981 R’_交頻器＝0.998 R’_計量泵＝0.997
　　　　 R＝R’_流量計×R’SCD×R’_變頻器×RPLC×R’_計量泵
　　　　　 ＝0．949
　　而計量泵二用一備時R＝0．999，但在實際運行中，進行系統設計時應從可靠性，經濟 性和實用性上綜合權衡。整個系統中流量計和流動電流測定儀的可靠度較低，常常流量計的量值不準，流動電流測定儀出現信號漂移現象，為了提高投藥系統的可靠性，首先必須改善檢測儀表的可靠性，選擇質量好，可靠性高的儀表和設備及提高系統的儲備。
　　3．2．2 沉淀池排泥系統的可靠性
　　沉淀池排泥控制由PLC的邏輯控制實現。不同的池型控制方式有所區別，但目前常用的的控制方案是采用周期排泥，按設定方式排泥。
　　機械虹吸式排泥主要設備是排泥機，其中每臺排泥機的單元設備有真空泵，破壞真空電磁閥，行走電機。PLC控制排泥機完成規定的排泥程序。整個系統是串聯系統、系統的可靠性數據如下：

名稱 故障率∧10^-5／h) 可靠度 PLC 0．16 0．999 真空泵 0．95 0.920 行走電機 0．82 0．930 電磁閥 1．85 0．85

　　因此，排泥系統的可靠度為：

　　

　　當兩格沉淀池并聯運行時

　　　

　　四格沉淀池并聯運行時R4＝0．980；六格沉淀池并聯運行時R6＝0．986可以看出，電磁閥的可靠度最低，是系統的薄弱環節。常發生的故障是電磁閥，使虹吸不易形成，排泥失敗。此外，排泥行程開關不靈敏，觸點不吸合，排泥機排泥不到位或不能按指令返回，影響排泥自控功能的實現。
　　3．2．3 濾池控制系統的可靠性
　　V型濾池的PLC主要實現兩個控制功能：過濾控制，反沖洗控制。目前，V型濾池的控制比較統一，每格濾池配置一臺PLC，控制濾池的過濾，一臺PLC控制濾池的反沖洗，當某一格濾池達到反沖洗條件，向公共反沖洗PLC提出申請并被允許時，公共反沖洗PLC按既定的程序進行反沖洗，所以濾池控制系統是一個串聯與并聯相結合的系統統計得出系統主要單元可靠性如表：

名稱 故障率∧(10^-5／h) 可靠度R PLC 0．16 -0.999 鼓風機 0．50 0．957 空壓機 0．44 0．962 反沖洗水泵 0．50 0．957 氣動閥門 0．64 0．945 水位計 4．23 0．690 壓差計 3．71 0．722

　　因此，單體V型濾池的可靠度為：
　　　　 R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0.664
　　水廠采用備用的方式提高系統的可靠度，假設：
　　1)鼓風機一用一備：L＝1，n＝1；
　　2)反沖洗水泵二用一備：L＝2，n＝1，得R，₄＝0．996
　　3)空壓機一用一備：L＝1，n＝1，得R，₃＝0．9993
　　所以，R有備用＝R₁×R’₂×R，₃×R’₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0．726
　　4)濾池十格：
　　　　　　　

　　濾池控制系統總的可靠度R為：
　　　　 R_總：＝[1-(1-R_公共PLC)(1-R_濾池)]R_鼓風機×R_反沖洗泵×R_空壓機
　　　　　　 ＝1×0．999×0．996×0．9993＝0．994
　　V型濾池的閥門在實際運行中，數量多，動作多，故障來源也多，是整個系統的薄弱環節。水位計和壓差計可靠度最低，水位計測值不準確，進水，污泥堵塞，甚至被雜物纏繞， PLC接受水位變送器傳輸的錯誤信號，導致清水蝶閥開度指令的混亂；壓差計探頭經常損壞，檢測數據不準確，按水頭損失控制濾池反沖洗存在一定誤差，影響反沖洗功能的實現，所以為了提高濾池控制系統的可靠度，尤其要注意以上設備的可靠性，注意定期檢修，備件充足。
　　3．2．4 投氯系統的可靠性
　　水廠投氯消毒是將濾后水余氯控制在設定值附近，以濾后水流量作為前饋量，清水池入口余氯作為反饋量，在PLC中組成一個前饋--反饋閉環比例控制系統，控制加氯機流量的大小。投氯系統是一個串聯系統。

　　其主要設備的可靠性如表：

名稱 故障率∧(10-5/h) 可靠度R 流量計 2.8 O．782 加氯機 1．85 0．850 PLC 0．16 0．999 余氯分析儀 3．49 0．736 增壓泵 0．46 0．960 水射器 0．40 0．965

　　由串聯系統的可靠度公式得加氯控制系統的可靠度為：
　　　　　 R＝R_流量計×R_加氯機×R_PLC×R_余氯儀×R_泵×R_水射器
　　　　　　 ＝0.782×0．850×0．999×0．736×0．960×0．965
　　　　　　 ＝0．453
　　為了提高系統的可靠度采用兩套加氯系統時，R’流量計＝0．974 R’加氯機＝0．988 R’余氯儀＝0．962 R’_泵＝0．999 R’_水射器＝0．999
　　　　　　 R=R’_溫量計×R’_加氯機×R_PLC×R＇_余氯儀×R’_泵×R’_水射器
　　　　　　 ＝0．974×0.988×0．962×0.999×0．999×0．999＝0.923
　　 三臺加氯機兩用一備時，

　　　　　　

　　根據可靠性一致性原則，串聯系統的可靠性低于任一單元的可靠度，系統的中可靠度最低的流量計，余氯分析儀對整個系統的可靠度影響較大，所以如何提高它們的可靠度，成為設計加氯控制系統的關鍵。余氯分析儀是系統的重要設備，它通過連續檢測水中的余氯量，輸出余氯量的信號給加氯機，控制閥門的開度來調節加氯量。而余氯儀測值不準確，信號漂移，會致使投氯調節不穩定。此外，水射器堵塞，壓差穩壓器隔膜組織老化腐蝕，流速計不準，行程開關故障，閥門開啟不靈敏，同樣會影響投氯量的準確。
　　總之，在進行水廠自控系統可靠度設計時，要注意系統可靠度比較薄弱的環節，選擇比較好的設備或者通過并聯或備用的方法使系統中各個單元的可靠度大體一致，因此，可靠性設計的第一步是對串聯系統的各組件的可靠度進行調整，對可靠度較低的設備和單元采用備用或并聯的方法處理，使系統內的各子系統、各單元的可靠度趨于一致，使整個系統的可靠度提高。使水廠自控系統可以滿足可靠度設計要求，又不過分要求各單元的過高的可靠度，使得水廠系統的設計安全、可靠、合理、經濟。