崔福義 李圭白

　　一、專題概況

　　“污水處理與水工業關鍵技術研究”是我國“九五”期間設立的國家重點科技攻關項目。該項目由5個課題、21個專題組成，分別由建設部、國家環保總局、中國科學院等6個部委組織實施?！俺鞘泄┧到y監控和自動化技術設備”（96-909-03-04）是專題之一，由哈爾濱工業大學（原哈爾濱建筑大學）主持。專題下設4個子專題，即1、安全飲用水的監測儀表；2、已建水廠集散型計算機監控系統；3新建水廠集散型計算機監控系統；4、城市供水系統監控技術設備與優化調度研究，分別由哈爾濱工業大學、中國市政工程中南設計研究院、深圳自來水集團公司承擔，有廣東開平供水集團公司、廈門飛華環保器材有限公司、三門峽市自來水公司等單位參加。該專題工作自1996年至2000年進行，歷時5年，參加攻關人員總計約40人，投入經費2374萬元。

　　二、專題設立的指導思想

　　1、研究的目的和意義
　　隨著社會經濟的發展，水對人民生活與生產的影響日益加強，對供水的質量與安全可靠性的要求不斷提高，人們也更加重視降低供水系統的能耗，為此，一項重要而有效的措施就是加強供水系統工況的監測，尤其是加強水處理廠各個工藝環節的自動監測與控制。
　　研究城市供水系統的監控與水廠自動化技術裝備，必須考慮中國供水行業的技術特點與經濟力量。我國水廠的基本現狀是：水工業整體技術水平低，特別缺乏供水系統監控技術與人才；水工業儀表與裝備基礎薄弱，國產的專用水質在線檢測儀表及主要裝備性能難以滿足供水企業的需要；受社會經濟發展水平限制，供水企業經濟實力不足，除了少數較大型企業有能力通過貸款等方式引進國外的先進技術與設備、發展供水監控系統外，多數的中水水廠面臨的是缺資金、少技術、進口設備買不起、國產設備質量不過關的局面。這些情況決定了發展中國供水行業的現代化不能全盤照搬西方發達國家的經驗，要形成有中國特色的技術路線。
　　為此，本專題的研究目的就是在“八五”攻關成果的基礎上，繼續發揮已有研究優勢，開發出一批適全中國國情的特點的、關鍵的水質專用檢測儀表與裝備；總結我國供水系統監控技術經濟，參考借鑒國外的先進經濟，建成若干有代表性的水廠集散型計算機監控系統示范工程。這一專題的研究將有效地提高供水系統的工作質量及供水的安全可靠性，降低供水成本，推進我國供水系統監控現代化的進程，具有很顯著的社會效益與經濟效益。
　　2、國內外技術發展概況及國內需求
　　國外自60-70年代起開始了供水系統自動監控的研究與應用工作。尤其是自80年代以來，微電子等現代科技高速發展，水工業專用檢測儀表與裝備不斷發展，水工業專用檢測儀表與裝備不斷發展與完善，相應地推動供水系統的自動監控技術有了質的飛躍。加之西方發達國家雄厚經濟實力與技術基礎，供水系統的自動監控已得到普遍應用。一些水廠已實現全自運行，能對生產工藝的各個環節連續自動地監測、調節、記錄、報警等等。這種高度自動化運行的模式是符合西方國情特點的。西方許多國家人力資源緊張，人工費用往往占生產成本構成的比重較大，而儀表設備費相對較低，加之設備質量可靠，高度自動化節省了人力資源也就是獲取了較高的經濟效益。西方也有相當多的水廠僅對一些影響處理水質及費用關鍵工藝環節實施自動控制，而對各個工藝階段的主要水質與運行參數進行自動監測。這是一種經濟高效的自動監控方案，值得借鑒。國外的水廠監控普遍采用集散式系統。對各個工藝單元進行分散控制減小了各控制環節之間的干擾，提高了工作的可靠性；對全廠的集中監控，又保證了統一指揮、調度的靈活性。
　　我國自80年代中后期起，陸續有一些較大型的水廠利用外資建設，同時引進了成套的水廠現代化監控儀表與設備。我國在水廠關鍵環節——混凝投藥控制技術與設備方面實現了流動電流及透光率脈動兩種凝控制設備的國產化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領先水平。水工業的一些專用檢測儀表與設備，如在線檢測濁度儀、計量投加泵等，也有一些廠家開始生產，但是質量水平與國外產品相對仍有距離，難以滿足國內市場需要。我國大多數水廠的監控技術仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應現代化的要求，一些水廠（包括有些引進設備的水廠）的自動監控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統、投資很大，然而在一些關鍵環節上的調近代功能并不強。如混凝投藥是按原水流量比例控制，不能跟蹤響應原水水質等因素變化對藥耗的需求；沉淀池排泥用水；傳統的處理效果以濁度為指標，存在檢測可靠性等問題等等。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統運行優化，結果水質保證率低，而運行費用高。這些自動監控系統并不完全符合提高水廠技術經濟效益這一根本目的。
　　針對我國的技術經濟條件，不同規模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設的較大型的、自動監控水平較高的水廠需要認真總結應用經驗，并向優化運行方面發展，為這類水廠自動監控技術的進步提供借鑒與指導。對于眾多的中小水廠，經濟條件有限，應在堅持國產化、實用化的原則下，著重發展那些對供水質量、運行費用有重要影響的工藝環節的自動監控技術與設備，建立規模適宜的集散型計算機監控系統。

　　三、專題執行情況

　　1、安全飲用水的監測儀表
　　針對現有濁度儀的檢測原理、結構形式、以及輔助功能等方面與國外進口產品的差距和實際生產應用的需要，著重在以下幾個方面進行了改進與完善。
　　采用CPU微處理器，可實現各種參數的設置、儲存、備份，具有上下限報警、聲光批示、線性校正功能，同時可實現時間設定、RS-232通訊接口、信號平滑電子密碼鎖等多項智能化功能。
　　采用懸掛式連續采樣系統，垂直安裝的大直徑取樣器，具有黑體吸收結構，并實現了產品模具化。通過采用高穩定度的光源與高精度、低漂移的光電轉換器，高穩度電源、光學透鏡等器件，配備了機械消氣泡裝置，設置了電路濾波、計算機軟件消泡功能。這些措施提高了信號接收的穩定性，解決清潔維護問題。
　　在技術性、穩定性、線性度及抗干擾性等四個主要方面與美國進口的同類產品進行對比，表明其質量和參數的可靠性均達到滿意的水平。
　　準確度實驗表明，表面散射光濁度儀定位準確穩定，線性較好，回收率在98%——102%之間，可見其測定準確度較高。精密度實驗表明：同臺儀器測定的相對偏差不大于2.5%，不同儀器間的最大偏差不大于1.5%，相對標準偏差（RSD）小于2.0%，均滿足濁度測定國家標準方法的要求，同時也表示該種儀器具有很高的精密度，已達到國際先進水平。濁度儀的穩定性、準確性、重要性、絕緣性等主要指標均符合技術要求。
　　濁度脈動檢測儀采用光透射式檢測方式，根據光束內顆粒物質數量濃度的變化情況進行檢測。有效檢測信號輸出值為比值的形式，由于電子元器件的老化漂移及透光表面的粘污所千萬的檢測信號改變，在兩個計算值上產生相同程度影響，其比值R則消除了這些影響，避免了許多光電儀器存在的嚴重問題，因此具有抗污染性能，在檢測過程中不需要進行常規的標定和清洗，具有免清潔、免維護的特點。這是該檢測方法的一種獨特的性質，也彌補了濁度測定法存在的電子漂移和檢測器表面粘污等弊端。R值能夠更有效地表達出懸浮液中顆粒物質含量相對數量及其變化情況，彌補了濁度測定方法受顆粒粒徑影響大的缺陷。
　　從以上結果和分析可看出，濁度法更適用于小于1μm的懸浮顆粒。這兩種檢測方法實現了優勢互補，從而使得在整個顆粒粒徑范圍內都有了有效的顆粒檢測方法。
　　當顆粒大于1.5μm時，濁度脈動法可直接檢測ppb級至10⁹個/cm³以上范圍的顆粒，而常規顆粒計數方法在大于10⁶個cm³時就必須進行稀釋；濁度檢測也會因重疊效應產生較大偏差。濁度脈動檢測技術有極大的適用性，一般不需稀釋或預處理可直接檢測，拓寬了應用范圍，大幅度簡化了操作程序，更具實用性。
　　在儀表設計及測試中，采用高性能的遠紅外激光發射二級管，大幅度穩定光源強度，同時配置高性能光敏二極管，以及高精度電子處理電路，使檢測信號的處理精度進一步提高，而且不易受到干擾，信號的波動和飄移程度均低于±2%。對待檢測水進行取樣時，考慮到流速過低會使絮凝體或懸浮顆粒產生沉淀，而且檢滯后時間加大，不利于控制過程；但流速過高會使絮凝體顆粒破碎；一般取樣流速應大于100ml/min為宜。
　　配備進口的智能化功能微電腦控制器，具有自動診斷、自動校準、自動量程轉換，誤操作及傳感器故障自動對策。報警方式有誤操作及傳感器故障數字顯示、聲光報警；過投藥、欠投藥、斷藥報警；變頻器停機及故障報警。整機的關鍵部件均采用高質量器件，可充分保證儀表的使用壽命。傳感器部分為不銹鋼材質，采用分體式遠傳信號傳感器，具有密封、防水、耐溫等功能，可適用與各種條件惡劣的現場，保證長時間正常使用。
　　對于低濃度懸浮液，儀器的信號將主要由通過光束的單個顆粒產生，此時濁度脈動檢測儀器的運行方式 與基于光阻塞理論的顆粒分析計數儀器的非常相似，可以對清潔水質中的濃度極低的懸浮顆粒物質進行檢測。與常規顆粒計數檢測儀器進行的平行對比結果表明，濁度脈動檢測儀器的檢測值與實際顆粒計數值的變化趨勢完全相同，而價格要低于常規顆粒計數檢測儀器數倍。
　　由于常規顆粒計數儀器在運行時只能檢測某個粒徑范圍的顆粒，而濁度脈動檢測儀可以有效地檢測出大于1μm粒粒物質，并且顆粒濃度及粒徑都不受限制，所以后者應該更具代表性，更能真實地反映水中顆粒物質相對含量。因而，該檢測技術有可能作為一種全新的顆粒物質總體含量的有效檢測方法。
　　濁度脈動檢測方法同樣可檢測顆粒濃度高的懸浮液，此時光束可有數以千計的顆粒，但檢測過程不受顆粒濃度的限制，避免了濁度檢測法和常規顆粒計數檢測法存在的嚴重重疊效應問題。這是該方法的一個主要優點。
　　對于水處理工藝的水質來說，顆粒物質只要低于一定的整體水平即可滿足，一般不需要知道顆粒數量和粒徑的具體數據。因此使用濁度脈動檢測方法會更方便、更快捷，而且具有儀器投資少，運行費用低，維護簡單等諸多優點。
　　通過與顯微照相和常規顆粒計數檢測儀器相結合的檢測和對比運行，表明濁度脈動監測儀的確可真實地反映出水中絮凝體和懸浮顆粒物質的相對尺寸及其變化情況，檢測結果可以作為一種相對檢測指標，提供出水質或混凝狀況。
　　2、已建水廠集散型計算機監控系統
　　本子專題建立了以廣東開平供水集團公司振華水廠為基地的示范工程。針對各單元控制系統的可靠性、集散型系統的可擴展性等方面進行了從理論到實際生產實用的多方位、多層次的研究，為已建成水廠集散型計算機監控系統的推廣應用奠定了堅實的基礎，完成了合同中要求的各部分內容。
　　在振華水廠的應用示范表明，開發的這一集成系統穩定可靠，而且操作簡單，頗受水廠技術人員的歡迎。
　　該部分內容已經在本次會議上進行了鑒定，不再詳述。
　　3、新建水廠集散型計算機監控系統
　　由中國市政工程西南設計院主持完成的這部分任務，對計算機監控進行開發，在河南省三門峽第三水廠是比較典型的應用實例，所以選擇這個工程為本研究的示范工程。
　　水廠計算機監控系統的主要功能為監視，控制和管理。其中控制直接作用于生產過程。為把因計算機監控系統故障造成的對生產過程的影響減小到最低程度，把提高計算機監控系統的安全性和可靠性放在重要的位置上加以考慮。在計算機監控系統結構設計上，采用多臺計算機同時工作，各自完成其特定功能的方式，把風險分散。當某一臺出現故障時，不影響系統其它功能的完成。同時監視和管理是集中的，以便于生產管理人員及時了解生產全過程的情況，對全廠的生產進行管理。通過現代通訊技術，將多臺計算機連接起來形成一個局域計算機網絡，從而形成水廠計算機監控系統。系統中有一臺核心主控機，它不直接與生產過程中的各種設備連接，而是通過網絡收集其它計算機采集的信息，協調其它計算機之間的關系，為集中監視和管理提供界面。它是整個計算機監控系統信息的交匯點。其它計算機則分布在生產過程的各環節，負責相應工藝環節的監視和控制功能的實現。
　　在功能滿足要求的情況下，計算機監控系統能夠投入實行運行的關鍵是能夠適應工業現場惡劣的環境。在研制開發計算機監控系統時，對其防塵、抗震、防電壓工業現場惡劣的環境。在研制開發計算機監控系統時，對其防塵、抗震、防電壓沖擊和電磁干擾方面作了充分的考慮。在器件選擇面、板布置、連接方式等方面，也都使其盡量滿足工業現場平均無故障時間長，易于操作，易于維護更換等要求。通過不斷的完善，終于使開發的這套計算機監控系統從實驗室走向工業現場，在實際項目中取得成功的應用。
　　通過示范工程的應用，證明這套計算機控制系統在用于中小規模的水廠中時，僅濾池反沖洗水量就可節約10%，取得較為明顯的社會效益和經濟效益。
　　4、城市供水系統監控技術設備與優化調度研究
　　該部分內容由深圳自來水公司完成。開發了可靠性高、開放性好、適應性強的城市供水監控調度系統。三年多來的運行實踐表明，系統的可靠性高：所有軟件平臺穩定正確運行；室內安裝的各類計算機、通信網絡設備均一直正常運行；配水管上安裝的硬設備除少量壓力變送器因元件受損進行過維修外，數據采集器和電臺無一故障。所有這些都保證了系統很高的可靠性與可用性。
　　基于地理信息系統（DIS）平臺，進行了優化調度研究。選擇了Autodesk作為GIS平臺，除價格因素外，主要還由于它具有（相對）較強的管網分析能力、最擅長于進行我們原有的管網基礎資料的輸入與整飾。已完成了市區配水管網全部圖形文件的整飾，二次開發的管網維護、爆管搶修關閥的應用功能已投入使用，包括停水施工方案的決策，效果良好。
　　提交了先進實用的城市供水監控調度系統的集成技術。城市供水監控調度系統的可靠性、開放性、適應性，很大程度上取決于安裝在城市供水調度中心這一層次上的軟、硬件平臺，整個系統的集成就是調度中心的監控系統與水廠、原水泵站、配水管網各分系統間的通信（即，數據交換）集成。本系統采用的、調度中心這一層次上的SCADA平臺為澳洲MITS公司的產品——MOSAIC。這是一個開放性很強的SCADA平臺。它支持多種操作系統和監控通信協議，有利于用戶的硬件平臺選擇，和對其它監控平臺的集成。
　　調度管理系統工程已具規模，并獲得初期效益。選好調度中心這一層次的系統軟件平臺與相應的計算機、通信等硬設備，實現對一片配水管網、一個水廠和一個泵站監控系統（已建或新建）的集成，形成一定的系統規模并獲取初期效益；同時解決對其它片匹配水管網、其它水廠和泵站的全部集成的技術問題，視其監控系統建設的進度，逐一加入調度管理系統。先期建成的調度管理系統在輔助實時調度決策方面發揮了顯著作用，為保證安全可靠供水、實現集團公司對社會作出的供水服務承諾，發揮了積極促進作用，取得了顯著的社會效益。借助于已具規模的調度管理系統，集團公司調度中心的調度人員方便地進行了對泵站生產狀況的遠程（約20公里）實時監視，及時作出原水調度決策，始終保證了對寶安水司的正常原水供應。

　　四、成果轉化、產業化情況以及所取得的直接效益和間接效益

　　課題對高性能濁度檢測儀法和濁度脈動檢測儀的檢測理論、設備研制及應用技術進行了深入研究，研制出了適合中國國情的、從一般濁度到高濁度水的水中顆粒物質檢測儀表系統，并實現了設備的工業產品化。濁度儀的產銷已形成規?；瑵岫让}動檢測儀及相關配厭控制系統已多種水質的實際工程中應用，能滿足生產中各種苛刻要求，使技術理論、生產應用、技術服務實現了有機結合。在價格方面要比同類進口設備低40--50%。
　　以濁度脈動監測儀為核心，開發出可靠、實用、精度高的高濁度水和含油污水投藥自控系統，首次解決了高濁度水藥劑準確投加這一國內外均未解決的難題，是特種工業污水處理系統濁凝投藥自動控制技術的一次重大突破。目前已有多套濁度脈動監測儀表用于實際生產的水質檢測和處理工藝過程控制中，取得良好的經濟效益和社會效益。
　　水廠集散型計算機監控系統的研究，結合我國國情，發展適合水廠實際管理和操作水平系統和設備，使得在造價上有較為明顯的優勢，較國外同等條件的PLC控制設備節約投資40——50%，電耗節約40%，濾池節省水量10%，水廠總運行費用節約5--10%，社會效益和經濟效益顯著。
　　研究開發的城市供水監控調度系統中主體軟件平臺、計算機與通信等硬設備的配套是科學、合理的；解決了大規模計算機應用系統開發中至為關鍵的集成技術、保證了系統的可靠性、開放性和適應性。同時在項目管理方面積累較豐富的經驗，組建一支自動化的專業隊伍為系統長期穩定運行的維護和擴展提供了廣泛而豎實的人才基礎。