水廠自動化供水技術(shù)

我國水廠自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展過程可分為三個階段：第一個階段是分散控制階段，該時期水廠各部分分別進(jìn)行自動控制，各獨立系統(tǒng)各不相關(guān)；第二階段是水廠綜合自動化階段，在該時期整個水廠作為一個綜合自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，同時各個獨立子系統(tǒng)可以獨立工作，該系統(tǒng)共享整個水廠的信息，同時又有分散控制的可能性?，F(xiàn)階段大部分水廠處于此階段；第三階段是供水系統(tǒng)的綜合自動化控制階段，該階段要求在一個區(qū)域的供水企業(yè)共享信息，實現(xiàn)整個城市或地區(qū)供水系統(tǒng)的自動控制。我國的中小型水廠大部分處于第一或第二階段，只有很少大型水廠達(dá)到了第三階段。在國外，如加拿大、美國等發(fā)達(dá)國家基本實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的全自動化，而開始進(jìn)行分質(zhì)供水，同時對水廠內(nèi)部的自控系統(tǒng)也在不斷進(jìn)行改進(jìn)和提高。

當(dāng)前水廠采用的自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，從自控的角度可以劃分為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA）、集散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System,DCS）、IPC PLC（Industrial Personal Computer & Programmable Logic Controller）系統(tǒng)，即工業(yè)個人計算機與可編程邏輯控制器構(gòu)成的系統(tǒng)等。

SCADA系統(tǒng)組網(wǎng)范圍大、通訊方式靈活、但實時性較低，對大規(guī)模和復(fù)雜的控制實現(xiàn)較為困難。DCS系統(tǒng)則采用分級分布式控制，在物理上實現(xiàn)了真正的分散控制，且實時性較好，但應(yīng)用軟件的編程工作量大，對開發(fā)和維護人員要求較高，開發(fā)周期較長。IPC PLC既可以實現(xiàn)分級分布控制，又可實現(xiàn)集中管理分散控制。而且PLC本身可靠性高、組網(wǎng)、編程和維護很方便，開發(fā)周期短、系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整又非常靈活，可與工業(yè)現(xiàn)場信號直接連接，易于實現(xiàn)機電一體化。因此，IPC PLC系統(tǒng)成為了當(dāng)今水廠自動控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)形式。

綜合分析國際和國內(nèi)水廠發(fā)展的各個階段的特點以及現(xiàn)有的水廠自動控制系統(tǒng)可知，自來水廠主要的控制技術(shù)與核心組成基本相同，主要有水質(zhì)檢測技術(shù)、水處理技術(shù)、變頻節(jié)能技術(shù)與綜合自動化系統(tǒng)四個方面。

1）系統(tǒng)高度可靠，其本身的局部故障不應(yīng)影響現(xiàn)場設(shè)備的正常運行。

2）系統(tǒng)成熟、可靠、先進(jìn)、性價比高。系統(tǒng)配置和設(shè)備選型符合計算機發(fā)展迅速的特點，充分利用計算機領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前的國際先進(jìn)水平。

3）系統(tǒng)為全分布、全開放自動化控制系統(tǒng)，既便于功能和硬件的擴充，又能充分保護應(yīng)用資源和投資，分布式數(shù)據(jù)庫及軟件模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計，使系統(tǒng)能適應(yīng)功能的增加和規(guī)模的擴充。

4）系統(tǒng)實時性好、抗干擾能力強，采用國際流行組態(tài)軟件，人機接口界面友好，操作方便。

5） 遵循國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)。

開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復(fù)合控制。

水廠實現(xiàn)自動化的根本目的是提高生產(chǎn)的可靠性和安全性，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗和高效供水，獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，積極響應(yīng)黨的號召，讓人民喝上安全放心的好水。

水廠自動化供水技術(shù)起停方式

1）直接起動： 總的來講，籠型交流異步電動機在起動的過程中會帶來很大的電流，大約會是其額定電流的 7 倍，這種情況只是單純的限制于功率稍小的電動機。

2）定子串電抗或電阻降壓起動： 這樣的方式只是單純的適用于輕載起動 ，能夠非常好的增加起動平穩(wěn)性 ，并且有效的減小電流，但是由于起動的過程中損耗比較大，并且經(jīng)濟型較差，所以也只是在電機容量較小的時候才運用。

3）自耦變壓器降壓起動： 這樣的起動方式一般來講有失壓和過載保護，能夠有效的減少電動機電流對于電網(wǎng)的影響，但是它也有自身的缺點，主要是體積較大、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價格較為昂貴，并且檢修起來不是十分的方便。

4）軟起動器起動： 軟啟動器的原理是利用可挖硅能夠更好的控制整流，如果改變可挖硅的控制角，使得電動機的電壓按照相應(yīng)的規(guī)律升為全壓時，撤去控制信號，軟動器可退出運行，把此項技術(shù)運用到水泵中，可以更好的避免水錘效應(yīng)產(chǎn)生。

5）變頻起動： 此種啟動方式主要是變頻器帶動電機從零起動，直到其能夠達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。 一般來說采用電壓/頻率的控制方法，不會使得電流過大，對于機器的沖擊也是比較小的，能夠進(jìn)行調(diào)速。但是它也有一個缺點，就是價格相對來講比較高，有電磁兼容的問題，是重載設(shè)備的首選。

水廠自動化供水技術(shù)恒壓供水

如果需要實現(xiàn)恒壓供水，就需要保持水壓力的穩(wěn)定，也就是平時所提到的調(diào)節(jié)供水量。簡單來講，調(diào)節(jié)供水量一般是可以通過以下兩種形式實現(xiàn)的：需要保持水泵的恒速轉(zhuǎn)動，可以依靠調(diào)節(jié)閥門的寬度來調(diào)節(jié)供水量；如果閥門的開度不變，那么我們可以調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而有效的調(diào)節(jié)供水水量。

水廠自動化供水技術(shù)設(shè)計

1）井群系統(tǒng)： 我們對水泵的控制大體可以分為三種形式：手動控制、水源地值班室控制、遠(yuǎn)程控制。 一般來說，手動控制是依靠人工來進(jìn)行的；水源地值班室控制是依靠相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行控制的；遠(yuǎn)程控制主要是通過遠(yuǎn)程中心來控制。

2）水廠系統(tǒng)： 主要設(shè)備包括了加氯車間、輸水泵房以及清水池。 井群水泵起停是依靠水廠的蓄電池進(jìn)行控制的。 一般可以分為如下幾個單元：水廠參數(shù)需要采集壓力和流量等參數(shù)；控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)恒壓供水；數(shù)據(jù)系統(tǒng)是負(fù)責(zé)有效交換數(shù)據(jù)的。

3）調(diào)度中心： 這是整個供水系統(tǒng)操作、處理、統(tǒng)計、維護和監(jiān)管的中心，集中管理的整個監(jiān)控系統(tǒng)。 水廠的監(jiān)控軟件主要是負(fù)責(zé)同現(xiàn)場的通信設(shè)備進(jìn)行協(xié)作運行，要把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后以圖表或者數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行顯示，同時還需要進(jìn)行故障報警、發(fā)出聲光信號等。

為解決農(nóng)村飲水安全問題，很多地方建立了小型水廠，集中為一些村鎮(zhèn)供水。小型水廠自動化與配電是水廠建設(shè)中的重要部分，以下對該部分內(nèi)容做簡要介紹。

農(nóng)村集中供水形式：

各地根據(jù)自身的水資源及地勢情況確定供水形式，主要包括以下幾種：

1、 直供井供水：每個村鎮(zhèn)打一眼或多眼深井，直接通過管網(wǎng)為村鎮(zhèn)供水。

2、 一眼或多眼水源井取地下水，進(jìn)入小型水廠，加氯，進(jìn)入清水池，再通過幾套加壓泵為不同村鎮(zhèn)供水；有的小型水廠清水池地勢較高，可通過自流為不同的村鎮(zhèn)供水。

3、 一個或多個取水泵站取地表水，進(jìn)入小型水廠后，經(jīng)加藥加氯等工藝處理進(jìn)入清水池，再通過幾套加壓泵為不同村鎮(zhèn)供水；有的小型水廠清水池地勢較高，可通過自流為不同的村鎮(zhèn)供水。

小型水廠自動化解決方案

以第二種供水形式為例介紹水廠自動化系統(tǒng)。多眼水源井取地下水，原水進(jìn)入小型水廠，加氯，進(jìn)入清水池，再通過幾套加壓泵為不同村鎮(zhèn)供水。

1、總體方案設(shè)計

◆ 在水源井井房內(nèi)安裝水源井遠(yuǎn)程測控終端。

◆ 在水廠進(jìn)水口安裝流量監(jiān)測終端。

◆ 在水廠加氯間安裝加氯設(shè)備遠(yuǎn)程測控及水質(zhì)監(jiān)測終端。

◆ 在水廠加壓泵房安裝加壓泵站遠(yuǎn)程測控終端。

◆ 在水廠低壓配電室安裝配電監(jiān)測終端。

◆ 在水廠值班室安裝工控機、計算機、投影儀、打印機等。安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

◆ 流量監(jiān)測終端、加氯設(shè)備遠(yuǎn)程測控及水質(zhì)監(jiān)測終端、加壓泵站遠(yuǎn)程測控終端與值班室工控機之間采用局域網(wǎng)有線通信方式；水源井遠(yuǎn)程測控終端與值班室工控機之間采用GPRS無線通信方式（支持光纖通信方式）。

◆ 未來，水廠需要對各用水單位進(jìn)行流量監(jiān)測，采用GPRS無線通信方式。

2、系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3、自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

◆系統(tǒng)可以實時監(jiān)測水源井水泵工作情況，包括：電流、電壓、電能、泵開關(guān)狀態(tài)、保護狀態(tài)、出水壓力、出水流量。可以遠(yuǎn)程起停水源井水泵。

◆系統(tǒng)可以實時監(jiān)測進(jìn)廠流量、出廠流量、出廠壓力、水池水位、余氯等信息。

◆ 系統(tǒng)可以實時監(jiān)測加氯機的工作狀態(tài)、加氯速度、自動控制/遠(yuǎn)程控制加氯機的起停。

◆ 系統(tǒng)可以實時監(jiān)測加壓泵組水泵的工作狀態(tài)，包括：開關(guān)狀態(tài)、保護狀態(tài)、電壓、電流、頻率等。

◆ 系統(tǒng)可以自動控制、遠(yuǎn)程控制加壓泵的起停。根據(jù)出口壓力自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速。

◆ 系統(tǒng)可以實時監(jiān)測配電站信息，包括：開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、電能等。

水廠自動化供水技術(shù)水質(zhì)檢測技術(shù)

水處理中的自動檢測技術(shù)，即水質(zhì)檢測技術(shù)是保證供水和排水水質(zhì)的重要手段，也是指導(dǎo)水處理工藝運行過程的重要依據(jù)，隨著自動化技術(shù)、機械制造技術(shù)等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的新型自動化檢測儀表。

現(xiàn)階段使用的水處理自動化儀表包括流量、水位、溫度、壓力儀表以及水質(zhì)測量分析儀表，如 pH 測量儀、流動電流檢測儀、漏氯報警儀、余氯分析儀、高低濁度在線檢測儀等。

在流量測量方面，除了傳統(tǒng)的電磁流量計外，還出現(xiàn)了大量非接觸式儀表。 水位測量儀表是水處理中另一類使用廣泛的檢測儀表，濾池、清水池、格柵配水井、配礬等處都要用到，主要有差壓式、靜壓式、吹氣式、浮子式、靜電電容式、以及超聲波等類型。 檢測儀表是實現(xiàn)水廠自動化的基礎(chǔ)，在日本等發(fā)達(dá)國家不僅大面積使用現(xiàn)有成熟儀表外，還不斷開發(fā)出新的檢測儀表并發(fā)展相關(guān)的檢測技術(shù)，不斷擴大檢測范圍，提高檢測精度。

水廠自動化供水技術(shù)水處理控制技術(shù)

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及光電技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，工業(yè)自動化在各個方面都發(fā)生了深刻的變化，包括自動化感應(yīng)部件、各種檢測傳感器、變送器、各種間接測量設(shè)備、各種執(zhí)行機構(gòu)等底層設(shè)備，以及自動回路調(diào)節(jié)器、自動控制單元、各種大小型裝置控制系統(tǒng)乃至綜合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)等。有關(guān)控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用也一直是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重點工作之一，并且已經(jīng)在控制理論和自動控制系統(tǒng)水平方面都發(fā)生了極大的變化。隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，對于水質(zhì)指標(biāo)的控制與水處理效率的要求也在不斷提高。新工藝、新設(shè)備的廣泛應(yīng)用一方面提高了水處理能力，另一方面也對整個系統(tǒng)的控制、協(xié)調(diào)提出了更加嚴(yán)格復(fù)雜的要求。常規(guī)控制手段已經(jīng)成為水處理行業(yè)中的薄弱環(huán)節(jié)之一，需要在現(xiàn)有工業(yè)自動化已經(jīng)取得的成果基礎(chǔ)上研究、設(shè)計、投用適合于水處理行業(yè)的先進(jìn)控制系統(tǒng)。由于水處理系統(tǒng)（特別是混凝投藥和加氯控制過程） 是一個大遲滯、非線性、時變的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)建模困難，很難控制好。因此各種先進(jìn)的控制算法不斷提了出來。雖然各種先進(jìn)的控制理論和算法不斷被提了出來，但是在實際的應(yīng)用過程中，尤其是中小型水廠自動化控制系統(tǒng)中，經(jīng)典的控制理論仍有著廣泛的應(yīng)用空間。

水廠自動化供水技術(shù)變頻節(jié)能技術(shù)

變頻調(diào)速是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，其節(jié)點效率很高，幾乎能將因設(shè)計冗余和用水量變化而浪費的電能全部節(jié)省下來。變頻調(diào)速控制技術(shù)是指以變頻調(diào)整原理為基礎(chǔ)，在保證供水可靠性的前提下，根據(jù)供水系統(tǒng)的用水量的變化情況，自動調(diào)整水泵工況，使之始終盡可能地在高效區(qū)間內(nèi)運行，已達(dá)到降低能耗、提高效率的目的。這一技術(shù)既科學(xué)又可靠，它具有調(diào)速精度高、功率因素高等特點，使用它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量，并降低物料和設(shè)備的損耗，同時也能減少機械磨損和噪音，改善車間勞動條件，滿足生產(chǎn)工藝要求。

水廠自動化供水技術(shù)綜合自動化系統(tǒng)

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，建立一個供水系統(tǒng)的綜合自動化系統(tǒng)成為可能。在現(xiàn)代化的大型水廠中，除了采用先進(jìn)的設(shè)備和控制技術(shù)對廠區(qū)內(nèi)部進(jìn)行有效控制和管理外，還要求實現(xiàn)對一個城市或地區(qū)整個供水系統(tǒng)的綜合自動化管理。對自來水公司而言，為了安全、穩(wěn)定、可靠地管理好遍布全城的供水系統(tǒng)，要有一個滿足企業(yè)特點的、現(xiàn)代化的、先進(jìn)的的企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)(SAS)。 在該系統(tǒng)中，要實現(xiàn)對整個供水系統(tǒng)的現(xiàn)代化企業(yè)管理。主要包括社會服務(wù)系統(tǒng)，自來水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）、自動抄表收費系統(tǒng)（AMR）、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、辦公自動化系統(tǒng)（OAS）、自來水管網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫中心數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、信息管理中心系統(tǒng)（IMCS）等。在美國和加拿大等發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)建立了不少現(xiàn)代化的水廠，實現(xiàn)了整個供水系統(tǒng)的自動化。

系統(tǒng)組成：水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是水司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，主要由水司調(diào)度中心、水廠監(jiān)控中心、通信平臺、水廠測控終端、配電設(shè)備監(jiān)測終端組成。

通信平臺：水司調(diào)度中心、各水廠、各職能部門之間數(shù)據(jù)通信在局域網(wǎng)內(nèi)完成；水廠與調(diào)度中心之間一般租用或鋪設(shè)光纖。

水廠監(jiān)控中心主要功能：

遠(yuǎn)程監(jiān)測所轄水源井的工作情況、安防情況，遠(yuǎn)程控制所轄水源井水泵的啟停；

在線監(jiān)測水廠內(nèi)加壓泵組設(shè)備的工作情況，控制加壓泵組的啟停。

在線監(jiān)測水廠內(nèi)蓄水池水位、清水池水位；進(jìn)廠原水流量；出廠清水流量和壓力。

在線監(jiān)測出廠水的濁度、PH值、余氯等水質(zhì)指標(biāo)，錄入其它水質(zhì)信息。

在線監(jiān)測大門、制水車間等重要場所的圖像。

生成各種報表及數(shù)據(jù)曲線。

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，信息技術(shù)的不斷普及，這樣就為水廠自動化結(jié)構(gòu)體系的改革，實現(xiàn)控制系統(tǒng)智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化奠定了堅實的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著智能傳感器、變送器、測量儀表、調(diào)節(jié)器及其執(zhí)行器等裝置，及其模糊控制、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)的應(yīng)用，水廠的自動化將面臨著逐步向智能化進(jìn)展。