自来水厂自动化控制系统的研究

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[摘 要] 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，人们也更加重视自来水厂自动化控制系统的研究。本文对此进行了探讨。

[关键词] 自来水厂 自动化控制系统 工艺

一、水厂制水工艺流程介绍

各个水厂根据实际情况，其工艺流程千差万别，设备有增有减，但基本的流程相似，如图所示。图中主要分为以下几个工艺过程：（1）取水：通过多台大型离心泵将江、河、地表等处的水抽入净水厂。（2）药剂的制备与投加：按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的。（3）混凝：包括混合与絮凝，即源水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥。（4）平流沉淀：与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。（5）过滤沉淀：水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲洗石英砂。（6）送水：多台大型离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网。

二、自来水厂自动化控制系统的设计

1、总体结构

水厂的控制系统可以分为三个层次：管理层、主控层和现场控制层。管理层主要完成水厂调度运行的远程监视、自动化数据查询、频信息查询等功能，一般不直接参与到系统的运行控制。主控层对水厂的生产及各站点进行实时监控，它是系统的信息采集和控制的核心。主要包括数据库服务器、水源监测工作站、水厂检测站、交换机、设备、多串口服务器、UPS、GPS 等。通过采集到各站点的数据信息，进行数据分析，负责水厂运行的监视、视频监控、远方控制、调度指挥以及完成必要的管理功能，并向管理层发送必要的数据和信息。现场控制层主要包括四个部分：水源监控系统:位于水源地深井泵配电间，对深井泵的启停进行实时监控，利用监控装置监控深井水位、水泵流量、水泵电动机、电流、电压等；消毒监控系统：位于水厂的消毒间，对发生器的启停进行实时监控，利用监控 PLC 装置监控药剂投加量、阀门启闭、电流、电压等；供水监控系统：位于水厂控制室，对变频调速器、送水泵进行实时监控，利用监控 PLC装置监控水质参数、水泵流量、管网压力、电气参数等；视频终端：主要包括安装在水源地井群、水厂中控室、水厂泵房及水厂厂区的各种摄像机、配件等。

2、水质检测技术

水处理中的自动检测技术，即水质检测技术是保证供水和排水水质的重要手段，也是指导水处理工艺运行过程的重要依据，随着自动化技术、机械制造技术等方面的发展，出现了越来越多的新型自动化检测仪表。目前使用的水处理自动化仪表包括流量、水位、温度、压力仪表以及水质测量分析仪表，如pH测量仪、流动电流检测仪、漏氯报警仪、余氯分析仪、高低浊度在线检测仪等。在流量测量方面，除了传统的电磁流量计外，还出现了大量非接触式仪表。水位测量仪表是水处理中另一类使用广泛的检测仪表，滤池、清水池、格栅配水井、配矾等处都要用到，主要有差压式、静压式、吹气式、浮子式、静电电容式、以及超声波等类型。检测仪表是实现水厂自动化的基础，在日本等发达国家不仅大面积使用现有成熟仪表外，还不断开发出新的检测仪表并发展相关的检测技术，不断扩大检测范围，提高检测精度。

3、水处理控制技术

随着电子技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的发展，近十年来工业自动化在各个方面都发生了深刻的变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大小型装置控制系统乃至综合优化调度系统等。随着水处理技术的不断发展，对于水质指标的控制与水处理效率的要求也在不断提高。新工艺、新设备的广泛应用一方面提高了水处理能力，另一方面也对整个系统的控制、协调提出了更加严格复杂的要求。常规控制手段已经成为水处理行业中的薄弱环节之一，需要在现有工业自动化已经取得的成果基础上研究、设计、投用适合于水处理行业的先进控制系统。由于水处理系统（特别是混凝投药和加氯控制过程）是一个大迟滞、非线性、时变的复杂系统，系统建模困难，很难控制好。因此各种先进的控制算法不断提了出来。虽然各种先进的控制理论和算法不断被提了出来，但是在实际的应用过程中，尤其是中小型水厂自动化控制系统中，经典的控制理论仍有着广泛的应用空间。因此本文在研究水厂自动控制理论方面，侧重于经典控制理论及其应用。

4、变频节能系统

在水处理行业中，普遍存在着用水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，虽可通过调节阀门来满足用水需求，但供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。因此，根据用水需求自动控制水泵机组运行，且实现节能，是水厂自动化技术的一项重要内容。变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用水量变化而浪费的电能全部节省下来。变频调速控制技术，是指以变频调整原理为基础，在保证供水可靠性的前提下，根据供水系统用水量的变化情况，自动调整水泵工况，使之始终尽可能地在高效区间内运行，以达到降低能耗、提高效率的目的。这一技术是比较科学，可靠性较高的一种调节水泵工况的方式。变频器是一种以变频调速技术为基础通过改变频率来调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，而且节电效果明显。应用变频器来实现变频节能供水，可以采用恒压变量或变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速（即供水流量）来保证供水压力不变，该系统技术比较成熟，应用广泛。变压变量供水系统则根据用户用水量的变化同时调整变频器转速（即供水流量）和供水压力，很明显该方案节能效果更好。但是由于水头损失等受各种因素影响，难以准确确定，实际应用的很少

三、水厂自动化控制系统的发展趋势

随着计算机网络技术的不断进步，建立一个供水系统的综合自动化系统成为可能。在现代化的大型水厂中，除了采用先进的设备和控制技术对厂区内部进行有效控制和管理外，还要求实现对一个城市或地区整个供水系统的综合自动化管理。网络化、智能化、信息化、管控一体化等概念向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革，这种变革也必将对水工业自动化产生重大影响。随着智能传感器、变送器、测量仪表、调节器、执行器等智能设备，以及如专家系统、模糊控制、自适应控制及神经网络等智能控制技术和现场总线技术在水厂中的应用，水厂自动化将会向智能化方向发展。智能设备、智能控制技术很明显是具有“智能”的。现场总线技术则由于将专用的CPU 置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，亦即“智能化”。控制系统的分散化和网络化则主要表现在现场总线的应用上。借助其计算和通信能力，使Internet延伸到现场设备，利用Web技术实现水厂远程监控、调试、维护和故障诊断等功能，从而建成基于Internet的水厂自动化系统。总之，应用Web技术实现综合自动化功能，是信息时代的要求，也是当前水厂自动化网络发展的主要方向。

参考文献：

[1]龚莉.变频器在水处理行业中的应用.机电信息，2002(16).

[2]杨东平.变频调速恒压供水系统综述.南宁职业技术学院学报，2004，9（3）.

[3]颜浩等.变频调速在供水行业的应用.中国给水排水，2009，15(9).