隨著我國改革開放政策的深化和國外貸款項目的不斷增多，計算機測控管理系統(tǒng)已普遍進入凈水廠自動化領(lǐng)域。目前，國內(nèi)凈水廠自控系統(tǒng)采用最多的是由工業(yè)計算機 (IPC)+ 可編程序邏輯控制器 (PLC)+ 自動化儀表組成的多級分布式計算機測控管理系統(tǒng)。
一 自動化儀表在水處理系統(tǒng)中的重要地位
在現(xiàn)代化的凈水廠中，每一個生產(chǎn)過程總是與相應(yīng)的儀表及自控技術(shù)有關(guān)。儀表能連續(xù)檢測各工藝參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的數(shù)據(jù)進行手動或自動控制，從而協(xié)調(diào)供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各水處理工藝之間的關(guān)系，以便使各種設(shè)備與設(shè)施得到更充分、合理的使用。同時，由于檢測儀表測定的數(shù)值與設(shè)定值可連續(xù)進行比較，發(fā)生偏差時，立即進行調(diào)整，從而保證水處理質(zhì)量。根據(jù)儀表檢測的參數(shù)，能進一步自動調(diào)節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機組的合理運行，使管理更加科學(xué)化，達到經(jīng)濟運行的目的。由于儀表具有連續(xù)檢測、越限報警的功能，便于及時處理事故。儀表還是實現(xiàn)計算機控制的前提條件。所以在先進的水處理系統(tǒng)中，自動化儀表具有非常重要的作用。
二 水處理系統(tǒng)常用儀表的分類
給水工程所用儀表大致可分為兩大類：一類屬于監(jiān)測生產(chǎn)過程物理參數(shù)的儀表，如檢測溫度、壓力、液位、流量等。這類儀表采用國產(chǎn)表，其性能和質(zhì)量基本能滿足要求。另一類屬于檢測水質(zhì)的分析儀表，如檢測水的濁度、 pH 值、溶氧含量、余氯、 SCD 值等。這些專用儀表在我國發(fā)展比較晚，因此，通常選用國外先進產(chǎn)品，從長遠觀點看是比較經(jīng)濟、可靠的。
檢測儀表的好壞直接關(guān)系到給水自動化的效果。在工程設(shè)計過程中，從儀表的性能、質(zhì)量、價格、備件情況、售后服務(wù)等方面進行反復(fù)比較，我們一般采用進口儀表和國產(chǎn)儀表相結(jié)合的方法。
三 凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成模式及監(jiān)測參數(shù)
1. 凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成模式
凈水廠的監(jiān)控系統(tǒng)一般由水廠管理層和現(xiàn)場監(jiān)控層兩級系統(tǒng)構(gòu)成，按集中管理、分散控制的原則進行監(jiān)控。在工程設(shè)計中，將廠級計算機系統(tǒng) ( 即主站 ) 設(shè)在水廠中心控制室，各現(xiàn)場監(jiān)控站 ( 即分站 ) 的數(shù)量和位置按工藝流程及構(gòu)筑物的位置、分散程度來定。一般地表水廠現(xiàn)場分站的設(shè)置是：進水泵房分站、反應(yīng)沉淀與加氯加藥分站、過濾分站、送水泵房及變配電室分站、污泥處理分站。各監(jiān)測儀表的數(shù)據(jù)均送到計算機系統(tǒng)，可在監(jiān)控站的工控機上顯示、控制并打印、記錄、報警。
2. 各分站監(jiān)測參數(shù)
a. 進水泵房分站監(jiān)測參數(shù)
水質(zhì)參數(shù)：源水濁度、 pH 值、水溫、溶解氧等。
運行參數(shù)：調(diào)節(jié)池水位、吸水井水位、源水流量、泵機分電量、泵站總電量等。
b. 反應(yīng)沉淀、加氯加藥分站
水質(zhì)參數(shù)：沉淀池出口濁度、濾后余氯、 SCD 值。
運行參數(shù)：沉淀池水位、沉淀前流量、攪拌罐液位、藥池液位、藥液濃度、沉淀池泥位。
c. 過濾分站
水質(zhì)參數(shù)：濾后水濁度、余氯。
運行參數(shù)：濾池水位、水頭損失、反沖洗水流量、沖洗水箱水位。
d. 送水泵房及變配電室分站
水質(zhì)參數(shù)：出廠水流量、余氯。
運行參數(shù)：出廠水壓力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流電壓、交流電流、電量等。
e. 污泥處理分站
運行參數(shù)：回流池水位、水量、濃縮池水位、回流水濁度。
四 水處理系統(tǒng)常用儀表在選型及設(shè)計中應(yīng)注意的問題
1. 儀表選配的一般要求
(1) 精確度：是指在正常使用條件下，儀表測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，誤差越小，精確度越高。
生產(chǎn)過程物理檢測儀表的精確度為 ±1% ，水質(zhì)分析儀表的精確度為 ±2%( 測高濁水的濁度儀的精確度為 ±5%) 。
(2) 響應(yīng)時間：當(dāng)對被測量進行測量時，儀表指示值總要經(jīng)過一段時間才能顯示出來，這段時間即為儀表的響應(yīng)時間。一只儀表能不能盡快反應(yīng)出參數(shù)變化的情況，是很重要的指標(biāo)。對水質(zhì)分析儀表要求的響應(yīng)時間應(yīng)不超過 3min 。
(3) 輸出信號：儀表的模擬輸出應(yīng)是 4~20mA DC 信號，負載能力不小于 600Ω 。
(4) 儀表的防護等級應(yīng)滿足所在環(huán)境的要求，一般應(yīng)不低于 IP65 ，用于藥劑投加系統(tǒng)的檢測儀表要求能耐腐蝕。
(5) 四線制的儀表電源多為 220V AC 、 50Hz ，兩線制的儀表電源為 24V DC 。
(6) 現(xiàn)場監(jiān)測儀表宜選用數(shù)顯儀。
(7) 儀表的工作電源應(yīng)獨立，不應(yīng)和計算機共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運行。
(8) 為使計算機能檢測到電壓互感器和電流互感器的異常信號并報警，設(shè)計選配的電壓及電流變送器的輸入信號應(yīng)比電流及電壓互感器大，即分別為 0~6A 及 0~120V 。
(9) 應(yīng)選擇能夠提供可靠服務(wù)和有豐富經(jīng)驗的儀表生產(chǎn)廠商。
2. 水位測量
選擇液位計時應(yīng)考慮以下因素：
(1) 測量對象，如被測介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及工作壓力和溫度、安裝條件、液位變化的速度等；
(2) 測量和控制要求，如測量范圍、測量 ( 或控制 ) 精確度、顯示方式、現(xiàn)場指示、遠距離指示、與計算機的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。
給水工程中常用的液位計及選型要點如下：
a. 浮球式液位計
在液體中放入一個空心的浮球，當(dāng)液位變化時，浮球?qū)a(chǎn)生與液位變化相同的位移。可用機械或電的方法來測得浮球的位移，其精確度為 ±(1~2)% ，這種液位計不適用于高粘度的液體，其輸出端有開關(guān)控制和連續(xù)輸出。
在凈水廠的設(shè)計中，多將此種液位計用于集水井的液位測量以控制排水泵的自動開停。
b. 靜壓 ( 或差壓 ) 式液位計
由于液柱的靜壓與液位成正比，因此利用壓力表測量基準(zhǔn)面上液柱的靜壓就可測得液位。根據(jù)被測介質(zhì)的密度及液體測量范圍計算出壓力或壓差范圍，再選用量程、精確度等性能合適的壓力表或差壓表。這種液位計的精確度為 ±(0.5~2)% 。
c. 電容式液位計
在容器內(nèi)插入電極，當(dāng)液位變化時，電極內(nèi)部介質(zhì)改變，電極間 ( 或電極與容器壁之間 ) 的電容也隨之變化，該電容量的變化再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的直流電信號。其精確度為 ±(0.5~1.5)% 。
電容式液位計具有以下優(yōu)點：傳感器無機械可動部分，結(jié)構(gòu)簡單、可靠；精確度高；檢測端消耗電能小，動態(tài)響應(yīng)快；維護方便，壽命長。缺點是被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定會引起誤差。電容式液位計一般用于調(diào)節(jié)池、清水池等的液位測量。
當(dāng)測量范圍不超過 2m 時，采用棒狀、板狀、同軸電極；當(dāng)超過 2m 時，采用纜式電極。當(dāng)被測介質(zhì)為水時，采用帶絕緣層 ( 可用聚乙烯 ) 的電極。
d. 超聲液位計
超聲液位計的傳感器由一對發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據(jù)發(fā)射至接收的時間可確定傳感器與液面之間的距離，即可換算成液位。其精確度為 ±0.5% 。
這種液位計無機械可動部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測量，且不受液體的粘度、密度等影響，因此多用于藥池、藥罐、排泥水池等的液位測量。但此種方法有一定的盲區(qū)，且價格較貴。
3. 流量測量
流量測量分為兩種，一種用于流量檢測，參與過程控制，以達到提高生產(chǎn)自動化水平，改善生產(chǎn)工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。另一種用于流量的計量，不僅計量產(chǎn)品的產(chǎn)量，還是供水企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算的依據(jù)。在供水企業(yè)最主要的 8 項經(jīng)濟指標(biāo)中，有 3 項指標(biāo)是以流量計測量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。
流量計的選型應(yīng)考慮以下因素：
(1) 任何型號的流量計都必須有國家計量部門檢定的證書方可選用。
(2) 流量計本身的壓力損失要小。
(3) 根據(jù)行業(yè)要求，流量計的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于 2.5 級。
(4) 安裝現(xiàn)場條件應(yīng)滿足所選流量計對直管段的要求。
(5) 所選流量計應(yīng)能適應(yīng)安裝現(xiàn)場環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾等。
(6) 所選流量計應(yīng)能適用于待測的液體介質(zhì)。
目前，在給水工程設(shè)計中，采用最多的是電磁流量計和超聲流量計。
a. 電磁流量計
電磁流量計的原理是應(yīng)用法拉弟電磁感應(yīng)定律，由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成。
在測量中，液體本身為導(dǎo)體，磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產(chǎn)生。線圈由交流或直流電源勵磁，磁場作用于管道內(nèi)流動的液體，在管道中產(chǎn)生一個與被測流體平均流速 V 相對應(yīng)的電壓，且該電壓與流體的流速分布無關(guān)。
與管道絕緣的兩個電極監(jiān)測液體的感應(yīng)電壓。磁場方向、流體流向及兩個檢測電極的相對位置三者互相垂直。
電磁流量計的優(yōu)點：
(1) 測量不受被測液體的溫度、壓力或粘度的影響。
(2) 沒有壓力損失。
(3) 能連續(xù)測量，測量精確度高。
(4) 口徑范圍和測量范圍大，測量范圍連續(xù)可調(diào)。
(5) 與流速分布無關(guān)。
(6) 前后直管段較短，前置直管段為 5D(D 為儀表的直徑 ) ，后置直管段為 3D 。
(7) 穩(wěn)定性好，輸出為標(biāo)準(zhǔn)化信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
(8) 變送器導(dǎo)管內(nèi)壁有襯里材料，具備良好的耐腐、耐磨性。
(9) 轉(zhuǎn)換器體積小，消耗功率小，抗干擾性能強，便于現(xiàn)場觀察。
應(yīng)用于水處理系統(tǒng)的電磁流量計的襯里材料多選用氯丁橡膠，因其有較好的耐磨性。安裝時應(yīng)注意遠離外界的電磁場源，以免影響傳感器的工作磁場及流量信號，傳感器水平安裝時，要求兩個電極的中心軸線處于水平狀態(tài)，防止顆粒雜質(zhì)沉積，影響電極工作。測量管內(nèi)應(yīng)為滿管，不允許大量氣泡通過傳感器，當(dāng)不能滿足條件時，應(yīng)采取相應(yīng)措施。
為使儀表可靠地工作，提高測量精確度，不受外界寄生電勢的干擾，傳感器應(yīng)有良好的單獨接地線，且接地電阻應(yīng)小于 10Ω ，尤其是安裝在陰極保護管道上時。如在天津水源廠出廠干管上安裝的電磁流量計，由于管道采用了陰極保護，防護電解腐蝕的管道內(nèi)壁和外壁之間是絕緣的，被測介質(zhì)沒有接地電位，所以，將傳感器接地環(huán)裝在傳感器的兩個端面上，與連接管道的法蘭絕緣。傳感器與接地環(huán)用接地線相連，并引至接地極。管道法蘭之間用電纜相連但不連到傳感器上。法蘭連接螺栓用絕緣襯套和墊圈隔離。該電磁流量計自投產(chǎn)使用以來，效果一直較好。
轉(zhuǎn)換器應(yīng)安裝在符合其防護等級要求的場所，在滿足安裝環(huán)境、使用要求的前提下，轉(zhuǎn)換器與傳感器之間的距離和連接電纜越短越好，以節(jié)約投資，減少可能產(chǎn)生的強電信號的干擾。
b. 超聲流量計
最近十幾年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，超聲流量計才得以應(yīng)用于流量測量。利用超聲流量計進行測量的方法有很多種，其中較為典型的是時差法和多普勒法。凈水廠多選用時差法流量計，其方法是在測量管道上安裝兩個換能器，因順流與逆流流速差別的影響，測量從發(fā)射到接收而產(chǎn)生的時間差，據(jù)此測出流速。
超聲流量計的主要優(yōu)點：
(1) 安裝維護方便。隨著夾裝式傳感器的廣泛使用，在安裝和維護超聲流量計時不需在管道上打孔或切斷流量，就可在已存在的應(yīng)用場合很方便地進行安裝，尤其適用于大口徑管道檢測系統(tǒng)。
(2) 口徑范圍大，且價格不受管徑影響。
(3) 測量可靠性高。
(4) 無壓力損失。
(5) 不受流體參數(shù)影響。
(6) 輸出標(biāo)準(zhǔn)化直流信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
選用超聲流量計要特別注意傳感器的安裝誤差、管道內(nèi)壁結(jié)垢、防腐層均勻與否，這些因素對測量結(jié)果影響很大。另據(jù)超聲流量計的測量原理，只有流速分布均勻時才能保證測量的精確度，所以在流量計的上下游要有足夠的直管段，參考各種資料及流量計的使用手冊，要求上游最少不小于 10D ，下游大于 5D 。
由于自來水行業(yè)為連續(xù)生產(chǎn)，進行不間斷計量是極為重要的，所以一般安裝于管道上的流量計不能經(jīng)常拆卸送檢，一般做法是采用精確度較高的便攜式超聲流量計，按周期送國家認證單位進行校準(zhǔn)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)器具，再用比對的方式定期檢測在線流量計。這需要設(shè)計人員在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用單位要求，考慮將來生產(chǎn)管理的需要，預(yù)留出比對測量的空間，以方便用戶，即將流量計井做得稍大一些，除安裝固定式流量計外，還應(yīng)如圖 1 所示預(yù)留出便攜式流量計測量的空間。
4. 濁度的測量
濁度是水體渾濁程度的度量，也就是水體中存在微細分散的懸浮性粒子，使水透明度降低的程度。濁度儀是測量水體渾濁程度的儀器，主要用于對水質(zhì)的監(jiān)測和管理。
凈水廠負責(zé)供應(yīng)居民生活用水和工業(yè)用水，供水的質(zhì)量直接涉及人民的健康、安全，以及食品、釀造、醫(yī)藥、紡織、印染、電力等各行各業(yè)的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。濁度是一項很重要的水質(zhì)指標(biāo)，因此對濁度儀的選擇顯得尤為重要。濁度儀可分為目視濁度儀和光電濁度儀兩大類。光電濁度儀就其用途可分為工藝監(jiān)控 ( 連續(xù)測定 ) 濁度儀和實驗室 ( 包括便攜式 ) 濁度儀，就其設(shè)計原理又可分為透射光濁度儀和散射光濁度儀。
由于散射光濁度儀對水的低濁度有較高的靈敏度，準(zhǔn)確度高，相對誤差小，重復(fù)性好，水的色度不顯示濁度，且散射光與入射光強度比可呈線性關(guān)系，故 1992 年 9 月世界衛(wèi)生組織公布的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》中規(guī)定將散射光濁度儀作為測定儀器。同時， “ 供水行業(yè) 2000 年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃 ” 中已明確規(guī)定一類水司管網(wǎng)水濁度指標(biāo)為 1NTU 。
在凈水廠設(shè)計中常用 HACH 公司的 1720D 、 SS6 系列濁度儀 ( 屬于散射光式濁度儀 ) 。
在濾后水及出廠水的測量中，一般采用 1720D( 原為 1720C) 系列濁度儀。使用時水樣連續(xù)流入濁度儀，流經(jīng)脫泡器以排空水流中的氣泡，然后進入濁度儀的中柱內(nèi)，上升至測量室并溢過其邊緣進入排放口。聚光束從傳感器頭部組件中向下投射到濁度儀主體內(nèi)的水樣中，浸在水樣中的光電管測量水中懸浮固體 90° 方向的散射光，散射光的量與水樣的濁度成正比。 1720D 不需采用樣品池，這樣可減少雜散光，提高測量準(zhǔn)確度。 1720D 的準(zhǔn)確度為： 0~40NTU 范圍內(nèi)為 ±2% ， 40~100NTU 范圍內(nèi)為 ±5% ，分辨力為 0.001NTU ，響應(yīng)時間為 75s 。
測量濾后水的濁度儀多安裝于濾站管廊內(nèi)，可采用壁掛或柜裝，出廠水的測量一般在送水泵房設(shè)置水質(zhì)儀表間，將濁度儀及其他水質(zhì)檢測儀表置于儀表間內(nèi)，再將信號引至監(jiān)控站。
雖然 1720D 的測量范圍為 0~ 100NTU ，但最好不用其測量濾前水，因為雖然光學(xué)上能測到 100NTU ，但在生產(chǎn)使用上會帶來許多不便。測量源水及濾前水多使用 SS6 系列表面散射式濁度儀，它是將光束射在液體表面，測定來自液面的散射光，避免了光學(xué)系統(tǒng)與水樣直接接觸，消除了清洗流通池時帶來的信號丟失，如圖 2 所示。
SS6 系列的測量范圍為 0~9999NTU ，一般地表水廠的源水均在此范圍內(nèi)。它在 0~2000NTU 范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度為 ±5% ， 2000~9999NTU 范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為 ±10% 。
濁度儀取樣點的選擇應(yīng)與工藝專業(yè)緊密結(jié)合，選取最有代表性的點，取樣孔最好不要開在被取樣管道的頂部，避免將管道中的氣泡抽進取樣管而影響濁度儀的測量準(zhǔn)確度，水樣的提取最好用小型采樣泵取樣，保證取樣管內(nèi)有一定流速，不易在管道內(nèi)壁結(jié)垢。取樣管道的口徑應(yīng)根據(jù)儀表取樣水的總需要量決定。
5. 顯示儀表的選用
一般凈水廠工程多選用智能化顯示儀表，其功能齊全，能進行數(shù)字信號處理，實現(xiàn)控制功能，而且測量值以液晶顯示，操作方便，可以保存數(shù)據(jù)，具有自診斷功能。雖然與計算機系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，它的優(yōu)勢沒有完全發(fā)揮出來，而被計算機系統(tǒng)所取代，但在目前凈水廠的建設(shè)中，使用智能化的顯示儀表作為在計算機系統(tǒng)未調(diào)試投運階段或發(fā)生故障時的輔助儀表，也能滿足現(xiàn)場控制、顯示的要求。
在某些情況下，同時需要本地顯示與遠程傳送，此時不宜采取信號串聯(lián)方式，而應(yīng)采用信號分配器，即 1 路輸入，兩路輸出，一路輸出送顯示儀表，另一路輸出可輸入 PLC ，如常用的 WS15242 ，如圖 3 所示。
6. 儀表系統(tǒng)的接地和防雷
接地可分為保護接地和工作接地。保護接地是為避免工作人員因設(shè)備絕緣損壞或絕緣性能下降時遭受觸電危險和保護設(shè)備的安全。工作接地是為保證儀表穩(wěn)定可靠地運行。一般凈水廠儀表系統(tǒng)的接地采用 TN-S 系統(tǒng)，即 3 根相線 A 、 B 、 C ， 1 根中性線 N 即保護線 PE 。用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分接到 PE 線上，其優(yōu)點是 PE 線在正常工作時不呈現(xiàn)電流，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分不呈現(xiàn)對地電壓而且在事故時也容易切斷電源，有較強的電磁適應(yīng)性，避免了高次諧波的干擾。
工作接地的原則是單點接地。由于對地電位差的存在，如果出現(xiàn)一個以上的接地點就會形成地回路，將干擾引入儀表中，所以，同一信號回路、同一屏蔽層只能有一個接地點。
儀表工作接地可單獨設(shè)置或與保護接地共用同一接地體。從工程實踐經(jīng)驗來看，接地電阻一般應(yīng)不超過 1Ω 。
一般凈水廠設(shè)施分散，構(gòu)筑物低矮，地形平坦、空曠，特別是有些流量計井位于廠區(qū)之外，在這種情況下，儀表設(shè)備的被雷擊率增加。在實踐中，筆者多次遇到過雷擊損壞儀表或儀表不明原因損壞的事件。因此，安裝品質(zhì)優(yōu)良，動作可靠的避雷器，是不可缺少的保護措施，如采用德國 Pepperl+Fuchs 公司的 ESP 系列避雷柵用于流量計的信號和電源的保護，效果良好。
五 總結(jié)
(1) 要實現(xiàn)凈水廠的現(xiàn)代化管理，必須使用自動化儀表。
(2) 設(shè)計人員應(yīng)站在用戶的角度上，為用戶著想，在設(shè)計與選用儀表時，應(yīng)做到：穩(wěn)定可靠，操作簡單，安裝方便，物美價廉，連續(xù)測量，反應(yīng)靈敏，互換性強，便于維護。
(3) 設(shè)計人員平時應(yīng)注意技術(shù)資料的收集、整理，以便于消化吸收。
(4) 凈水廠建成通水，儀表正確投入使用后，設(shè)計人員應(yīng)多下現(xiàn)場，對儀表的使用情況做跟蹤調(diào)查，了解儀表的工作情況，及時總結(jié)經(jīng)驗，以利于今后的設(shè)計工作日趨完善。
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