水廠自動化供水技術

水廠自動化供水技術是實現對各水處理設備以及各個生產環節全過程的自動監控，達到“現場無人值守、控制中心少人值班”的自動化程度，使得整個水廠系統實現自能化控制的技術。

基本介紹

• 中文名：水廠自動化供水技術
• 控制方式：開環、閉環、複合
• 實現目的：實現優質、低耗和高效供水
• 所屬領域：自動化

實現目的

水廠實現自動化的根本目的是提高生產的可靠性和安全性，實現優質、低耗和高效供水，獲得良好的經濟效益和社會效益，積極回響黨的號召，讓人民喝上安全放心的好水。

發展階段

我國水廠自動化控制系統的發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行自動控制，各獨立系統各不相關；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進行生產，同時各個獨立子系統可以獨立工作，該系統共享整個水廠的信息，同時又有分散控制的可能性。現階段大部分水廠處於此階段；第三階段是供水系統的綜合自動化控制階段，該階段要求在一個區域的供水企業共享信息，實現整個城市或地區供水系統的自動控制。我國的中小型水廠大部分處於第一或第二階段，只有很少大型水廠達到了第三階段。在國外，如加拿大、美國等已開發國家基本實現了供水系統的全自動化，而開始進行分質供水，同時對水廠內部的自控系統也在不斷進行改進和提高。

當前水廠採用的自動控制系統結構形式，從自控的角度可以劃分為數據採集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA）、集散型控制系統（Distributed Control System,DCS）、IPC+PLC（Industrial Personal Computer & Programmable Logic Controller）系統，即工業個人計算機與可程式邏輯控制器構成的系統等。

SCADA系統組網範圍大、通訊方式靈活、但實時性較低，對大規模和複雜的控制實現較為困難。DCS系統則採用分級分散式控制，在物理上實現了真正的分散控制，且實時性較好，但套用軟體的編程工作量大，對開發和維護人員要求較高，開發周期較長。IPC+PLC既可以實現分級分布控制，又可實現集中管理分散控制。而且PLC本身可靠性高、組網、編程和維護很方便，開發周期短、系統內的配置和調整又非常靈活，可與工業現場信號直接連線，易於實現機電一體化。因此，IPC+PLC系統成為了當今水廠自動控制系統的主要結構形式。

綜合分析國際和國內水廠發展的各個階段的特點以及現有的水廠自動控制系統可知，自來水廠主要的控制技術與核心組成基本相同，主要有水質檢測技術、水處理技術、變頻節能技術與綜合自動化系統四個方面。

常見的控制方式

開環控制、閉環控制和複合控制。

設計原則

1）系統高度可靠，其本身的局部故障不應影響現場設備的正常運行。

2）系統成熟、可靠、先進、性價比高。系統配置和設備選型符合計算機發展迅速的特點，充分利用計算機領域的先進技術，使系統達到當前的國際先進水平。

3）系統為全分布、全開放自動化控制系統，既便於功能和硬體的擴充，又能充分保護套用資源和投資，分散式資料庫及軟體模組化結構化設計，使系統能適應功能的增加和規模的擴充。

4）系統實時性好、抗干擾能力強，採用國際流行組態軟體，人機接口界面友好，操作方便。

5） 遵循國內、國際標準。

總體設計

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於功率稍小的電動機。

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於輕載起動 ，能夠非常好的增加起動平穩性 ，並且有效的減小電流，但是由於起動的過程中損耗比較大，並且經濟型較差，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於電網的影響，但是它也有自身的缺點，主要是體積較大、結構比較複雜、價格較為昂貴，並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矽能夠更好的控制整流，如果改變可挖矽的控制角，使得電動機的電壓按照相應的規律升為全壓時，撤去控制信號，軟動器可退出運行，把此項技術運用到水泵中，可以更好的避免水錘效應產生。

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，直到其能夠達到額定轉速。 一般來說採用電壓/頻率的控制方法，不會使得電流過大，對於機器的衝擊也是比較小的，能夠進行調速。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，是重載設備的首選。

恆壓供水

如果需要實現恆壓供水，就需要保持水壓力的穩定，也就是平時所提到的調節供水量。簡單來講，調節供水量一般是可以通過以下兩種形式實現的：需要保持水泵的恆速轉動，可以依靠調節閥門的寬度來調節供水量；如果閥門的開度不變，那么我們可以調節水泵的轉速，從而有效的調節供水水量。

設計

1）井群系統： 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、遠程控制。 一般來說，手動控制是依靠人工來進行的；水源地值班室控制是依靠相應系統進行控制的；遠程控制主要是通過遠程中心來控制。

2）水廠系統： 主要設備包括了加氯車間、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行控制的。 一般可以分為如下幾個單元：水廠參數需要採集壓力和流量等參數；控制系統主要是實現恆壓供水；數據系統是負責有效交換數據的。

3）調度中心： 這是整個供水系統操作、處理、統計、維護和監管的中心，集中管理的整個監控系統。 水廠的監控軟體主要是負責同現場的通信設備進行協作運行，要把採集到的數據經過計算後以圖表或者數據的形式進行顯示，同時還需要進行故障報警、發出聲光信號等。

主要控制技術

水質檢測技術

水處理中的自動檢測技術，即水質檢測技術是保證供水和排水水質的重要手段，也是指導水處理工藝運行過程的重要依據，隨著自動化技術、機械製造技術等方面的發展，出現了越來越多的新型自動化檢測儀表。

現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、高低濁度線上檢測儀等。

在流量測量方面，除了傳統的電磁流量計外，還出現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、以及超音波等類型。 檢測儀表是實現水廠自動化的基礎，在日本等已開發國家不僅大面積使用現有成熟儀表外，還不斷開發出新的檢測儀表並發展相關的檢測技術，不斷擴大檢測範圍，提高檢測精度。

水處理控制技術

隨著電子技術、計算機技術以及光電技術等相關學科的發展，工業自動化在各個方面都發生了深刻的變化，包括自動化感應部件、各種檢測感測器、變送器、各種間接測量設備、各種執行機構等底層設備，以及自動迴路調節器、自動控制單元、各種大小型裝置控制系統乃至綜合最佳化調度系統等。有關控制系統的研究和套用也一直是現代工業生產的重點工作之一，並且已經在控制理論和自動控制系統水平方面都發生了極大的變化。隨著水處理技術的不斷發展，對於水質指標的控制與水處理效率的要求也在不斷提高。新工藝、新設備的廣泛套用一方面提高了水處理能力，另一方面也對整個系統的控制、協調提出了更加嚴格複雜的要求。常規控制手段已經成為水處理行業中的薄弱環節之一，需要在現有工業自動化已經取得的成果基礎上研究、設計、投用適合於水處理行業的先進控制系統。由於水處理系統（特別是混凝投藥和加氯控制過程） 是一個大遲滯、非線性、時變的複雜系統，系統建模困難，很難控制好。因此各種先進的控制算法不斷提了出來。雖然各種先進的控制理論和算法不斷被提了出來，但是在實際的套用過程中，尤其是中小型水廠自動化控制系統中，經典的控制理論仍有著廣泛的套用空間。

變頻節能技術

變頻調速是一項有效的節能降耗技術，其節點效率很高，幾乎能將因設計冗餘和用水量變化而浪費的電能全部節省下來。變頻調速控制技術是指以變頻調整原理為基礎，在保證供水可靠性的前提下，根據供水系統的用水量的變化情況，自動調整水泵工況，使之始終儘可能地在高效區間內運行，已達到降低能耗、提高效率的目的。這一技術既科學又可靠，它具有調速精度高、功率因素高等特點，使用它可以提高產品質量、產量，並降低物料和設備的損耗，同時也能減少機械磨損和噪音，改善車間勞動條件，滿足生產工藝要求。

綜合自動化系統

隨著計算機網路技術的不斷進步，建立一個供水系統的綜合自動化系統成為可能。在現代化的大型水廠中，除了採用先進的設備和控制技術對廠區內部進行有效控制和管理外，還要求實現對一個城市或地區整個供水系統的綜合自動化管理。對自來水公司而言，為了安全、穩定、可靠地管理好遍布全城的供水系統，要有一個滿足企業特點的、現代化的、先進的的企業綜合自動化系統(SAS)。 在該系統中，要實現對整個供水系統的現代化企業管理。主要包括社會服務系統，自來水管網地理信息系統（GIS）、自動抄表收費系統（AMR）、生產過程數據採集與監控系統（SCADA）、辦公自動化系統（OAS）、自來水管網最佳化系統、數據倉庫中心數據管理系統、信息管理中心繫統（IMCS）等。在美國和加拿大等已開發國家，已經建立了不少現代化的水廠，實現了整個供水系統的自動化。

系統組成：水廠遠程監控系統是水司生產調度管理系統的一個子系統，主要由水司調度中心、水廠監控中心、通信平台、水廠測控終端、配電設備監測終端組成。

水廠自動化系統拓撲圖

通信平台：水司調度中心、各水廠、各職能部門之間數據通信在區域網路內完成；水廠與調度中心之間一般租用或鋪設光纖。

水廠監控中心主要功能：

遠程監測所轄水源井的工作情況、安防情況，遠程控制所轄水源井水泵的啟停；

線上監測水廠內加壓泵組設備的工作情況，控制加壓泵組的啟停。

線上監測水廠內蓄水池水位、清水池水位；進廠原水流量；出廠清水流量和壓力。

線上監測出廠水的濁度、PH值、余氯等水質指標，錄入其它水質信息。

線上監測大門、制水車間等重要場所的圖像。

生成各種報表及數據曲線。

水廠自動化軟體界面

在農村的套用

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

農村集中供水形式：

各地根據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：每個村鎮打一眼或多眼深井，直接通過管網為村鎮供水。

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

3、 一個或多個取水泵站取地表水，進入小型水廠後，經加藥加氯等工藝處理進入清水池，再通過幾套加壓泵為不同村鎮供水；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。多眼水源井取地下水，原水進入小型水廠，加氯，進入清水池，再通過幾套加壓泵為不同村鎮供水。

1、總體方案設計

◆ 在水源井井房內安裝水源井遠程測控終端。

◆ 在水廠進水口安裝流量監測終端。

◆ 在水廠加氯間安裝加氯設備遠程測控及水質監測終端。

◆ 在水廠加壓泵房安裝加壓泵站遠程測控終端。

◆ 在水廠低壓配電室安裝配電監測終端。

◆ 在水廠值班室安裝工控機、計算機、投影儀、印表機等。安裝監控系統軟體。

◆ 流量監測終端、加氯設備遠程測控及水質監測終端、加壓泵站遠程測控終端與值班室工控機之間採用區域網路有線通信方式；水源井遠程測控終端與值班室工控機之間採用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行流量監測，採用GPRS無線通信方式。

2、系統拓撲圖

原理圖

3、自動化監控系統主要功能

◆系統可以實時監測水源井水泵工作情況，包括：電流、電壓、電能、泵開關狀態、保護狀態、出水壓力、出水流量。可以遠程起停水源井水泵。

◆系統可以實時監測進廠流量、出廠流量、出廠壓力、水池水位、余氯等信息。

◆ 系統可以實時監測加氯機的工作狀態、加氯速度、自動控制/遠程控制加氯機的起停。

◆ 系統可以實時監測加壓泵組水泵的工作狀態，包括：開關狀態、保護狀態、電壓、電流、頻率等。

◆ 系統可以自動控制、遠程控制加壓泵的起停。根據出口壓力自動調整水泵轉速。

◆ 系統可以實時監測配電站信息，包括：開關狀態、電流、電壓、電能等。

發展趨勢

隨著經濟的飛速發展，信息技術的不斷普及，這樣就為水廠自動化結構體系的改革，實現控制系統智慧型化、分散化、網路化奠定了堅實的物質和技術基礎。

隨著智慧型感測器、變送器、測量儀表、調節器及其執行器等裝置，及其模糊控制、專家系統、自適應控制及其神經網路等智慧型技術的套用，水廠的自動化將面臨著逐步向智慧型化進展。