自動化儀表在水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、隨著我國改革開放政策的深化和國外貸款項(xiàng)目的不斷增多，計(jì)算機(jī)測控管理系統(tǒng)已普遍進(jìn)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(jì)算機(jī)(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(jì)算機(jī)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(gè)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(jìn)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(shí)，由于檢測儀

2、表測定的數(shù)值與設(shè)定值可連續(xù)進(jìn)行比較，發(fā)生偏差時(shí)，立即進(jìn)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(jìn)一步自動調(diào)節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機(jī)組的合理運(yùn)行，使管理更加科學(xué)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。由于儀表具有連續(xù)檢測、越限報(bào)警的功能，便于及時(shí)處理事故。儀表還是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的前提條件。所以在先進(jìn)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

3、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(jìn)產(chǎn)品，從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看是比較經(jīng)濟(jì)、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(jì)過程中，從儀表的性能、質(zhì)量、價(jià)格、備件情況、售后服務(wù)等方面進(jìn)行反復(fù)比較，我們一般采用進(jìn)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

4、層兩級系統(tǒng)構(gòu)成，按集中管理、分散控制的原則進(jìn)行監(jiān)控。在工程設(shè)計(jì)中，將廠級計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可在監(jiān)控站的工控機(jī)上顯示、控制并打印、記錄、報(bào)警。    2. 各分站監(jiān)測參數(shù)    (a) 進(jìn)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(yùn)行參數(shù)：調(diào)節(jié)池

5、水位、吸水井水位、源水流量、泵機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)：出廠水壓力、流量、清水池

6、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(yùn)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(jì)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±

7、;5%)。    (2) 響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)對被測量進(jìn)行測量時(shí)，儀表指示值總要經(jīng)過一段時(shí)間才能顯示出來，這段時(shí)間即為儀表的響應(yīng)時(shí)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(shí)間應(yīng)不超過3min。    (3) 輸出信號：儀表的模擬輸出應(yīng)是420mA DC信號，負(fù)載能力不小于600。    (4) 儀表的防護(hù)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

8、、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(dú)立，不應(yīng)和計(jì)算機(jī)共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時(shí)電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。    (8) 為使計(jì)算機(jī)能檢測到電壓互感器和電流互感器的異常信號并報(bào)警，設(shè)計(jì)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06A及0120V。    (9) 應(yīng)選擇能夠提供可靠服務(wù)和有豐富經(jīng)驗(yàn)的儀表生產(chǎn)廠商。    2.

9、水位測量    選擇液位計(jì)時(shí)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(yuǎn)距離指示、與計(jì)算機(jī)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(jì)及選型要點(diǎn)如下：    a. 浮球式液位計(jì)    在液體中放入一個(gè)空心的浮球，當(dāng)液位變化時(shí)，浮球?qū)a(chǎn)生與液位變化相同的位移?？捎脵C(jī)械或電的方法來測得浮球的位移，其精確度為±

10、;(12)%，這種液位計(jì)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(jì)中，多將此種液位計(jì)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(jì)    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(jì)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(jì)的精確度為±(0.52)%。    c. 電容式液位計(jì)  

11、  在容器內(nèi)插入電極，當(dāng)液位變化時(shí)，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±(0.51.5)%。    電容式液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳感器無機(jī)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(hù)方便，壽命長。缺點(diǎn)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(jì)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(shí)，采用棒狀、板狀、同軸電極；當(dāng)超過2m時(shí)，采用纜式電極。當(dāng)被測介質(zhì)為水時(shí)，采用帶絕緣層(可用聚乙

12、烯)的電極。d. 超聲液位計(jì)    超聲液位計(jì)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(shí)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(jì)無機(jī)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(jià)格較貴。    3. 流量測量    流量

13、測量分為兩種，一種用于流量檢測，參與過程控制，以達(dá)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(jì)量，不僅計(jì)量產(chǎn)品的產(chǎn)量，還是供水企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算的依據(jù)。在供水企業(yè)最主要的8項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中，有3項(xiàng)指標(biāo)是以流量計(jì)測量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。    流量計(jì)的選型應(yīng)考慮以下因素：· 任何型號的流量計(jì)都必須有國家計(jì)量部門檢定的證書方可選用。 · 流量計(jì)本身的壓力損失要小。 · 根據(jù)行業(yè)要求，流量計(jì)的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于2.5級。 · 安裝現(xiàn)場條件應(yīng)滿足所選流量計(jì)對直管段的要求。 · 所選流量計(jì)應(yīng)

14、能適應(yīng)安裝現(xiàn)場環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾等。 · 所選流量計(jì)應(yīng)能適用于待測的液體介質(zhì)。    目前，在給水工程設(shè)計(jì)中，采用最多的是電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)。    a. 電磁流量計(jì)    電磁流量計(jì)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(gè)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(gè)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)。 

15、   與管道絕緣的兩個(gè)電極監(jiān)測液體的感應(yīng)電壓。磁場方向、流體流向及兩個(gè)檢測電極的相對位置三者互相垂直。    電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：· 測量不受被測液體的溫度、壓力或粘度的影響。 · 沒有壓力損失。 · 能連續(xù)測量，測量精確度高。 · 口徑范圍和測量范圍大，測量范圍連續(xù)可調(diào)。 · 與流速分布無關(guān)。 · 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。 · 穩(wěn)定性好，輸出為標(biāo)準(zhǔn)化信號，可方便地進(jìn)入自控系統(tǒng)。 · 變送器導(dǎo)管內(nèi)壁有襯里材料，具備良好的耐

16、腐、耐磨性。 · 轉(zhuǎn)換器體積小，消耗功率小，抗干擾性能強(qiáng)，便于現(xiàn)場觀察。    應(yīng)用于水處理系統(tǒng)的電磁流量計(jì)的襯里材料多選用氯丁橡膠，因其有較好的耐磨性。安裝時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)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(shí)，要求兩個(gè)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(shí)，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(dú)接地線，且接地電阻應(yīng)小于10，尤其是安裝在陰極保護(hù)管道上

17、時(shí)。如在天津水源廠出廠干管上安裝的電磁流量計(jì)，由于管道采用了陰極保護(hù)，防護(hù)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(gè)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(jì)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(hù)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(qiáng)電信號的干擾。    b.

18、超聲流量計(jì)    最近十幾年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，超聲流量計(jì)才得以應(yīng)用于流量測量。利用超聲流量計(jì)進(jìn)行測量的方法有很多種，其中較為典型的是時(shí)差法和多普勒法。凈水廠多選用時(shí)差法流量計(jì)，其方法是在測量管道上安裝兩個(gè)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(shí)間差，據(jù)此測出流速。    超聲流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)：· 安裝維護(hù)方便。隨著夾裝式傳感器的廣泛使用，在安裝和維護(hù)超聲流量計(jì)時(shí)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(jìn)行安裝，尤其適用于大口徑管道檢測系統(tǒng)。 · 口徑范圍大，且價(jià)格不受管

19、徑影響。 · 測量可靠性高。 · 無壓力損失。 · 不受流體參數(shù)影響。 · 輸出標(biāo)準(zhǔn)化直流信號，可方便地進(jìn)入自控系統(tǒng)。    選用超聲流量計(jì)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(jì)的測量原理，只有流速分布均勻時(shí)才能保證測量的精確度，所以在流量計(jì)的上下游要有足夠的直管段，參考各種資料及流量計(jì)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(jìn)行不間斷計(jì)量是極為重要的，所以一般安裝于管道上的流量計(jì)不能經(jīng)常

20、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(jì)，按周期送國家認(rèn)證單位進(jìn)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(jì)。這需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)井做得稍大一些，除安裝固定式流量計(jì)外，還應(yīng)如圖1所示預(yù)留出便攜式流量計(jì)測量的空間。圖1 便攜式流量計(jì)預(yù)留測量空間示意圖    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(xì)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

21、。    凈水廠負(fù)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室(包括便攜式)濁度儀，就其設(shè)計(jì)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(qiáng)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

22、將散射光濁度儀作為測定儀器。同時(shí)，“供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)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(jì)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(shí)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(jìn)入濁度儀的中柱內(nèi)，上升至測量室并溢過其邊緣進(jìn)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

23、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：040NTU范圍內(nèi)為±2%，40100NTU范圍內(nèi)為±5%，分辨力為0.001NTU，響應(yīng)時(shí)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?yàn)殡m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

24、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(shí)帶來的信號丟失，如圖2所示。圖2 SS6系列表面散射式濁度儀測量原理圖    SS6系列的測量范圍為09999NTU，一般地表水廠的源水均在此范圍內(nèi)。它在02000NTU范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度為±5%，20009999NTU范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為±10%。    濁度儀取樣點(diǎn)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(diǎn)，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(jìn)取樣管而影響濁度儀的

25、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(jìn)行數(shù)字信號處理，實(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)未調(diào)試投運(yùn)階段或發(fā)生故障時(shí)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(shí)需要本地顯示與遠(yuǎn)程傳送，此時(shí)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。圖3 信號分配器接線示意圖    6. 儀表系統(tǒng)的接地和防雷    接地可分為保護(hù)接地和工作接地。保護(hù)接地是為避