摘要：
　　
　　水厂自动化迅速发展和问题不断出现是近年来水厂自动化zui显著的特点。
　　
　　随着自动化技术、系统控制设备和机电仪表设备的迅速发展，滤池自动化、药剂投加自动化、泵站自动化、水质检测自动化技术的日趋成熟，水厂自动化工程实施在国内大中型城市已具备较好的技术环境。事实上，自上个世纪90年代起，国内水厂自动化得到了长足的发展。
　　
　　目前国内在新建和扩建大中型的城市水厂时，主要依靠引进外资和全套设备技术，水厂自动化工艺平均水平较高；而中小型水厂主要通过改造旧水厂实现自动化，其特点为：设计工作以本土化为主，设备选型中外结合。由于中小水厂技术力量相对薄弱，自动化在生产中的维护存在一定技术难度。国内水厂自动化虽然有了长足的进步，但是受国内经济、技术条件的限制，水厂自动化是在一定条件下实现的，以水厂泵站自动化为例，国产电机、开关柜等设备质量往往达不到自动化控制要求，加之供水管网缺乏统一规划，造成泵站自动化设备只能依赖进口设备，导致投资大，效益不明显、维护费用高，而且很多水厂的泵站自动化仅能实现水泵自动切换和调速。
　　
　　根据从事自动化设计及改造的实践，参考水厂运行管理方面的经验后认为：国内水厂自动化已形成一定的模式，同时也存在一些比较明显的问题需要我们在实践中加以解决。
　　
　　一、水厂自动化设计的主要模式及注意问题
　　
　　可编程序控制器和计算机的应用，是水厂自动化的特征。现在国内多采用三种控制系统；SCADA、DCS、PLC+PC。其中PLC+PC控制器比较流行。利用该系统可实现集散控制，系统稳定性能好，开发、操作简便，较好的满足了国内水厂自动化的监控、保护要求。采用PLC+PC系统的水厂自动化控制工艺设计一般采用下面的模式。
　　
　　1.1通讯主站
　　
　　大中型水厂主站主要配置3台监控电脑：1台处理生产数据报表，2台生产监控（一用一备）。生产监控电脑配置故障报警打印功能及实时打印报警项目。主站一般设置报警铃加强报警功能。根据实际需要，还可以在管理部门办公室设置监控电脑，以便管理者及时了解生产情况。
　　
　　在设计时应充分考虑网络通讯线的干扰问题。通讯电缆不要有驳口，虽然通讯电缆有屏蔽层，但是还应在通讯电缆外再加金属管加强屏蔽为妥（通讯电缆包括仪表信号通讯线），走线应该避开强电设备，例如变压器、高压电缆，避免产生电磁干扰。
　　
　　1.2投加站
　　
　　投加站设备以自控系统、执行机构、仪表为主。自控系统一般采用PLC，主要负责完成投加站数据的采集工作，在投加站设计中，普遍存在一个问题，就是PLC没有*采集仪表及设备的输出信号。由于各个水厂使用的仪表设备不同，设计人员设计时没有充分了解设备功能，缺乏对设备辅助数据的监控功能。一般配置的执行机构有：投氯、投氨设备、投净水剂（混凝剂及助凝剂等）设备、漏氯、漏氨报警器、氯、氨瓶磅秤及流量计等。有的水厂还配置了净水剂搅拌设备、烧碱投加设备。对于生产数据，主要采集加氯机、加氨机的投加量、计量泵冲程、频率及磅称数值等，对于设备中的高、低真空调节阀等开关量的报警点的采集比较少。这些开关量报警信号能够为设备维修提供明确的指导，有利于生产者管理维护设备。尤其适用于一些技术力量不足的中小水厂。投加站一般设置一个水质仪表室，布置原水高浊度仪、流量计，部分水厂还设置了氨氮计。在实际运行中，应将投加站仪表传感器的使用周期编制成相应的报警程序，及时提醒生产人员维护和更换。
　　
　　1.3反应池、沉淀池站
　　
　　该站控制设备包括排泥阀、排泥机两部分。对于排泥阀，可实现自动周期排泥、电脑遥控排泥两种工作方式。设置排泥程序要考虑一个具体问题：由于水厂排污管或污水池体积限制了排污水量，要将滤池排污、排泥机排污与反应池排污阀排污分开进行，并且要把排污阀分组排水，保证生产安全性。
　　
　　近年来建设的水厂多采用平流式沉淀池，池底沉泥不是均匀分布，排泥机必须变速行走。现在的平流池排泥机多为有级调速运行，利用平流池上设置的几个行程开关控制运行速度。根据池底沉泥规律，能设计成无级调速运行，可以节省生产水耗、排泥更*。
　　
　　1.4滤池及反冲洗站
　　
　　该站主要完成滤水及协调风机房反冲两项控制任务，一般将滤池工作状态分为3种：停水、滤水、反冲洗。主要采集滤池水位、水头损失信号、处理反冲洗排队、zui大工作周期设置等工作。
　　
　　在滤水状态下，控制程序都是利用的控制功能实现恒水位过滤，设置遥控滤池排泥阀、滤阀开度操作，以处理突发生产问题。在停池状态下，设置所有阀门遥控操作的程序，以方便检修等生产工作。
　　
　　滤池反冲洗依靠周期及水头损失两个参数来启动，但水头损失启动反冲洗的机会很少，而且水头损失压力计经过长期运行，需经常校正，如果不及时校准，其数据往往不可靠。气水混合反冲洗分为5个价段：滤池排水气冲洗、气水混合冲洗、水冲洗、滤池进水。利用罗茨风机冲洗滤池，启动风机时噪声大，利用变频器进行软启动能够较好地降低噪声污染。在水冲洗、气冲洗、气水混合冲洗过程中，所需气、水量不同，多采用1台风机和1台水泵。正在建设中的惠州市江北水厂就采用了新的反冲工艺：在气、水单纯反冲洗时，分别采用2台风机、2台水泵；气水混合冲洗时，采用1台风机和1台水泵。这样就使反冲洗的气、水流量趋于合理，但随之而来使控制程序复杂化。
　　
　　反冲设备可以采用国产设备，为了克服国产电机启动柜内设备的故障问题可以在相关的继电器上采集监控数据，利用软件及时发现启动柜在启动或运行时产生在故障，防止事故进一步扩大。
　　
　　1.5一、二级泵站
　　
　　泵站自动化主要包括：监控水泵运行、采集出厂水质数据。
　　
　　水泵及电机主要采集的数据包括电机温度、水泵前后轴承温度、水泵出口压力等。以往的泵站自动化有较多例子采用变频控制两级泵站恒压供水，由于城市管网布局等原因，这项技术的经济效益不明显，现在的水厂有很大部分仅仅保证一级泵站自动化，二级泵站半自动化。
　　
　　出厂水检测仪表主要包括：清水浊度计、流量计、余氯检测计、压力计、PH计等。在水厂自动化设计中，原水及出厂水仪表的采样点直接影响到仪表检测的实时性、准确性，从而影响到自动化控制。如佛山市沙口水厂的后加氯点在清水池前清水池进水管无混合器，余氯采样点设在二级泵站的出水管上，产生了后氯投加与余氯检测长达2h的滞后，造成后加氯量变化十分明显。后来在二级泵站集水井增加辅助投氯点，将余氯检测滞后缩短到15min，改善了原来的加氯情况。所以在自动化设计工作中，自动化的设计应与工艺系统设计紧密，才能保证整个系统实现自动化控制。
　　
　　自动化水厂的防雷问题不能忽视，早期运行的自动化水厂由于缺乏防雷措施，其义表及控制系统因雷击损失严重。以PLC系统为例，由于仪表串入雷电，造成AD转换模块损坏的事故常有发生。近两年来，防雷器产品大量出现，自动化水厂防雷投资很低，但其保护效果十分明显。
　　
　　随着自动化的普遍应用，自动化程度的可靠性和安全性问题也逐渐引起重视，较多水厂在设计中考虑增加闭路电路监视系统，对一些关键生产场所进行直接监视。现在的闭路监视系统已具备了简单的报警功能对水位异常等简单问题能够生产报警，目前，闭路监视器已逐渐成为水厂自动化系统的重要部分。
　　
　　二、水厂自动化的发展方向及生产管理
　　
　　2.1降低投资，提高设备国产化使用比率及控制软件的智能化程度
　　
　　在上个世纪90年代初，在水厂自动化设计中，过分依赖进口设备，导致系统投资居高不下，性价比不高，在生产运行中也没有得到很好的实施，导致投巨资建设的自动化系统，成为一种时髦而昂贵的摆设。随着质优价廉的国产设备投入水厂自动化的建设，水厂自动化设计中国产设备比率在不断地提高，迫使国外的设备，价格不断下降，性价比不断上升，正是国产设备的应用，不仅在自动化的水平和性能上有了大大的提高，而且使系统的投资不断下降。事实上，很多水厂自动化是建立在合理选择控制设备的基础上，以国、内外设备组合进行配置，有效地降低了自动化投资。另外在自动化运行过程中，常常出现设备误动作或故障的现象，需要自动化设计工作中加强控制系统可靠性，提高控制程序智能化程度。技术人员要熟悉设备的性能，准确设定设备监控报警信号，发挥自动化监控及保护的功能，加强设计方案的安全性和可靠性。
　　
　　2.2改造老水厂，实现水厂更新换代
　　
　　改造老水厂成为当前水厂自动化工作中的一个重要任务之一。老水厂的工艺、布局、设备千差万别，每个水厂改造都要具体分析，只有把自动化技术与生产工艺合理结合，才能达到成功改造、节约投资的目的。
　　
　　目前大多数老水厂的改造工作主要是提高净水系统自动化程度，这是在现阶段根据实际情况作出的选择。净水系统的两大工艺滤池和投加又是其中的重点。
　　
　　滤池根据不同的类型，所用设备不*相同，自动化滤池配置的主设备是：滤池水位、水头损失监测、滤后水阀门、反冲洗阀门、水泵（风机）等，其中监测仪表多使用进口设备，可靠性相对较好；阀门、水泵（风机）的产品很多，性能差距很大，在设计选型中出现了很多问题。对于滤池系统，自动化改造主要有以下几个方面：
　　
　　A、根据滤池水位的变化，调节滤后水阀门的开度，实现恒水位过滤。先根据实际现场条件，确定恒水位点（a点），通过编程，可将恒水位输入程序中。当进水量增大，水位高于a点时，RN变送器将立即将水位变化情况传至滤池PLC从站。这时，PLC通过运算比较，将产生控制信号，增大滤后水阀门的开度，从而使水位下降至a点位置。相反，当水位低于a的位置时，PLC从站将产生控制信号，减少滤后阀门的开度，使水位上升至a点位置时，PLC从站将产生控制信号，减少滤后阀门的开度，使水位上升至a的位置。这样，通过这种控制方式，可以保证滤池在恒水位状态下过滤；保证滤池运行的安全和滤后水质量。在每一滤池，都必须安装阻塞传感器。阻塞传感器将滤池滤料的阻塞程度以标准信号方式（例如4-20mA对应0-250cm水柱）输入至PLC从站，当阻塞值大于PLC中的设定值时（一般可设为180cm水柱），PLC会产生相应的控制指令，启动反冲洗水泵，鼓风机以及相应的各种阀门，进行滤池自动反冲洗，并实现对冲洗水泵和鼓风机循环控制。
　　
　　B、过滤效果决定于滤料结构，能否经常维持这个效果决定于合理冲洗。在一定的原水水质，混凝剂加注条件和滤速条件，过滤效果决定于滤层。滤层越细，越深，越均匀，过滤效果越好；滤层越粗，越深，越均匀则含泥能力越大，即允许的过滤周期，滤速或进水浊度可以更高。1970年后美国普遍使用双层滤料，0.5m煤（Es=1.0mm,Uc=1.5）,0.25m砂（Es=0.5mm,Uc=1.5）。这里Es为有效值径；Ue为均匀系数。1980年后深层（1.8m）粗粒（Es=1.3mm,Uc=1.5）煤，下面0.3m砂（Es=0.75mm）（或者没有）的滤层盛行起来。近年来国内较多使用粗粒（d=0.95mm）深层（L=1.2m）砂滤层。粗粒深层滤料即使较高的滤速（15～20m/时），出水浊度仍可≤0.1NTU。为了保证过滤效果，滤层厚度L与有效直径d之间宜维持一定比例，普通砂滤池和标准双层滤池L/d≥1000，粗粒深层滤池L/d≥1300，为使出水浊度达到0.1NTU，双层滤池及粗粒深层滤池如不加聚合物助凝剂时，L/d比需在此基础上增加25%。Kawamura教授总结美国水厂滤池运行经验认为，当滤层厚度＜0.9m时，表面冲洗和气水冲是同样有效，表面冲洗不亚于气水冲洗。当＞0.9m时宜用气水冲洗加（或不加）表面冲洗。现有水厂滤池的技术改造受滤层深度甚至冲洗强度的制约，为提高过滤效果，常规滤池翻砂时宜改为均粒滤料，其深度要尽量利用，均匀系数宜尽量小，有效粒径为厚度的1／1000，冲洗强度能满足新滤层的需要，否则加表面冲洗，是否较*地改造为粗粒深层滤池决定于技术经济比较。
　　
　　C、在对旧水厂滤池的改造中，通过实践显示，对虹吸滤池、无阀滤池、双阀滤池和普通快滤池等进行改造，可使原滤池产水量倍增，为原来的1.5～2倍，比法国德利满V型滤池的效率高20%～30%，水质大大优于原滤池，达到国家规定的要求。反冲洗系统采用气水反冲洗，配水配气采用塑料滤砖，反冲洗效果好，池型结构简单，造价低。所有阀门可采用气动阀门，正常过滤时可在停电时运行，其恒水位调节控制为无动力控制系统。改造后的滤池具有现代化滤池的所有特点。由于反冲洗性能优越，大大节约了水厂耗水量，仅为原来的十分之一，且反冲洗*，对于降低水厂消耗，节约水资源具有重大意义。一般水厂反冲洗耗水量为产水量的5%～10%，以运行状况较好的滤池，取5%的耗水量，对于日产1万吨的水厂，日耗水量500吨，年耗水量18万吨，而新型滤池的年耗水量仅1.8万吨，节省16.2万吨；如水费为1.5元/吨，则每年节约24.3万元；对于10万吨／日的水厂，每年节省的费用仅反冲洗水耗一项，就有243万元。--也就是说，一般都能在一年不到收回改造成本，同时对于供水能力成倍增加，一个水厂变成二个水厂或三个水厂。这样投资少、工期短、见效快，免去了兴建或扩建新水厂的巨额投资，其经济效益不可*。
　　
　　水厂投加系统，尤其是净水剂投加方面，现场技术人员进行了大量研究。对于投加净水剂的实践研究应用，下面的例子较好地体现了其发展特点。福州东南区水厂高位药池重力投加自动化改造，体现了新旧工艺结合的特点。该厂的改造抓住了投药自动化的本质原理，利用反馈信号控制调节阀，不改变原来的建筑结构，仍然依靠重力作为投加动力。改造工作不仅节约了土建设备投资，而且新旧生产系统较好地结合。镇江金西水厂的投矾自动化改造，利用原水流量计和滤前水浊度计构成控制系统。针对在控制净水剂投加时预防突变因素的功能较弱，上海闵行水厂利用的模糊控制功能对信号进行改善，使投加量随原水参数变化的实时性得到加强，当原水流量变化率时，滤前水浊度能够保持在5NTU左右。这些例子都成功地实现了老式水厂净水剂投加的自动化改造，投资成本低、效果比较好。都涉及到自动化系统的研究，体现了国内水厂自动化技术深入发展的趋势，技术人员从过去的单纯引进阶段，进入自行研究时期。
　　
　　厦门飞华水务环保科技公司在水厂自动加矾投加系统的工程实施中，自主开发研制了一套自动化加药系统，该控制系统以浊度控制为主线，系统采集原水流量、原水浊度控制为主线，系统采集原水流量、原水浊度和模拟斜管浊度进行复合运算，同时考虑沉淀出水的浊度变化情况，在线寻优获得*的加药控制量。在保证沉淀出水达标的情况下合理降低加药量，在原水流量变化的情况下及时调整加药量，在原水停止的情况下自动停止加药。人机界面采用工业控制计算机和21"显示器，可以将系统并入到工厂现有的管理网络中，可进行远程数据查阅和系统调整。可以在线动态选择不同药剂配方，在线调整控制参数。系统配套远程服务软件，及时在线解决用户的难题。系统主要包括以下几个部分：现场数据采集处理系统、变频控制系统、计量泵药液投加系统等。各部分的功能特点如下：
　　
　　A、现场数据采集处理系统，采用Modicon公司（或AB公司、SIEMENS公司等）的模块式PLC，处理器选择TSXPremiumP57203M,配备MB+网卡，可与其它站PLC通讯，该系统具有硬件可靠，软件功能强大，是净水站实现自动化控制的可靠保证。
　　
　　B、变频控制系统主要包括两部分：变频控制及PLC控制：变频器选用施耐德公司的产品，具有性能稳定、运行可靠，选用2台计量泵，变频器选用2台，设置一套控制柜，控制计量泵投药系统；控制柜控制2台计量泵的工作状态（包括计量泵的启动、停止、手动、自动及运行频率），同时采集变频器的输出频率。变频柜PLC通过MB+网与泵房PLC相连，可通过泵房内PLC对其进行集中监控。
　　
　　C、计量泵药液投加系统主要包括以下几部分：1、计量泵主机（选用精密机械隔膜计量泵）；2、Y型过滤器：安装于计量泵与药池之间，滤除药液中的渣滓；3、均流器：安装于计量泵的出口，均衡计量泵出口流量同时减少药液对管道的冲击；4、安全溢流阀：安装于计量泵的出口，防止管道堵塞产生高压对管道及模片的损坏；5、背压阀：防止计量泵倒流及虹吸现象；6、玻璃转子流量计：对加药量进行直观显示；7、可选配自动冲程调节器；
　　
　　相关仪表主要是浊度仪，采用带清洗装置的浊度仪，通过驱动安装于浊度仪清洗口的ABS电动球阀，对浊度仪的取样筒定时清洗。
　　
　　2.3加强水厂自动生产运行管理
　　
　　自动化水厂的生产管理是水厂自动化应该考虑的问题。在实际生产中，不少水厂经过几年运行，自动化变成手动，这种现象多出现在早期建设的自动化水厂中。出现这种现象的原因是多方面的。其一是设计思想、方案不清晰，与实际水厂生产管理脱节。比如，有的水厂在自动化设计的同时，增加了过多的手动操作设备，不仅造成重复投资，还使生产人员生产了不正确的依赖心理。另外由于技术人员不了解生产实际情况，其设计往往与生产实际有出入，造成自动化设计局部失败。第二个原因是生产管理人员没有认识到水厂自动化的管理方法。有的水厂将职工仍然按照老式水厂生产模式，片面地把人员划分为电工、机械工、制水工和泵房值班机电工等。各岗位明显的条块分割，不*适应水厂自动化生产的需要。自动化水厂应该以控制的系统为单元进行安全效益生产管理，不同于老水厂以孤立的设备落实管理制度。第三，管理人员不能切实掌握自动化水厂的技术维修工作。目前流行的控制系统虽然具有较好的可靠性，经过数年运行后也会因设备老化出现不同的故障。由于网络通讯线老化引起的通讯误报警、出现组件变形导致接触不良、个别组件输入点损坏等等，这些都要求生产管理人员根据实际情况及时处理设备维护问题。
　　
　　三、水厂自动化的设备选型
　　
　　设备选型工作是水厂自动化系统设计的一个重要环节，选择设备要满足控制要求，同时应注意设备投资的经济性。目前在水厂自动化设计中，可编程序控制器、主要水质仪表、滤池阀门、投加自动化设备多选用进口设备。
　　
　　3.1合理选择进口设备
　　
　　选择进口设备要实际了解其工作性能，这样可以合理选择到性价比高的设备。例如水厂投加、水质检测自动化设备，进口设备报价就有很大差别。一些开发中国市场较早的外国公司，例如首都，W&T，市场较广，进入中国市场早期报价较高，其报价降低幅度不大，同样的设备报价要高出其它公司1/3左右。相反对于一些市场面不大的公司，例如爱尔多斯公司、霍尼威尔等公司的报价相对较低，其设备性能也基本相同。由于这些公司产品使用不多，其性能不为大家熟悉，在使用过程中可能需要进行某些技术摸索，所以选用较少。如果企业具有一定的技术力量，就应该抓住有利的市场形势，采用他们的产品，可以大大降低水厂自动化投资。通过广泛了解进口设备，不难发现同一家公司或销售商的不同设备报价也有区别，这也为我们在选择控制设备时降低投资提供了条件。
　　
　　控制设备PLC的国外供销商纷纷进入中国市场，比较流行的PLC品牌包括美国AB、德国西门子、日本三菱以及法国、西班牙、韩国的产品。美国AB公司PLC软件功能比较齐全（目前只有AB公司的产品具有专门的模糊控制功能），但价格较高，三菱PLC价格相对低廉，能够满足水厂自动化控制的要求。另外，监控制软件也是自动化设计需要选择的，比较的监控软件是美国的FIX软件，另外还有国产组态王、中国台湾的炎黄，以及很多专业公司的配套软件，均能实现一定规模的水厂自动化监控要求。
　　
　　3.2合理配置国产设备
　　
　　目前在自动化设计工作中，选择国产（或中外合资）控制检测设备较可靠的包括：压力传感器、流量计、浊度计、流动电流控制仪、监控电脑、各种电缆、防雷器等等。有较多品牌的产品以供选择，只有选用了产品质量好的控制设备才能符合水厂自动化控制的要求、达到设计可靠性要求。一般来说，采用进口技术的合资或独资企业的产品可靠性可以与进口设备媲美。例如V型滤池采用的水位计、堵塞度计及采用E+H公司技术的国产产品，其性能、外观和进口产品*相同，报价却相差1/3以上。通过了解产品性能，在设计中将不同设备合理地在水厂控制系统中应用，是降低水厂自动化投资的*途径。所以在水厂自动化设计工作中，合理地选择设备能够较大幅度降低投资。
　　
　　水厂常见的滤池是气水反冲洗V型滤池，水厂自动化的重点之一就是滤池站。滤池管廊基本使用气动蝶阀，有欧洲及美国多家产品都在各地水厂使用，国产气动阀门使用较少。在实际自动化改造中，可以将部分滤池阀门选用国产气动阀门，生产性能也比较好。
　　
　　水厂自动化设计和改造，应遵循安全可靠及经济的原则，总结经验，将自动化技术和制水工艺有机地结合，在实践中不断发展和提高水厂的自动化水平。