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域。目前，國內凈水廠自控系統(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，每一個生產過程總是與相應的儀表及自控技術有關。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)調供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各水處理工藝之間的關系，以便使各種設備與設施得到更充分、合理的使用。同時，由于檢測儀表測定的數(shù)值與設定值可連續(xù)進行比較，發(fā)生偏差時，立即進行調整，從而保證水處理質量。根據(jù)儀表檢測的參數(shù)，能進一步自動調節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機組的合理運行，使管理更加科學化，達到經濟運行的目的。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。這類儀表采用國產表，其性能和質量基本能滿足要求。另一類屬于檢測水質的分析儀表，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品，從長遠觀點看是比較經濟、可靠的。
檢測儀表的好壞直接關系到給水自動化的效果。在工程設計過程中，從儀表的性能、質量、價格、備件情況、售后服務等方面進行反復比較，我們一般采用進口儀表和國產儀表相結合的方法。
三 凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構成模式及監(jiān)測參數(shù)
1. 凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構成模式
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)構成，按集中管理、分散控制的原則進行監(jiān)控。在工程設計中，將廠級計算機系統(tǒng)(即主站)設在水廠中心控制室，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筑物的位置、分散程度來定。一般地表水廠現(xiàn)場分站的設置是：進水泵房分站、反應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)
水質參數(shù)：源水濁度、pH值、水溫、溶解氧等。
運行參數(shù)：調節(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. 反應沉淀、加氯加藥分站
水質參數(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計中應注意的問題
1. 儀表選配的一般要求
(1)精確度：是指在正常使用條件下，儀表測量結果的準確程度，誤差越小，精確度越高。
生產過程物理檢測儀表的精確度為±1%，水質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)響應時間：當對被測量進行測量時，儀表指示值總要經過一段時間才能顯示出來，這段時間即為儀表的響應時間。一只儀表能不能盡快反應出參數(shù)變化的情況，是很重要的指標。對水質分析儀表要求的響應時間應不超過3min。
(3)輸出信號：儀表的模擬輸出應是4~20mA DC信號，負載能力不小于600Ω。
(4)儀表的防護等級應滿足所在環(huán)境的要求，一般應不低于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)儀表的工作電源應獨立，不應和計算機共用電源，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，設計選配的電壓及電流變送器的輸入信號應比電流及電壓互感器大，即分別為0~6A及0~120V。
(9)應選擇能夠提供可靠服務和有豐富經驗的儀表生產廠商。
2. 水位測量
選擇液位計時應考慮以下因素：(1)測量對象，如被測介質的物理和化學性質，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，當液位變化時，浮球將產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，其輸出端有開關控制和連續(xù)輸出。
在凈水廠的設計中，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面上液柱的靜壓就可測得液位。根據(jù)被測介質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
在容器內插入電極，當液位變化時，電極內部介質改變，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換成標準化的直流電信號。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，結構簡單、可靠；精確度高；檢測端消耗電能小，動態(tài)響應快；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節(jié)池、清水池等的液位測量。
當測量范圍不超過2m時，采用棒狀、板狀、同軸電極；當超過2m時，采用纜式電極。當被測介質為水時，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，以達到提高生產自動化水平，改善生產工藝條件，提高產品質量和產量的目的。另一種用于流量的計量，不僅計量產品的產量，還是供水企業(yè)主要技術經濟指標計算的依據(jù)。在供水企業(yè)最主要的8項經濟指標中，有3項指標是以流量計測量的數(shù)據(jù)為基礎的。
流量計的選型應考慮以下因素：
(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，流量計的準確度應不低于2.5級。
(4)安裝現(xiàn)場條件應滿足所選流量計對直管段的要求。
(5)所選流量計應能適應安裝現(xiàn)場環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾等。
(6)所選流量計應能適用于待測的液體介質。
目前，在給水工程設計中，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用法拉弟電磁感應定律，由傳感器和轉換器組成。
在測量中，液體本身為導體，磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產生。線圈由交流或直流電源勵磁，磁場作用于管道內流動的液體，在管道中產生一個與被測流體平均流速V相對應的電壓，且該電壓與流體的流速分布無關。
與管道絕緣的兩個電極監(jiān)測液體的感應電壓。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。
(5)與流速分布無關。
(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，輸出為標準化信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
(8)變送器導管內壁有襯里材料，具備良好的耐腐、耐磨性。
(9)轉換器體積小，消耗功率小，抗干擾性能強，便于現(xiàn)場觀察。
應用于水處理系統(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)，防止顆粒雜質沉積，影響電極工作。測量管內應為滿管，不允許大量氣泡通過傳感器，當不能滿足條件時，應采取相應措施。
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，傳感器應有良好的單獨接地線，且接地電阻應小于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壁和外壁之間是絕緣的，被測介質沒有接地電位，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使用以來，效果一直較好。
轉換器應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，由于電子技術的發(fā)展，超聲流量計才得以應用于流量測量。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)輸出標準化直流信號，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、管道內壁結垢、防腐層均勻與否，這些因素對測量結果影響很大。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，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，作為企業(yè)的標準器具，再用比對的方式定期檢測在線流量計。這需要設計人員在設計時應根據(jù)使用單位要求，考慮將來生產管理的需要，預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，還應如圖1所示預留出便攜式流量計測量的空間。
圖1 便攜式流量計預留測量空間示意圖
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，主要用于對水質的監(jiān)測和管理。
凈水廠負責供應居民生活用水和工業(yè)用水，供水的質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)的正常生產和產品質量。濁度是一項很重要的水質指標，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，準確度高，相對誤差小，重復性好，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系，故1992年9月世界衛(wèi)生組織公布的《飲用水水質準則》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年技術進步發(fā)展規(guī)劃”中已明確規(guī)定一類水司管網水濁度指標為1NTU。
在凈水廠設計中常用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，流經脫泡器以排空水流中的氣泡，然后進入濁度儀的中柱內，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，提高測量準確度。1720D的準確度為：0~40NTU范圍內為±2%，40~100NTU范圍內為±5%，分辨力為0.001NTU，響應時間為75s。
測量濾后水的濁度儀多安裝于濾站管廊內，可采用壁掛或柜裝，出廠水的測量一般在送水泵房設置水質儀表間，將濁度儀及其他水質檢測儀表置于儀表間內，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，因為雖然光學上能測到100NTU，但在生產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。
圖2 SS6表面散射式濁度儀測量原理圖
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。它在0~2000NTU范圍內的準確度為±5%，2000~9999NTU范圍內準確度為±10%。
濁度儀取樣點的選擇應與工藝專業(yè)緊密結合，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確度，水樣的提取最好用小型采樣泵取樣，保證取樣管內有一定流速，不易在管道內壁結垢。取樣管道的口徑應根據(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中，使用智能化的顯示儀表作為在計算機系統(tǒng)未調試投運階段或發(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
接地可分為保護接地和工作接地。保護接地是為避免工作人員因設備絕緣損壞或絕緣性能下降時遭受觸電危險和保護設備的安全。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。用電設備的外露可導電部分接到PE線上，其優(yōu)點是PE線在正常工作時不呈現(xiàn)電流，因此設備的外露可導電部分不呈現(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置或與保護接地共用同一接地體。從工程實踐經驗來看，接地電阻一般應不超過1Ω。
一般凈水廠設施分散，構筑物低矮，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
(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)設計人員應站在用戶的角度上，為用戶著想，在設計與選用儀表時，應做到：穩(wěn)定可靠，操作簡單，安裝方便，物美價廉，連續(xù)測量，反應靈敏，互換性強，便于維護。
(3)設計人員平時應注意技術資料的收集、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，設計人員應多下現(xiàn)場，對儀表的使用情況做跟蹤調查，了解儀表的工作情況，及時總結經驗，以利于今后的設計工作日
