淺談在線儀表在水廠建設(shè)中的應(yīng)用

宋悅晨

（北京市自來(lái)水集團(tuán)基建工程管理分公司，北京 100000）

關(guān)鍵字：自動(dòng)化；自來(lái)水廠；PLC；以太網(wǎng)；在線儀表

近年來(lái)為緩解北京西部地區(qū)供水壓力，按城市總規(guī)的要求、配合南水北調(diào)總體水資源配置規(guī)劃，根據(jù)《北京市南水北調(diào)配套工程2012～2014年行動(dòng)計(jì)劃》新建了石景山水廠。工程永久占地6.10公頃，其規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，此工程于2021年6月10日完成預(yù)進(jìn)水工作并進(jìn)入全廠全面調(diào)試階段。水廠的基本工藝流程如下圖：

1.石景山水廠自動(dòng)控制儀表系統(tǒng)的組成

1.1 全廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，石景山水廠全廠自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由9個(gè)PLC控制分站組成，即PLC1～PLC9分站，每個(gè)PLC分站下的PLC子站采用modbus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊與設(shè)備及儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，分站的數(shù)據(jù)通過(guò)雙絞線上傳至每個(gè)分站交換機(jī)柜內(nèi)的自控以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)1000MbpS工業(yè)以太網(wǎng)相互串聯(lián)并與中控室的以太網(wǎng)核心交換機(jī)組成光纖環(huán)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制層與上位管理層間的數(shù)據(jù)通訊。中控室的上位管理層設(shè)置兩套操作站、兩套工程師站、一套大屏幕及控制計(jì)算機(jī)、兩臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器、兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)雙絞線連接至以太網(wǎng)交換機(jī)并通過(guò)4芯多模光纖與綜合樓交換機(jī)相連以實(shí)現(xiàn)與綜合樓管理計(jì)算機(jī)及水質(zhì)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。綜合樓交換機(jī)通過(guò)4芯多模光纖與全廠總交換機(jī)相連再通過(guò)集團(tuán)專網(wǎng)上傳至自來(lái)水集團(tuán)總公司。

圖1 石景山水廠工藝流程圖

圖2 石景山水廠全廠自控拓?fù)鋱D

1.2 水廠常用在線儀表

水廠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)需要大量的在線儀表作為基礎(chǔ)搭建而成，合理地選型和配備至關(guān)重要。為了更好地應(yīng)對(duì)日常的技術(shù)管理以及維護(hù)維修工作，掌握儀表的基本原理也是非常必要的。

1.2.1 壓力變送器

壓力變送器（通常也作為液位變送器）是水廠中常用的工藝參數(shù)傳感器之一，多用于制水各工藝段的輸水管道壓力（靜壓）以及水池水位的測(cè)量。其物理原理是將氣、液等介質(zhì)的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器的轉(zhuǎn)換功能特性并與外圍電路相配合變換為與原始被測(cè)物理信號(hào)成比例關(guān)系的電信號(hào)傳至自控系統(tǒng)。

通常的壓力變送器類型主要有：壓電式，壓阻式，電容式等。

壓電式壓力變送器是壓電效應(yīng)的具體應(yīng)用，它是利用某些晶體在受到外界壓力時(shí)其表面會(huì)產(chǎn)生電荷這一特性，電荷的數(shù)量與外施壓力存在固定的比例關(guān)系。

但由于在壓力不變或變化緩慢時(shí)所產(chǎn)生的電荷易通過(guò)外部電路泄漏，所以壓電式變送器不能用于靜態(tài)壓力測(cè)量而適合動(dòng)態(tài)壓力的測(cè)量。

電容式壓力（差壓）變送器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而形變時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路即可輸出與之一定關(guān)系的電信號(hào)。其機(jī)理公式為：

其中εr為相對(duì)介電常數(shù)，S為橫截面積，為真空介電常數(shù)，即ε，d為薄膜與固定0電極之間的距離。

壓阻式壓力變送器是利用半導(dǎo)體的電阻率隨承受的壓力而改變的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體晶片的受力部位依照不同的晶向刻蝕出四個(gè)擴(kuò)散電阻，組成四臂惠斯頓壓阻電橋。當(dāng)外力作用下，因電阻變化并與外部電路相連產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)與外施壓力信號(hào)相對(duì)應(yīng)。具有低廉價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。因此在水廠中得到應(yīng)用。

1.2.2 流量?jī)x表

水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中流量?jī)x表是對(duì)所處理的水量進(jìn)行積累，并掌握運(yùn)行中水量的瞬時(shí)變化。水廠在通常情況下，將流量?jī)x表安裝在處理前水進(jìn)口及處理后水排放口。在現(xiàn)代水廠中應(yīng)用最為廣泛的兩種流量計(jì)為電磁流量計(jì)及超聲波流量計(jì)。

電磁流量計(jì)的基本原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電流體通過(guò)磁場(chǎng)作切割磁感線運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。具體為在管道上安裝電磁線圈，流動(dòng)的液體作為切割磁力線的導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與流體的流速成正比關(guān)系。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變、管道直徑D一定時(shí)，流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)E的大小僅與流體的流 v 速有關(guān)。其機(jī)理公式為：

綜上，電磁流量計(jì)所測(cè)得的流速與流量均為瞬時(shí)值，因此它是理論上精度最有優(yōu)勢(shì)的流量計(jì)也是在現(xiàn)代水廠中應(yīng)用最為廣泛的流量計(jì)。

超聲波流量計(jì)測(cè)量屬于非接觸式測(cè)量。它通過(guò)發(fā)射超聲波，穿過(guò)流動(dòng)的流體，被接收后，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理反映出流體的流速。根據(jù)流速便能算出流量。其基礎(chǔ)公式如下：

V：待測(cè)介質(zhì)流速；θ：聲束與液體流動(dòng)方向的夾角；M：聲束在液體的直線傳播次數(shù)；D：管道的內(nèi)徑；T順：聲束順流時(shí)的傳播時(shí)間；T逆：聲束逆流時(shí)傳播的時(shí)間；以及客觀的已知不變量V聲：聲速。

根據(jù)以上關(guān)系，可以看出超聲波流量計(jì)測(cè)量測(cè)得的流速為上、下游傳感器間的平均速度，即流量也為平均值。因此其在測(cè)量精度上較電磁流量計(jì)欠佳。不過(guò)，它有幾乎不受被測(cè)介質(zhì)的各種參數(shù)干擾的特性，尤其可以解決其它儀表不能解決的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問(wèn)題。例如，石景山蘋(píng)果園反滲透水處理站在反滲透處理前端安裝了電磁流量計(jì)用于進(jìn)水流量測(cè)量，而反滲透處理后則安裝超聲波流量計(jì)測(cè)量出水流量，其原因就是由于經(jīng)反滲透處理后的水體導(dǎo)電性近似于純水為非導(dǎo)電體（而這種情況很容易被忽視）。超聲波流量計(jì)恰好為此種環(huán)境下的合理選擇。

1.2.3 水（泥）質(zhì)分析儀表

通常情況下，水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中分析儀表主要有pH儀、濁度儀、余氯分析儀及溫度計(jì)。其中余氯儀應(yīng)用于濾池后出水及出廠水處，主要測(cè)量水中游離余氯的濃度；pH儀應(yīng)用于原水進(jìn)廠處及出廠水處，主要測(cè)量水體的酸堿度；濁度儀應(yīng)用于原水進(jìn)廠處及機(jī)加池排泥間沉淀后出水處，對(duì)水廠中水懸浮物的濃度給予檢測(cè)；溫度計(jì)應(yīng)用于在特殊季節(jié)對(duì)水體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以預(yù)防水體結(jié)冰而導(dǎo)致供水不利。

1.2.4 液位儀表

液位儀表也是水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的檢測(cè)儀表，其作用在于根據(jù)池體液位的實(shí)時(shí)情況及工藝需要對(duì)進(jìn)出水閘閥的開(kāi)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。其中靜壓式液位計(jì)及超聲波液位計(jì)在現(xiàn)代水廠中應(yīng)用最為廣泛。

靜壓式液位計(jì)通過(guò)被測(cè)液面與基準(zhǔn)液位的壓力差來(lái)測(cè)定。這種方法是根據(jù)液柱靜壓與液柱高度成正比的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此稱為靜壓法。靜壓式液位計(jì)的探針投入被測(cè)液體中，探針處受到的液體壓強(qiáng)（力）P= ρ·g·h 。

超聲波液位計(jì)是由換能器(探頭)發(fā)出高頻超聲波脈沖，遇到被測(cè)介質(zhì)表面被反射回來(lái)，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=C×T/2。

1.3 石景山水廠在線儀表的選取

在石景山水廠建設(shè)中，自動(dòng)化控制設(shè)備和在線檢測(cè)儀表的選型遵循可靠性高、使用方便、安裝及維護(hù)簡(jiǎn)單和價(jià)格合理的基本原則，并嚴(yán)格遵照《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T20507-2014選擇其行業(yè)中的主流產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)上預(yù)留擴(kuò)充空間。

1.3.1 壓力變送器

石景山水廠的壓力變送器主要設(shè)在各工藝管道檢測(cè)管道壓力（靜壓）以及各水池水位。依據(jù)常用壓力變送器的特點(diǎn)（在水廠在線儀表及基本原理一節(jié)已有說(shuō)明），水廠選用了壓阻式壓力變送器（配套儀表）。分別在進(jìn)水組團(tuán)的提升泵房，預(yù)臭氧接觸池的增壓泵房，排泥池，濃縮池及配水泵房配備了該儀表，以測(cè)量提升泵，增壓泵，排泥 泵及配水泵泵后的管道內(nèi)壓力和水池水位。

1.3.2 流量?jī)x表

由于本廠水線及泥線的主要工藝環(huán)節(jié)中不含有非導(dǎo)體待測(cè)介質(zhì)，因此均選取精度更好的電磁流量計(jì)作為主要流量測(cè)量?jī)x表。

石景山水廠主要流量計(jì)分布如下：進(jìn)水組團(tuán)前進(jìn)水閥室2臺(tái)DN1400電磁流量計(jì)；格柵間進(jìn)水管（位于進(jìn)水組團(tuán)出水后）2臺(tái)DN1200電磁流量計(jì)；濾池總進(jìn)水管（單管）1臺(tái)DN1000電磁流量計(jì)；泥線機(jī)加池出水管2臺(tái)DN350電磁流量計(jì)；排泥池2臺(tái)DN400電磁流量計(jì)；濃縮池出泥管2臺(tái)DN150電磁流量計(jì)；污泥平衡池2臺(tái)DN150電磁流量計(jì)；配水泵房4條配水支管各一臺(tái)DN800電磁流量計(jì)；配水泵房總出水管1臺(tái)DN1800電磁流量計(jì)。

1.3.3 水質(zhì)分析儀表

石景山水廠分別在進(jìn)水組團(tuán)的提升泵房進(jìn)水處、濾池管廊間及配水泵房出水處配備了全套的水質(zhì)儀表柜（包含pH/溫度計(jì)，濁度儀，余氯分析儀、顆粒計(jì)數(shù)儀等），并在水線機(jī)加池的6個(gè)池體分別配置了濁度儀。用于監(jiān)控重要工藝環(huán)節(jié)前后的水質(zhì)，從而調(diào)控加藥工藝。出于對(duì)經(jīng)濟(jì)與精度平衡的考慮，提升泵房處的濁度計(jì)選用了100NTU的高量程濁度儀，而配水泵房，機(jī)加池以及濾池處的濁度計(jì)選用了0-20NTU的低量程濁度儀。由于進(jìn)水組團(tuán)提升泵房處的水質(zhì)接近于原水，水體的濁度相對(duì)較高而且并不穩(wěn)定，因此我們?cè)诖颂庍x擇了更為經(jīng)濟(jì)同時(shí)也更適宜的高量程濁度儀；配水泵房后的出水要打入城市的供水管網(wǎng)，所以此處的濁度須滿足城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，此處選擇了精度更優(yōu)秀的激光濁度儀，從而對(duì)出廠水濁度進(jìn)行嚴(yán)格的把控。

1.3.4 液位儀表

石景山水廠由于在進(jìn)水組團(tuán)集水池處水體氣泡較多震蕩較劇烈，水體內(nèi)雜物藻類含量高，介質(zhì)不均勻因此在該處選取了靜壓式液位計(jì)。廢水回收池、機(jī)加池、清水池以及泥線的排泥池和濃縮池等工藝環(huán)節(jié)全部選用了超聲波液位計(jì)。濾池處的液位計(jì)數(shù)量較多，一般出于經(jīng)濟(jì)的考慮多選取靜壓式液位計(jì)，而近年來(lái)某些水廠運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)靜壓式液位計(jì)的探針常常在濾池完成反沖洗過(guò)程后被埋入濾料層以下，影響正常的工藝運(yùn)行。處理時(shí)通常需要該池退出運(yùn)行并借助人工將探針挖出。不僅處理起來(lái)十分麻煩同時(shí)還加大了其他池體的運(yùn)行負(fù)荷。通常濾池水位在運(yùn)行時(shí)變化相對(duì)平穩(wěn)無(wú)大體積雜物，所以石景山水廠濾池水位液位計(jì)選用了無(wú)接觸式的超聲波液位計(jì)。

2.水廠調(diào)試中的問(wèn)題及總結(jié)

石景山水廠初步試運(yùn)行前期階段，濾池的超聲波液位計(jì)出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)較大的問(wèn)題，有工作人員認(rèn)為是液位計(jì)質(zhì)量問(wèn)題，曾聯(lián)系儀表廠家對(duì)問(wèn)題整改。但其實(shí)真正原因是：石景山水廠由于工期緊張，在試運(yùn)行初期階段，進(jìn)水組團(tuán)的預(yù)加藥系統(tǒng)及機(jī)加池的斜管均為處未就緒狀態(tài)。當(dāng)時(shí)濾池的水體雖為靜置態(tài)但水體介質(zhì)并不均勻，水體中混有造成傳聲障礙的雜物，從而影響了儀表的測(cè)量效果。

試運(yùn)行階段還出現(xiàn)了提升泵與配水泵軸承溫度數(shù)據(jù)無(wú)法上傳至自控系統(tǒng)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視的問(wèn)題。原因是：施工單位自采員采購(gòu)的水泵不含modbus通訊接口，而PLC柜供貨廠家按照泵體含有modbus通訊接口而定制的柜體，柜體內(nèi)部無(wú)法添加更多的數(shù)據(jù)模塊和接線端口用于模擬信號(hào)線的接入。只能通過(guò)工程洽商增加帶有modbus通訊接口的溫度巡檢儀將水泵機(jī)組溫度信號(hào)接入自控系統(tǒng)。

作為日后承擔(dān)重要供水任務(wù)的凈水水廠，要做到投產(chǎn)運(yùn)行后供水作業(yè)的萬(wàn)無(wú)一失。全面調(diào)試階段是水廠建設(shè)階段中的重要環(huán)節(jié)，在這個(gè)階段暴露的任何問(wèn)題不僅要清楚原因、整改仔細(xì)，還要在此基礎(chǔ)之上提高相關(guān)管理人員的專業(yè)素質(zhì)，勤于思考，舉一反三，總結(jié)提煉，做好經(jīng)驗(yàn)札記。為使用中可能出現(xiàn)的情況做好維護(hù)的預(yù)案。同時(shí)可為之后的水廠工程建設(shè)提供有力參考，使工程更加順利。