水厂自动化建设的几点意见

水厂自动化建设的几点意见北京市自来水集团 刘百德摘要本文简述了水厂自动化系统选择的建议，提出有关运行管理、建立检修工程师制度的意见。可供新建水厂和老水厂改造工程中，自动化设计、使用单位的管理部门和技术人员参考。关键词水厂自动化运行管理检修工程师计算机技术发展迅速，差不多每隔一年左右时间更新一代。强大的硬件平台(大容量、高可靠性、高速)，支持着不断更新的视窗操作系统Windows软件和网络(NET)技术。多种以计算机技术为核心的用于工业生产过程控制的产品，和多种基于Windows环境的采用组态方式生成系统的工控软件平台日趋完善。这为建立水厂监控系统提供了更多的选择。对于自来水行业而言，面对几乎眼花缭乱的新技术，如何选择适合自己功能需求的控制系统，在缺少行业标准的情况下，的确需要有一种说法。笔者根据自己多年的工作经验，认为至少应在以下几个方面重点考虑：一、控制系统层次系统的总体控制层次结构应与现场电动控制盘、MCC等统一考虑，分为现场电动控制和计算机控制两级：a现场电器控制盘电动控制(下级)和b计算机监控(上级)。下级负责完成常规的人工电动操作，确保不间断供水。在现场电控盘与监控系统之间，原则上不再另外设置中间控制装置。现场仪表信号直接入监控系统。正常情况，以计算机监控系统为主，完成制水工艺的过程控制。控制原则为“下级优先”。在现场控制盘上设“现场，远方”操作场所的选择开关。操作场所选择是唯一的，并且互锁。操作该开关的过程中，须保证无扰动切换。采用弼级控制层次，不仅可以大大降低工程投资，最主要的在于减少了中间环节，系统的可靠性得到了提高，同时维护检修工作也变得层次分明。在电器控制接口方面需要注意的是，近几年在电气控制中渗入了电子控制技术。如电力配电、电器保护、电器逻辑控制等，使用单片机、工控机、PLC等智能部件，代替传统的变送器、继电器，完成信号转换、电器保护、报警和逻辑控制。这种设备被简称为“综保”(综合保护)或“微机保护”装置。这种装置针对电力系统的需要而设计。至今，已被普遍用于电力系统。此外，一些专用设备，如加氯、加药、格网(栅)、刮(吸)泥机、压滤机等，使用电子设备自成控制系统。“综保”装置或其它自成控制系统的专用设备，一般均提供通讯接口，具备数字通讯功能。由于这些产品国内至今没有统一的通讯数字格式约定(通讯规约)，尽管制造厂声称采用了标准RS232、BS485通讯接口，但这些仅是物理接口。在使用不同厂家产品进行系统互连时常遇到麻烦，原因就在于此。因此，在进行系统设计时，除需明确通讯物理接口条件外，要特别强调对通讯规约的要求。二、系统硬件和控制网络适用于水厂计算机监控系统的选择范围较宽，按目前的习惯提法，可分为PLC(Programmahle controller，可编程控制器)+IPC(Industry Computer，工业控制计算机)和DES(Distribution Control System，分布式控制系统)两大类。实质上，这只是由于两者在技术发展途径和时期不同，人们对其的称呼。事实上，由PLC也可构成“分布式控制系统”已很普遍。此外，还有FF、HARD、Pmfibus现场总线结构的测控系统。DCS和PLC都是计算机技术在自动化控制方面的应用，各有所长。在硬件方面，DCS的结构标准化、系统化优于PLC，比较适合安全性要求高的大型控制系统，如石油、化工等行业。PLC在系统组合的随意性方面强于DCS，适用于按时间、逻辑顺序控制的生产过程或可独立运行的场合，代替复杂的继电器控制装置。PLC可以通过网关(Gate Way)，挂在DCS的总线上，完成现场控制级的功能。随着技术的发展。PLC和DcS的功能相互渗透，采用PLC构成大规模监控系统已成为现实。鉴于此，建议统一名词，将由上述设备构成的水厂监控系统统称为DCS系统，区别仅在于使用的是何种设备。在软件方面，PLC一般配控制和监视两种软件，现场级控制软件可用厂家配套编程器、监视器或PC机、便携电脑，采用梯形图等方式编程，MMI(MenMachineIntterrace，人，机界面)监视可配PLC厂家的配套软件，或配运行在Windows环境下的通用SCADA(Supervision Control And Data Acquisition，监视控制数据采集)软件。而DCS一般由硬件厂家配套基本软件，通常已够使用。两种类型设备在组成较大系统时，在工程总体造价上也相差无几。因此，如何选择水厂监控系统，应视实际情况和需要确定。由于硬件可靠性一般都满足要求，如系统的可靠性指标MTBF(平均无故障间隔时间，Mcan Time Between Failure)，PLC可达100，000小时(11年)以上；日本横河的cs系统号称260，000小时(约30年)。实践也证明了这一点，北京水司第九水厂一期工程(500，000m3d)使用的横河CENTUMV系统，已可靠地连续运行了12年；九厂二期滤池控制(soo，000mJd)使用的Modicon984系列PLC连续运行了6年。近年国内常用的PLC产品，如施耐德公司的Modicon TSX Quantum；西门子公司的sIMATIC S7300、400；AB公司的PLC一5；0MRON的SYSMAC CVMI；+GE Fanuc系列90TM，以及YXC(横河一西仪)的csl000、CS3000等，这些系统硬件的基本技术指标大同小异，如无特殊使用要求的话，均可满足水厂监控系统的使用要求。在笔者见到的一些水厂监控系统(包括污水处理厂)招标文件中，对系统的技术条件、可靠性等要求过高，这势必增加投资。笔者根据自来水生产具有过程缓慢、无自动化也可生产的特点，及做过的水厂监控系统和实际运行情况，以为除在中央控制室、滤池运行管理公用设施控制站等关键环节，采用冗余配置外(通常为双机热备自动无缝切换)，其它场合可以不考虑冗余配置。在监控系统控制层，各现场控制站通过控制网络与监控级相连，完成监控信息的传送。各PLC厂家的产品采用不同的控制总线。常见的有Modbus，Dupline，Profibu8，HART，ComralNET，FF，工业以太网等。这些控制总线的通讯速率均在1MB以上，工业以太网可达10 MB。通讯介质可选用双绞线、同轴电缆、光纤。推荐使用价格低廉的5类双绞线。般情况采用单总线已可满足使用要求。如果必须采用冗余控制总线，应将两条总线分开敷设。对于距离过远的场合，可采用超短波、扩频或微波，如数公里以外的取水泵站。在监控系统管理层，基于TCP，IP(传输控制协议，两际协议)的计算机网络互连和扩展技术，如网关、路由器、交换机、网桥、中继器等，可将系统内的信息任意传送。并可通过公共数据网DDN(Digital Data Network，数字数据网)、ISDN(综合业务数字网)，将信息传送到更远的地方。在信息化时代，应充分利用Web技术，建立企业内部网，需要信息者只需一台配有Modem的电脑(台式、便携式均可)。在任何地方接通电话线，通过拨号上网，使用IE游览器便可得到自己需要的信息。三、软件监控系统的软件，分为操作系统(Operation System，缩写Os)、支撑软件(SupportingSoftware)、数据库(Database)和应用软件(Application Software)。1操作系统：操作系统又称为系统软件，是计算机运行的基础。主要在以下几个方面评价和选择OS软件：一支持系统资源共享、程序并发、便于移植；一适用于不同的计算机硬件平台；一支持实时多任务、多用户、多线程；一具有丰富的软件工具；一支持多媒体；一支持中文字库：一支持网络通讯和网络服务。指在在网络环境下的网络通讯、资源管理(网络文件服务和打印等)、网络客(用)户等方面的管理能力。一其它方面：可靠性、安全性、稳定性、易用性等。可选用的OS有：WindowsgX、Windows NT、Windows 2000和UNIX等。WindowsgX指的是微软公司的Windows959798。由于WindowgX是一种单处理器OS。不适合较大规模监控系统。Windows NT是一种实时多任务OS，分Server(服务器)版和Workstation(工作站)版。Server 40是目前的最高版本。Win NT Server 40可提供应用、网络、打印和文件服务。在数据保护和容错上，支持软件RAID(廉价磁盘冗余阵列)技术。它可支持4个处理器和多种硬件平台，支持多任务和多线程，具有较高的安全性和可靠性。在控制方面是目前最常用的操作系统之一。WiMows 2000是微软公司在Window8 NT基础上开发的OS。系统内核采用了Window8NT的技术，具有Windows NT所具备的特点。并支持即插即用(PhP)技术。它包括Wi。dows 2000 ProfessionM(专业版)、Windom 2000 Seer(服务器版)和Windows 2000 Advcedserver(高级服务器版)。Win NT和Win 2000 OS适用范围较广，可用于各种规模的监控系统。UNIX也是一种实时多任务0s，适合作为规模较大、系统复杂及对系统性能要求较高的监控系统0S软件。2支撑软件支撑软件又称工具软件，用于监控系统的支撑软件通常称作SCADA软件。它是开发应用软件的工具和实现监控系统功能的关键组成部分，必须慎重评估和选择。应根据系统规模的大小和具体的应用需求，从其整体功能、具体性能指标及其整体技术架构等多个方面进行评估。支撑软件的性能要求大致包括：基本性能要求：一可运行在多种硬件平台：工业Pc、国产商用PC、IBM、HP等；一具有良好的开放性，支持一系列国家或国际标准、事实标准，能运行在流行的OS上，如Windows NW9)(，2000，VMS。OS2等；一支持多种网络：LAN(匝EE8023)，ken hs(IEEES024)，Tbknng(IEEE8025)；一可与多种工业YO、Pc FO、PLc、RTu等现场控制级实时进行双向通讯；一支持多种数据库操作及数据格式转化，可与多种数据库通讯：FoxPro、Db、Omcle、sybm等；一良好的组态功能与组态方式，丰富的作图组件和图片支持功能，功能模块化，能够方便地开发应用软件；可在线组态开发；一人，机界面友好，具备全中文界面。操作学习简单；一支持系统冗余；一支持多媒体；一良好的系统恢复功能，出现故障时可方便、迅速地恢复系统；此外，对支撑软件的性能评价还应考虑下述问题：一可靠性在一定的条件和时间下，正常完成工作的能力。在双机热备条件下，故障计算机硬件无扰动切换，不丢失数据，保持系统正常稳定运行。一实时性采集数据的刷新时间、监控画面的刷新时间、监控操作的响应时间等。基本功能：a数据采集、监控、信息管理可支持多种型号PLc(RTU)的双向通讯，向现场运行过程采集数据，并进行计算、整理、存储、实时刷新显示等处理，以及将控制参数、指令等调节、控制信息下发给控制器。并以图形的方式显示实时监测数据、设备状态和系统相关的报警与事件信息。b监控功能能够提供各种图形显示、多媒体显示、视频动画等功能。并以图形、数字、符号等方式提供动态模拟生产过程，支持CRT屏幕软键操作。能够对现场控制级进行运行参数设定、修改和对工艺流程进行监控。c报表功能可以组态定义报表，如报警信息、班报、日报、月报、年报，以及其它类型报表，支持报表显示和打印输出，并可以在阿上传送。可以用电子表格生成各类生产流程和系统运行状态的详细报表。dMMI、图形用户接口功能支持以窗口图形的方式显示各种实时监测示意图，如水厂工艺流程、监控画面实时数据、设备实时状态等参数的示意图。e支持报警和事件窗口。可以定义监测点的数值报警范围，以图形、声音等方式产生报警。对话窗口的方式完成报警的确认。具有报警优先级别定义。支持以对话窗口的方式实现报警和事件的记录的打印。支持灵活多样的画面调用方式，如嘶面切换、翻页和“热点激活”方式等。f分布式的网络结构支持分布式网络结构。网上各节点可以独立执行赋给它的任务。网络节点可以脱机而不影响整个网络的运行。网络信息资源共享。网络协议采用TCPIP。g数据交换协议支撑软件除具备常规的数据管理功能以外，还应支持通用的数据交换协议，如DDE、OPC、ODBC SQL等。h自诊断功能系统具有在线诊断系统内故障的能力。当到检测到设备故障时产生相关的故障报警。i模拟仪表、棒图、饼图、趋势曲线具有模拟仪表、棒图、饼图等显视功能，可以定义四级报警上，下限，允许单个或多个监测点参数的实时和历史趋势曲线组态定义和显示。j历史数据处理功能支持历史数据的保存、显示、管理和相关的统计分析及报表功能，支持用数据库方式处理历史数据。k安全管理功能区分、定义和管理不同类型用户(组)的功能，不同类型用户(组)在登录系统后有不同的控制和操作权限。分组控制，以及用户操作的记录功能。1组态定义功能支持通过组态的方式来定义和生成系统，主要如下：软件系统的组态定义；硬件设备的组态定义；实时和历史数据的组态定义；显示画面的组态定义；报表的组态定义等；m标准的数据接口以ODBC(Open Database Connect开放数据库连接)的方式提供标准的实时数据库接口。常用支撑软件：有两种选择水厂监控系统支撑软件途径：一是提供硬件厂商直接配套，二是在专业软件产品中选择。前者成套性好，责任为一家。后者则需按上述性能、功能，选择适合自己条件的支撑软件。目前国内比较流行的商品监控软件有：ImeUution HX DMACS 70、iF；InT0uch、Citoot、清华“组态王”等。这些软件均可以满足水厂监控功能的基本使用要求。应说明的是，我国目前还没有自己的专为给排水自动化设计的支撑软件平台。而通用正版监控支撑软件的购置价格均比较贵。因此，组织设计规范化、标准化、商品化、价格适中、功能满足使用要求的SCADA 0fChina支撑软件，有着广泛的前景。必须注意的是，通过系统集成商成套监控系统时，一定要使用带许可证(License)的正版软件。3监控软件的数据库商品化的监控软件均捆绑了实时数据库和历史数据库系统。不同的在于捆绑的历史数据库通常采用外挂方式。例如Citect，除内置dBa”外，当需要较大历史数据库时，再通过0DBC、SQL命令等与之连接。这是由于这类监控软件采用语言开发功能模块。还有另一类在数据库基础上开发的监控软件，例如澳大利亚Motherwen公司的产品Macm View。这类软件将实时数据库和历史数据库溶为体，故不需要另配置独立的数据库。由于是自成体系的完整的“数据库监控系统”，所以不存在接口的兼容程度问题。并且它的历史数据库也是冗余设置，这将保证系统数据存储的可靠性。这类软件的价格相当于前者的两倍。但其可靠性优于前者，基本不出现死机问题。对于监控软件采用外挂数据库的，应选用通用的商品数据库软件。赞同选用成熟的、商品化的正版软件产品和技术。4应用软件应用软件通常是系统集成商根据工艺设计和用户使用要求，在支撑软件平台上组态生成的可运行的程序。由于监控对象、条件的差异、运行方式的不同，以及软件制作人员对工艺的理解、经验和对支撑软件平台的熟悉程度等因素，所制作的应用软件即使达到同样的目的，也会有较大的差别，属非标产品，一般需要经现场调试、试运行、调整、完善的过程，教不便评述。需强调的是，应用软件编制的好坏，直接影响系统的可用性、安全性。因此，建议选择有水厂自动化控制工程经验的系统集成商、专业软件公司承担应用软件工程。四、给水工程自动化需研究的主要课题1自动加药控制地表水厂在保证出厂水质的条件下降低药耗，是降低成本的手段之一。但如何搞好理想的加药自动化控制，至今尚无行之有效的方法。在以往的理论上认为需耍建立“加药数学模型”，但因各地水质成分差异较大，影响因素多，至今未见有成熟的“加药数学模型”可推广用于生产实践。近年，一种认为技术先进的SCD(流动电流)仪被用于水厂加药控制，试图用“单因子”代替水质的全部变化，解决加药的自动、优化控制。由于SCD仪是一种精密检测仪器，其传感器的缝隙易堵塞，需要经常清洗。特别是取样点的不同、原水水质的变化、滞后反应等，对SCD的影响较多，在实际使用时，需要人工不断调整SCD设定值，有时要求每天调整数次。因此也就失去了自动化的意义。引进SCD仪价格昂贵，每套都需要几十万人民币。从国内使用SCD仪的情况看，并不乐观。有的在勉强使用，有的已成为摆设。因此，如何利SCD控制加药尚需做进一步的研究，需要解决控制理论问题，切忌随大流。有资料表明，国内一种称作“FCD”的加药控方法正在试用。其原理是利用计算机多媒体技术，采用水下摄像机直接观察加药后絮凝反应出水的矾花情况，计算机软件图像处理，与实验得出的最佳效果比较，输出控制加药系统。该方法摆脱了其它因素影响，但控制滞后问题仍未很好解决。总之，加药的优化控制问题仍是需要研究的课题之一。2自动加氯控制利用液氯杀菌是目前生产自来水的主要消毒手段。在工艺设计上，一般设前加氯(进厂水，或称原水)、滤后加氯(滤池出水)和出厂水补氯三处加氯点。目前的加氯量控制方法，前加氯通常采用流量比例控制加氯量；滤后加氯采用流量比例、余氯反馈“复合环路”控制加氯量；出厂水补氯是在出厂水余氯低时启动加氯机补氯，一般采用余氯差值、流量比例控制补氯量。滤后加氯是自来水消毒处理的主要环节。由于在水中投加氯后，需要在清水池内至少有30分钟以上的接触时间，才能达到比较好的杀菌效果，也是一个大滞后控制。为了解决滞后控制问题，将滤后加氯余氯检测取样点移到清水池前，一般距加氯点10D(D为管径)。从实际运行情况看，由于加氯后不能保证混合均匀，造成余氯检测值不稳定，严重影响了“复合环路”控制。加氯量的优化控制不仅是为了降低成本，更重要的是保证出厂水质。故需要进一步完善控制方法，解决余氯反馈控制滞后和不稳定问题。3水泵节能优化控制众所周知，水泵是给水行业耗能的主要设备，约占水厂电耗的70。其中，配水泵占大头，故水司将节电重点放在配水泵。目前采用的水泵调速技术、出厂水自动恒压控制，可以得到很好的节电效果。如图所示，图中，H0一A为管网特性曲线，HM为定速泵特性曲线，H恒压供水目标值。当管网需水量降低，由Qmax降到Q1，如果不采用恒压供水，则工作点将移到D点。由于采用恒压送水，工作点将沿着H平移，并与H0一A1新管网特性曲线相交于B点。从而节省了DB水头。但由于水泵运行的高效点与管网特性相关，采用恒压控制供水，当需水量减少时，控制系统降低水泵转速保持出厂压力在设定值范围内，节省了多余水头。但由于水量减少，管网的水头损失也随之降低，从而又产生了一部分富裕水头，图中BC段，故还有节能潜力。如果以管网最不利点的压力确定第二恒压供水目标值Hl，则控制效果将明显提高，如图中H1。这样，工作点始终延啪一A滑动。当水量减到01时，将在c点运行，使管网出水处的压力保持在H0。实际供水因涉及供水管网，情况要复杂的多。需要建立管网数学模型。笔者仅就此提出给水自动化需要研究的问题。五、国产化问题引进国外先进技术、设备建立我国水厂自动化控制系统，无疑推动和促进了我国给水行业的技术进步，开拓、充实了从事供水行业自动化人员的眼界和技术水平。但也存在价高、售后服务跟不上等一系列问题。应该看到，国内的一些制造厂商，或通过引进技术，或采取合资方式生产的电子设备，无论设备质量、技术的先进性，均可与国外设备相比。国内自己开发的计算机控制系统。在一些中小水厂，也得到了较好的应用。笔者认为，经过十几年水厂自动化设备的引进，国内的设计部门、一些水司锻炼了一批人才，积累一定的水厂自动化经验，水厂自动化的国产化问题也应提到日程上来了。强调国产化并不是盲目排外，如一些关键硬件、软件平台，一些永质仪表等，国内尚无或质量不可靠产品仍需引进。国产化的重点，目前应放在应用软件和配套产品的开发上。引进技术，或采取合资方式生产自动化设备应视为国产。如压力、液位、流量计等常用仪表，以及国产品牌计算机等。六、自动化系统的运行管理水厂基建工程中自动化系统的建设投资，一般约占工程总投资的3。5。对于利用外资建设的水厂，自动化投资所占比例还会大一些。据中国水协科技委99年10月在武汉召开的“全国供水行业水厂自动化应用技术交流学术会”统计，全国200多城市利用外资(政府贷款)约10亿美元引进水厂自动化系统。但可正常运行的不足110。笔者认为。水厂自动化是一个严密的管理工作。如果没有一套切实可行的在自动化条件下系统正常运行的管理制度，水厂的自动化系统很可能成为摆设，更不用讲向现代科技要效益。我们常将这种运行管理制度也称为“软件”。水厂自动化是生产力发展的需要，但要转变旧观念。将其上升到是现代化管理的需要。否则，将导致“穿新鞋走老路”。国家建设部城市供水行业2000年技术进步发展规划中，提出水厂自动化的目的是“两个提高，三个降低”(提高水质，提高供水安全；降低药耗，降低电耗，降低漏耗。)。据此，建议在水厂建设期间，负责基建的部门协助水厂运行管理部门，结合设计的水厂在自动化环境下的运行条件，围绕“两个提高，三个降低”的目标，建立以下运行管理制度，使水厂在投产之时，自动化系统便在较完善的管理制度下运行。自动化系统操作规程；运行管理制度(运行人员)应包括巡视、巡视路线、巡视记录、故障报告、检修申报、设备清洁、交接班等。维护管理制度(维护工程师制 )应包括定期设备(电缆)清扫、电缆接头检查、回路测试、执行接口测定、仪表标定、易损件更换、风机注油、UPS 电源充放电、设备防潮、软件维护等。规定并配备维护用仪表和工具，保证维护工作的正常进行。检修管理制度(检修工程师 )应包括设备的日常检修、中大修、设备升级、设备报废更新等。也需要规定和装备检修仪表和工具。水厂电动(或称“手动”)操作规程近年设计的水厂控制系统，多数采用两级控制。郎现场电动控制和自动控制两级。为保证水厂不间断供水，需要建立一套电动(或手动) 操作规程。这套操作规程应不仅适合在水厂自动化设备退出运行时，运行人员仍可在现场对工艺设备进行操作，也适合在调试时、或设备检修后