自动化仪表在水处理系统中的应用

本文作者杨祖萍女士，天津市给排水研究设计院工程师。

关键词：水处理系统　检测仪表　监控系统

随着我国改革开放政策的深化和国外贷款项目的不断增多，计算机测控管理系统已普遍进入净水厂自动化领域。目前，国内净水厂自控系统采用最多的是由工业计算机(IPC)+可编程序逻辑控制器(PLC)+自动化仪表组成的多级分布式计算机测控管理系统。

一   自动化仪表在水处理系统中的重要地位

在现代化的净水厂中，每一个生产过程总是与相应的仪表及自控技术有关。仪表能连续检测各工艺参数，根据这些参数的数据进行手动或自动控制，从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各水处理工艺之间的关系，以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。同时，由于检测仪表测定的数值与设定值可连续进行比较，发生偏差时，立即进行调整，从而保证水处理质量。根据仪表检测的参数，能进一步自动调节和控制药剂投加量，保证水泵机组的合理运行，使管理更加科学化，达到经济运行的目的。由于仪表具有连续检测、越限报警的功能，便于及时处理事故。仪表还是实现计算机控制的前提条件。所以在先进的水处理系统中，自动化仪表具有非常重要的作用。

二   水处理系统常用仪表的分类

给水工程所用仪表大致可分为两大类：一类属于监测生产过程物理参数的仪表，如检测温度、压力、液位、流量等。这类仪表采用国产表，其性能和质量基本能满足要求。另一类属于检测水质的分析仪表，如检测水的浊度、pH值、溶氧含量、余氯、SCD值等。这些专用仪表在我国发展比较晚，因此，通常选用国外先进产品，从长远观点看是比较经济、可靠的。

检测仪表的好坏直接关系到给水自动化的效果。在工程设计过程中，从仪表的性能、质量、价格、备件情况、售后服务等方面进行反复比较，我们一般采用进口仪表和国产仪表相结合的方法。

三   净水厂监控系统的构成模式及监测参数

1.    净水厂监控系统的构成模式

净水厂的监控系统一般由水厂管理层和现场监控层两级系统构成，按集中管理、分散控制的原则进行监控。在工程设计中，将厂级计算机系统(即主站)设在水厂中心控制室，各现场监控站(即分站)的数量和位置按工艺流程及构筑物的位置、分散程度来定。一般地表水厂现场分站的设置是：进水泵房分站、反应沉淀与加氯加药分站、过滤分站、送水泵房及变配电室分站、污泥处理分站。各监测仪表的数据均送到计算机系统，可在监控站的工控机上显示、控制并打印、记录、报警。

2.    各分站监测参数

a. 进水泵房分站监测参数

水质参数：源水浊度、pH值、水温、溶解氧等。

运行参数：调节池水位、吸水井水位、源水流量、泵机分电量、泵站总电量等。

b. 反应沉淀、加氯加药分站

水质参数：沉淀池出口浊度、滤后余氯、SCD值。

运行参数：沉淀池水位、沉淀前流量、搅拌罐液位、药池液位、药液浓度、沉淀池泥位。

c. 过滤分站

水质参数：滤后水浊度、余氯。

运行参数：滤池水位、水头损失、反冲洗水流量、冲洗水箱水位。

d. 送水泵房及变配电室分站

水质参数：出厂水流量、余氯。

运行参数：出厂水压力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流电压、交流电流、电量等。

e. 污泥处理分站

运行参数：回流池水位、水量、浓缩池水位、回流水浊度。

四   水处理系统常用仪表在选型及设计中应注意的问题

1.    仪表选配的一般要求

(1)精确度：是指在正常使用条件下，仪表测量结果的准确程度，误差越小，精确度越高。

生产过程物理检测仪表的精确度为±1%，水质分析仪表的精确度为±2%(测高浊水的浊度仪的精确度为±5%)。

(2)响应时间：当对被测量进行测量时，仪表指示值总要经过一段时间才能显示出来，这段时间即为仪表的响应时间。一只仪表能不能尽快反应出参数变化的情况，是很重要的指标。对水质分析仪表要求的响应时间应不超过3min。

(3)输出信号：仪表的模拟输出应是4~20mA DC信号，负载能力不小于600Ω。

(4)仪表的防护等级应满足所在环境的要求，一般应不低于IP65，用于药剂投加系统的检测仪表要求能耐腐蚀。

(5)四线制的仪表电源多为220V AC、50Hz，两线制的仪表电源为24V DC。

(6)现场监测仪表宜选用数显仪。

(7)仪表的工作电源应独立，不应和计算机共用电源，以保证发生故障和检修时电源互不干扰，使各自都能稳定可靠地运行。

(8)为使计算机能检测到电压互感器和电流互感器的异常信号并报警，设计选配的电压及电流变送器的输入信号应比电流及电压互感器大，即分别为0~6A及0~120V。

(9)应选择能够提供可靠服务和有丰富经验的仪表生产厂商。

2.    水位测量

选择液位计时应考虑以下因素：(1)测量对象，如被测介质的物理和化学性质，以及工作压力和温度、安装条件、液位变化的速度等；(2)测量和控制要求，如测量范围、测量(或控制)精确度、显示方式、现场指示、远距离指示、与计算机的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。

给水工程中常用的液位计及选型要点如下：

a. 浮球式液位计

在液体中放入一个空心的浮球，当液位变化时，浮球将产生与液位变化相同的位移。可用机械或电的方法来测得浮球的位移，其精确度为±(1~2)%，这种液位计不适用于高粘度的液体，其输出端有开关控制和连续输出。

在净水厂的设计中，多将此种液位计用于集水井的液位测量以控制排水泵的自动开停。

b.静压(或差压)式液位计

由于液柱的静压与液位成正比，因此利用压力表测量基准面上液柱的静压就可测得液位。根据被测介质的密度及液体测量范围计算出压力或压差范围，再选用量程、精确度等性能合适的压力表或差压表。这种液位计的精确度为±(0.5~2)%。

c. 电容式液位计

在容器内插入电极，当液位变化时，电极内部介质改变，电极间(或电极与容器壁之间)的电容也随之变化，该电容量的变化再转换成标准化的直流电信号。其精确度为±(0.5~1.5)%。

电容式液位计具有以下优点：传感器无机械可动部分，结构简单、可靠；精确度高；检测端消耗电能小，动态响应快；维护方便，寿命长。缺点是被测液体的介电常数不稳定会引起误差。电容式液位计一般用于调节池、清水池等的液位测量。

当测量范围不超过2m时，采用棒状、板状、同轴电极；当超过2m时，采用缆式电极。当被测介质为水时，采用带绝缘层(可用聚乙烯)的电极。

d. 超声液位计

超声液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。其精确度为±0.5%。

这种液位计无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响，因此多用于药池、药罐、排泥水池等的液位测量。但此种方法有一定的盲区，且价格较贵。

3.    流量测量

流量测量分为两种，一种用于流量检测，参与过程控制，以达到提高生产自动化水平，改善生产工艺条件，提高产品质量和产量的目的。另一种用于流量的计量，不仅计量产品的产量，还是供水企业主要技术经济指标计算的依据。在供水企业最主要的8项经济指标中，有3项指标是以流量计测量的数据为基础的。

流量计的选型应考虑以下因素：
(1)任何型号的流量计都必须有国家计量部门检定的证书方可选用。
(2)流量计本身的压力损失要小。
(3)根据行业要求，流量计的准确度应不低于2.5级。
(4)安装现场条件应满足所选流量计对直管段的要求。
(5)所选流量计应能适应安装现场环境条件如温度、湿度、电磁干扰等。
(6)所选流量计应能适用于待测的液体介质。

目前，在给水工程设计中，采用最多的是电磁流量计和超声流量计。

a. 电磁流量计

电磁流量计的原理是应用法拉弟电磁感应定律，由传感器和转换器组成。

在测量中，液体本身为导体，磁场通过安装在管路中的两个线圈产生。线圈由交流或直流电源励磁，磁场作用于管道内流动的液体，在管道中产生一个与被测流体平均流速V相对应的电压，且该电压与流体的流速分布无关。

与管道绝缘的两个电极监测液体的感应电压。磁场方向、流体流向及两个检测电极的相对位置三者互相垂直。

电磁流量计的优点：
(1)测量不受被测液体的温度、压力或粘度的影响。
(2)没有压力损失。
(3)能连续测量，测量精确度高。
(4)口径范围和测量范围大，测量范围连续可调。
(5)与流速分布无关。
(6)前后直管段较短，前置直管段为5D(D为仪表的直径)，后置直管段为3D。
(7)稳定性好，输出为标准化信号，可方便地进入自控系统。
(8)变送器导管内壁有衬里材料，具备良好的耐腐、耐磨性。
(9)转换器体积小，消耗功率小，抗干扰性能强，便于现场观察。

应用于水处理系统的电磁流量计的衬里材料多选用氯丁橡胶，因其有较好的耐磨性。安装时应注意远离外界的电磁场源，以免影响传感器的工作磁场及流量信号，传感器水平安装时，要求两个电极的中心轴线处于水平状态，防止颗粒杂质沉积，影响电极工作。测量管内应为满管，不允许大量气泡通过传感器，当不能满足条件时，应采取相应措施。

为使仪表可靠地工作，提高测量精确度，不受外界寄生电势的干扰，传感器应有良好的单独接地线，且接地电阻应小于10Ω，尤其是安装在阴极保护管道上时。如在天津水源厂出厂干管上安装的电磁流量计，由于管道采用了阴极保护，防护电解腐蚀的管道内壁和外壁之间是绝缘的，被测介质没有接地电位，所以，将传感器接地环装在传感器的两个端面上，与连接管道的法兰绝缘。传感器与接地环用接地线相连，并引至接地极。管道法兰之间用电缆相连但不连到传感器上。法兰连接螺栓用绝缘衬套和垫圈隔离。该电磁流量计自投产使用以来，效果一直较好。

转换器应安装在符合其防护等级要求的场所，在满足安装环境、使用要求的前提下，转换器与传感器之间的距离和连接电缆越短越好，以节约投资，减少可能产生的强电信号的干扰。

b. 超声流量计

最近十几年来，由于电子技术的发展，超声流量计才得以应用于流量测量。利用超声流量计进行测量的方法有很多种，其中较为典型的是时差法和多普勒法。净水厂多选用时差法流量计，其方法是在测量管道上安装两个换能器，因顺流与逆流流速差别的影响，测量从发射到接收而产生的时间差，据此测出流速。

超声流量计的主要优点：

(1)安装维护方便。随着夹装式传感器的广泛使用，在安装和维护超声流量计时不需在管道上打孔或切断流量，就可在已存在的应用场合很方便地进行安装，尤其适用于大口径管道检测系统。
(2)口径范围大，且价格不受管径影响。
(3)测量可靠性高。
(4)无压力损失。
(5)不受流体参数影响。
(6)输出标准化直流信号，可方便地进入自控系统。

选用超声流量计要特别注意传感器的安装误差、管道内壁结垢、防腐层均匀与否，这些因素对测量结果影响很大。另据超声流量计的测量原理，只有流速分布均匀时才能保证测量的精确度，所以在流量计的上下游要有足够的直管段，参考各种资料及流量计的使用手册，要求上游最少不小于10D，下游大于5D。

由于自来水行业为连续生产，进行不间断计量是极为重要的，所以一般安装于管道上的流量计不能经常拆卸送检，一般做法是采用精确度较高的便携式超声流量计，按周期送国家认证单位进行校准，作为企业的标准器具，再用比对的方式定期检测在线流量计。这需要设计人员在设计时应根据使用单位要求，考虑将来生产管理的需要，预留出比对测量的空间，以方便用户，即将流量计井做得稍大一些，除安装固定式流量计外，还应如图1所示预留出便携式流量计测量的空间。


4.浊度的测量

浊度是水体浑浊程度的度量，也就是水体中存在微细分散的悬浮性粒子，使水透明度降低的程度。浊度仪是测量水体浑浊程度的仪器，主要用于对水质的监测和管理。

净水厂负责供应居民生活用水和工业用水，供水的质量直接涉及人民的健康、安全，以及食品、酿造、医药、纺织、印染、电力等各行各业的正常生产和产品质量。浊度是一项很重要的水质指标，因此对浊度仪的选择显得尤为重要。浊度仪可分为目视浊度仪和光电浊度仪两大类。光电浊度仪就其用途可分为工艺监控(连续测定)浊度仪和实验室(包括便携式)浊度仪，就其设计原理又可分为透射光浊度仪和散射光浊度仪。

由于散射光浊度仪对水的低浊度有较高的灵敏度，准确度高，相对误差小，重复性好，水的色度不显示浊度，且散射光与入射光强度比可呈线性关系，故1992年9月世界卫生组织公布的《饮用水水质准则》中规定将散射光浊度仪作为测定仪器。同时，“供水行业2000年技术进步发展规划”中已明确规定一类水司管网水浊度指标为1NTU。

在净水厂设计中常用HACH公司的1720D、SS6系列浊度仪(属于散射光式浊度仪)。

在滤后水及出厂水的测量中，一般采用1720D(原为1720C)系列浊度仪。使用时水样连续流入浊度仪，流经脱泡器以排空水流中的气泡，然后进入浊度仪的中柱内，上升至测量室并溢过其边缘进入排放口。聚光束从传感器头部组件中向下投射到浊度仪主体内的水样中，浸在水样中的光电管测量水中悬浮固体90°方向的散射光，散射光的量与水样的浊度成正比。1720D不需采用样品池，这样可减少杂散光，提高测量准确度。1720D的准确度为：0~40NTU范围内为±2%，40~100NTU范围内为±5%，分辨力为0.001NTU，响应时间为75s。

测量滤后水的浊度仪多安装于滤站管廊内，可采用壁挂或柜装，出厂水的测量一般在送水泵房设置水质仪表间，将浊度仪及其他水质检测仪表置于仪表间内，再将信号引至监控站。

虽然1720D的测量范围为0~ 100NTU，但最好不用其测量滤前水，因为虽然光学上能测到100NTU，但在生产使用上会带来许多不便。测量源水及滤前水多使用SS6系列表面散射式浊度仪，它是将光束射在液体表面，测定来自液面的散射光，避免了光学系统与水样直接接触，消除了清洗流通池时带来的信号丢失，如图2所示。


SS6系列的测量范围为0~9999NTU，一般地表水厂的源水均在此范围内。它在0~2000NTU范围内的准确度为±5%，2000~9999NTU范围内准确度为±10%。

浊度仪取样点的选择应与工艺专业紧密结合，选取最有代表性的点，取样孔最好不要开在被取样管道的顶部，避免将管道中的气泡抽进取样管而影响浊度仪的测量准确度，水样的提取最好用小型采样泵取样，保证取样管内有一定流速，不易在管道内壁结垢。取样管道的口径应根据仪表取样水的总需要量决定。

5.    显示仪表的选用

一般净水厂工程多选用智能化显示仪表，其功能齐全，能进行数字信号处理，实现控制功能，而且测量值以液晶显示，操作方便，可以保存数据，具有自诊断功能。虽然与计算机系统联网后，它的优势没有完全发挥出来，而被计算机系统所取代，但在目前净水厂的建设中，使用智能化的显示仪表作为在计算机系统未调试投运阶段或发生故障时的辅助仪表，也能满足现场控制、显示的要求。

在某些情况下，同时需要本地显示与远程传送，此时不宜采取信号串联方式，而应采用信号分配器，即1路输入，两路输出，一路输出送显示仪表，另一路输出可输入PLC，如常用的WS15242，如图3所示。


6.    仪表系统的接地和防雷

接地可分为保护接地和工作接地。保护接地是为避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘性能下降时遭受触电危险和保护设备的安全。工作接地是为保证仪表稳定可靠地运行。一般净水厂仪表系统的接地采用TN-S系统，即3根相线A、B、C，1根中性线N即保护线PE。用电设备的外露可导电部分接到PE线上，其优点是PE线在正常工作时不呈现电流，因此设备的外露可导电部分不呈现对地电压而且在事故时也容易切断电源，有较强的电磁适应性，避免了高次谐波的干扰。

工作接地的原则是单点接地。由于对地电位差的存在，如果出现一个以上的接地点就会形成地回路，将干扰引入仪表中，所以，同一信号回路、同一屏蔽层只能有一个接地点。

仪表工作接地可单独设置或与保护接地共用同一接地体。从工程实践经验来看，接地电阻一般应不超过1Ω。

一般净水厂设施分散，构筑物低矮，地形平坦、空旷，特别是有些流量计井位于厂区之外，在这种情况下，仪表设备的被雷击率增加。在实践中，笔者多次遇到过雷击损坏仪表或仪表不明原因损坏的事件。因此，安装品质优良，动作可靠的避雷器，是不可缺少的保护措施，如采用德国Pepperl+Fuchs公司的ESP系列避雷栅用于流量计的信号和电源的保护，效果良好。

五   总结

(1)要实现净水厂的现代化管理，必须使用自动化仪表。
(2)设计人员应站在用户的角度上，为用户着想，在设计与选用仪表时，应做到：稳定可靠，操作简单，安装方便，物美价廉，连续测量，反应灵敏，互换性强，便于维护。
(3)设计人员平时应注意技术资料的收集、整理，以便于消化吸收。
(4)净水厂建成通水，仪表正确投入使用后，设计人员应多下现场，对仪表的使用情况做跟踪调查，了解仪表的工作情况，及时总结经验，以利于今后的设计工作日趋完善。