吳廣鍵+李茜+霍霞

摘 要：針對自來水廠工藝?yán)匣?、資金有限的問題，設(shè)計(jì)水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用西門子PLC，對原水、濾后水、出廠水進(jìn)行采樣分析，并通過基于組態(tài)的上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)指導(dǎo)了水廠工藝生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：自來水廠；在線監(jiān)測；PLC；經(jīng)濟(jì)效益

0 引言

近年來，我國水源地污染日益嚴(yán)重是城市供水行業(yè)面臨的主要問題，這增加了城市自來水廠供水處理難度。我國城市供水行業(yè)以提高供水質(zhì)量、改善供水服務(wù)、優(yōu)化供水成本和保障供水安全為總體目標(biāo)，因此部分水廠原有的混凝、沉淀、過濾、消毒等常規(guī)凈水處理工藝都面臨升級改造的需要，要對水廠水處理系統(tǒng)做出整體的生產(chǎn)效能評價(jià)，使其在水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下盡量節(jié)省能耗控制生產(chǎn)運(yùn)行成本。

水質(zhì)在線監(jiān)測在原有老工藝基礎(chǔ)上建立了自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)反映水廠各環(huán)節(jié)水質(zhì)變化，在盡量減少投資成本、節(jié)省能耗、控制生產(chǎn)運(yùn)行成本的同時(shí)，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。本文設(shè)計(jì)的水處理在線監(jiān)測系統(tǒng)，可用于水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于秦皇島市自來水有限公司海港水廠，優(yōu)化了水廠水處理方案，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

目前，在線監(jiān)測比較成熟的常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目有：水溫、PH值、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、COD、TOC、氨氮等等。對于水廠來說，由于資金有限、選擇濁度進(jìn)行監(jiān)測。

濁度表示溶于水中的物質(zhì)及懸浮于水中物質(zhì)對光線透過時(shí)所發(fā)生的阻礙程度。它的標(biāo)準(zhǔn)單位是1升蒸餾水中含1毫克二氧化硅，叫做1毫克/升（NTU）的渾濁度。濁度是生活飲用水和某些生產(chǎn)用水的重要指標(biāo)之一，國家發(fā)布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求飲用水濁度不能超過1。

水廠資金有限，無法在工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)安裝濁度儀，考慮到對生產(chǎn)的指導(dǎo)意義，先在四閥車間和虹吸車間監(jiān)測經(jīng)過過濾后的水質(zhì)濁度（NTU）。四閥車間有六組濾池，但僅有一臺濁度儀，為每組濾池安裝一條采樣管，濁度儀安裝在下方，利用重力作用讓采樣水自動流到儀器中，在每條采樣管上安裝自動和手動閥門，可以按鈕操作控制采樣哪一組濾池；虹吸車間有三組濾池，也共用一臺濁度儀，利用采樣泵抽取濾后水沿著采樣管為濁度儀供水，用按鈕操作控制采樣哪一組濾池。然后，陸續(xù)又在水廠原水及出廠水處安裝濁度儀。水廠原水來自兩個(gè)水源地：石河水庫、桃林口水庫。原水進(jìn)入水廠后，要經(jīng)過蓄水池，水會在蓄水池中存儲2～3小時(shí)候才進(jìn)入沉淀池，考慮到原水濁度對加藥量的指導(dǎo)意義，把濁度儀安裝在沉淀池進(jìn)水口，水廠有平流、斜板兩個(gè)沉淀池，每個(gè)沉淀池進(jìn)水處各安裝一臺濁度儀。出廠水濁度儀安裝在供水泵房，泵房有六臺清水泵，需要在每臺泵的出水口各安裝一臺濁度儀，考慮到資金問題，共用一臺濁度儀，手動操作取水。

2 系統(tǒng)控制方案

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)采用上位機(jī)結(jié)合下位機(jī)PLC的方案。PLC實(shí)質(zhì)上也是一臺計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與我們常用的微機(jī)相同，即由微處理器（CPU）、存儲器（EPROM、ROM）、輸入輸出（I/O）模塊、外設(shè)I/O接口、電源等組成。各部分通過總線（電源總線、控制總線、地址總線、數(shù)據(jù)總線）連接而成。它是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、控制功能強(qiáng)、靈活通用、易于編程、使用維護(hù)方便及體積小、功耗低等特點(diǎn)，十分適合用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的控制。

水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)下位機(jī)PLC為西門子PLC200系列：1臺CPU226型控制器，1個(gè)EM231模擬量輸入模塊，1個(gè)CP243-1以太網(wǎng)模塊。水廠監(jiān)控儀表使用哈希系列儀器，為PLC200提供一個(gè)4～20mA的電流，經(jīng)過處理后，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。系統(tǒng)硬件設(shè)備還包括1套PC/PPI電纜，3臺SC200型控制器，3臺1720E濁度儀，2臺SS7濁度儀。

為了避免數(shù)據(jù)由于距離而引起衰減，PLC200系列裝置放在了虹吸車間距濁度儀很近的位置。由于上位機(jī)要放在辦公樓，距虹吸車間有300多米的距離，普通屏蔽電纜無法保證遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，水廠在這段距離上鋪設(shè)了光纖，保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模擬量模塊現(xiàn)場采集儀表輸出電流，通過STEP 7-Micro WIN編制程序，根據(jù)水廠實(shí)際設(shè)置地量程濁度儀上限為20NTU，高量程濁度儀上限為1000NTU。

監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)采用Wincc設(shè)計(jì)監(jiān)測畫面，包括主畫面、歷史曲線畫面，主畫面直觀動態(tài)地顯示現(xiàn)場濁度。

3 成果分析

3.1 對生產(chǎn)指導(dǎo)意義

從歷史曲線看過濾效果，以四閥車間為例，反沖后，濾后水濁度由0.4NTU到1NTU用時(shí)11小時(shí)。若監(jiān)測曲線突然發(fā)生變化，即圖中梯度迅速增大時(shí)，說明濾池濾速變慢，過濾效果變差。需首先考慮沉后水是否發(fā)生變化，原水水質(zhì)是否惡化，然后判斷濾池是否出現(xiàn)故障。

根據(jù)歷史曲線調(diào)整反沖水操作時(shí)間，以四閥車間為例。反沖后，濁度偏高，此時(shí)需打開初濾水閥門（出水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)），根據(jù)曲線，當(dāng)濁度降到1NTU時(shí)，關(guān)閉初濾水閥門，打開出水閥門，以防止反沖后高濁水進(jìn)入清水池，影響出廠水水質(zhì)。

從監(jiān)測歷史曲線分析水質(zhì)變化與反沖周期，根據(jù)變化周期對四閥車間進(jìn)行反沖洗，在春秋冬三季時(shí)，水廠四閥濾池基本保持這種濾速運(yùn)行，當(dāng)夏季水質(zhì)變差時(shí)，濾池的工作周期會更短。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

自2013年水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)投入使用，至2015年底，在來水相對穩(wěn)定的情況下，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)均有降低，藥耗由8.97降到了3.14，節(jié)約三氯化鐵318.74公斤，每噸三氯化鐵1200元，節(jié)約資金38萬元。原水利用率由97.06%提高到98%，節(jié)約自用水量636.0381千立方米，原水水價(jià)每噸0.79元，節(jié)約資金50萬元，共節(jié)約資金88萬元。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)以西門子PLC為核心，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測。本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可使水廠及時(shí)掌握水質(zhì)變化情況，及時(shí)對生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整，在指導(dǎo)生產(chǎn)的同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。