自来水厂自动化系统设计概述及方案比较

自来水厂自动化系统设计概述及方案比较

王锋

泰安市自来水有限公司 山东省泰安市 271000

摘要：随着经济快速发展，自来水厂目前针对现状处理工艺流程配置了较为完备的自控系统、检测仪表及安防系统。自动控制系统为集中监控、管理，分散控制的集散型控制系统，全厂自控系统采用基于PLC可编程逻辑控制器作为主站、基于TCP/IP协议的10M/100Mbps光纤以太环网以及基于Profibus协议的工业现场总线网组成。各个现场控制子站进行过程数据采集及处理，各种数据送到中控室监控主站的服务器，通过监控软件和PLC内的控制程序完成数据统计、分析及计算功能，实现整个水厂的过程控制、工艺流程显示、设备运行状态的监测及故障报警。水厂采用主要实现水厂现有各个生产构筑物设备、现场环境的视频监控；在水厂门卫设有厂区安防系统，主要对水厂主要进出口、围墙周围的视频安防监控。在部分构筑物入口设有门禁系统。

关键词：自来水厂；自动化；系统设计；概述；方案比较

引言

在“碳中和”“碳达峰”战略背景下,绿色发展的理念应贯穿于水厂设计、建设、运维、改造和升级的全生命周期之中。在生态文明建设理念下,如何实现水厂在各个阶段的绿色低碳,是当前及未来相当长时期内需思考和面对的科学问题。

1传统自来水厂配电数据采集系统的不足

传统自来水厂配电数据采集系统由于开发时间较早,受到当时设备技术、开发能力和相关管理经验的局限,主要存在以下不足:监测数据不够全面;系统功能单薄;工艺与配电数据缺乏关联;对于各类数据的整合、加工、分析及利用不足等缺陷。这些不足导致传统系统的应用仅局限在拓扑结构展示和数据查看等基础功能,对于更为全面深入的配电设备管理、能效分析及能效提升的能力十分有限。

2生产运营期

2.1推动节能降耗

设备升级改造,提升能源利用率取水、送水、加压是城市水厂主要耗能环节,其中关键耗能设备为水泵。同时研究表明,水厂能源消耗占到成本的20%以上,而关键耗能设备———泵和风机,则超过总能耗的85%。高效能泵和风机的选用、变频控制技术应用、合理选型与调试、叶轮改造、不同泵组并联使用等方法均能保证泵和风机长时间高效运行,同时避免因选型不合理导致叶轮气蚀损坏。

管理精细智能,降低药剂使用量。矾、氯、氧等药剂耗用,是生产运行成本的关键组成部分,受水质、净水工艺、药剂种类、人员水平影响较大。水厂日常运转中,受专业技术缺乏、管理方式简单、设备配置缺陷、检测手段不足等因素制约,常存在加药控制简单、药耗偏高的问题。可通过开展小样试验,选择合理的药剂,调整进水负荷,优化投加点与投加方式等手段,改善混凝效果;进一步开展精准投加系统研究,运用矾花图像识别技术和大数据分析等方法,推进药剂投加智能化、自动化改造,亦可显著降低混凝剂投加量。

2.2构建绿色循环

随着“循环”概念深入人心,如何充分使用、有效回用水厂自身资源引起了广泛思考。滤池反冲洗水可直接回用;沉淀池排泥水收集处理后,上清液可回用至原水,或用作河道生态补水、园林景观用水及部分工业用水;臭氧发生设备冷却水可直接回用。这些循环利用举措在一定程度上实现了水厂水资源的“内外双循环”。

水厂生产的另一类可回用资源是污泥。自来水厂污泥有机质含量较低,可以考虑干化后填埋或制砖,作为建材利用。韦杰文等提出,对于高铝含量的水厂污泥,可以配制屋顶绿化基质,辅助“海绵城市”建设。并已有研发团队研究掌握了“利用污泥制备绿色负碳包装材料及产品”的全消纳、高附加值、节约碳汇资源的无废负碳应用技术成果,实现资源节约和生态环境保护。

2.3践行绿色办公理念

加强办公区域用电管理,减少办公设备电耗和待机能耗,及时关闭电源,杜绝长明灯、无人灯;严格规定、合理设置空调温度,减少办公过程中的碳排放;推行无纸化办公或少用纸办公,减少纸张消耗;倡导节约水资源,用水时控制水流,用水完毕及时关闭水龙头,节约每一滴水。

3系统配置

3.1自动化及仪表系统

仪表和设备。关键设备均可实现远程控制。影响到水厂运行安全的关键仪表和设备采用冗余配置。

PLC选型与控制站设置。PLC的选型能够支持冗余热备，发生故障时生产PLC和备用PLC之间能平滑、无逢切换。通讯协议采用通用的工业以太网、总线协议。满足水厂运行环境条件下的连续运行，能够实现无中断更换故障模块。每个PLC控制站应能独立运行并能按照工艺的要求完成对本车间所有工艺设备的自动化控制，I/O模块的配置除了应能满足现有的控制要求外宜保留不少于20%的富余量。PLC控制站设置CPU模块冗余和电源模块冗余。PLC控制站会设置一台在线式不间断电源（UPS），负责向本站PLC控制系统、通信网络设备和工艺仪表供电。中控系统的监控系统监控服务器和数据库服务器将采用热备冗余设计。中控系统所有设备由在线式不间断电源（UPS）供电，不间断电源（UPS）的功率应以满足中控系统最大负载容量还有不低于30%的富余量、后备时间不短于2小时。系统支持10000监测点条件下，采集和处理频率不低于每1次/秒。中控系统宜支持与传统关系型数据库、实时数据库、电子表格等数据源进行数据交互。自动化网络采用工业智能网关与办公网、监控网隔离。工业智能网关部署在水厂本地，直接与PLC通讯采集实时生产数据。

3.2技防系统数字化升级

视频监控。智慧水厂视频监控覆盖水厂主要工艺段、主要车间、主要出入口，主要道路，实现水厂全范围高清视频监控。视频监控设备使用高清数字摄像头。视频监控部署在水厂本地，高清视频保存时间宜长于90天。所有视频监控设备宜由在线式不间断电源（UPS）供电，不间断电源（UPS）的功率宜以满足视频监控最大负载容量还有不低于30%的富余量、后备时间不短于30min。视频监控设备具备人脸识别、行为识别、人员位置识别、物体特征识别等智能识别功能，可按需提供场景感知与安防协同处置等服务。通过视频监控实现水厂生产运行巡检，记录所有巡检任务的执行情况，巡检机器人可作为水厂视频巡检补充。

门禁、道闸和周界安防。生产区设置门禁，重要生产区域主要出入口宜采用人脸门禁一体机。在办公区与生产区出入口设置进出人员闸门通道，支持人脸比对开闸进出。实现智慧水厂大门电动控制和联动车牌识别控制，对进出水厂车辆进行监管。对智慧水厂围墙和生产区围栏布置周界安防。所有门禁、道闸、周界安防能够可通过接口与智慧水厂平台对接，实现联动处置。

厂区网络覆盖。5G网络覆盖（可选）。实现5G网络全厂覆盖，覆盖区域宜包括生产区所有车间和厂区道路，也包括中控室和值班室，接入网络可认证。

人员定位。宜能够实现人员在水厂所有生产区域室内外定位，定位精度误差宜在5米以内。人员定位设备可以支持多类设备，不局限于手机、平板电脑以及定位卡片、智能安全帽等专用定位设备。

结语

水厂近十年才逐渐受到政府、企业的重视。“十四五”规划中明确提出,要“以数字化助推城乡发展和治理模式创新,全面提高运行效率和宜居度;分级分类推进新型智慧城市建设,将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设,推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造”。水厂建设应深度挖掘实际运行、管理的深层需求，将这些需求放入智慧化、信息化的技术背景中重新考量。通过各类信息的综合运用分析和处理，在满足各类管理业务需求的同时，通过信息化、移动化手段对各类业务进行优化，提高流程效率，从而实现水厂系统与管理体系的双向适应。

参考文献

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