任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

【摘要】針對自來水廠工藝老化資金有限的問題，設計水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用安科瑞，對原水濾后水、出廠水進行采樣分析，并通過基于組態(tài)的上位機系統(tǒng)實現(xiàn)水質數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)指導了水廠工藝生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟效益。

【關鍵詞】自來水在線監(jiān)測；PLC；經(jīng)濟效益

0引言

近年來，我國水源地污染日益嚴重是城市供水行業(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)以提高供水質量、改善供水服務、優(yōu)化供水成本和保障供水安全為總體目標，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，使其在水質達標的前提下盡量節(jié)省能耗控制生產(chǎn)運行成本。

水質在線監(jiān)測在原有老工藝基礎上建立了自動監(jiān)測系統(tǒng)，及時反映水廠各環(huán)節(jié)水質變化，在盡量減少投資成本、節(jié)省能耗、控制生產(chǎn)運行成本的同時，更好的指導生產(chǎn)。本文設計的水處理在線監(jiān)測系統(tǒng)，可用于水處理的各個環(huán)節(jié)，目前該系統(tǒng)己應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)測項目有：水溫、PH值、溶解氧、電導率、濁度、COD、TOC、氨氮等等。對于水廠來說，由于資金有限、選擇濁度進行監(jiān)測。

濁度表示溶于水中的物質及懸浮于水中物質對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度。它的標準單位是l升蒸餾水中含l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)用水的重要指標之一，國家發(fā)布的《生活飲用水衛(wèi)牛標準》要求飲用水濁度不能超過l。

水廠資金有限，無法在工藝的各個環(huán)節(jié)安裝濁度儀，考慮到對生產(chǎn)的指導意義，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。水廠原水來自兩個水源地：石河水庫、桃林口水庫。原水進入水廠后，要經(jīng)過蓄水池，水會在蓄水池中存儲2～3小時候才進入沉淀池，考慮到原水濁度對加藥量的指導意義，把濁度儀安裝在沉淀池進水口，水廠有半流、斜板兩個沉淀池，每個沉淀池進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)硬件設計

水廠在線監(jiān)測系統(tǒng)采用上位機結合下位機PLC的方案。PLC實質上也是一臺計算機，其硬件結構基本上與我們常用的微機相同，即由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM、ROM)、輸入輸出(I／O)模塊、外設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，綜合了計算機技術、通信技術而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結構簡單、性能*、可靠性高、控制功能強、靈活通用、易于編程、使用維護方便及體積小、功耗低等特點，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)為安科瑞AcrelEMS管理平臺。水廠監(jiān)控儀表使用APM520系列，為PLC200提供一個4~20mA的電流，經(jīng)過處理后，傳ITechnologyInnovation，／技術創(chuàng)新輸?shù)缴衔粰C。

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距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，水廠在這段距離上鋪設了光纖，保證了數(shù)據(jù)實時準確傳輸。

3成果分析

3．1對生產(chǎn)指導意義

圖1四閥車間濾后水濁度歷史曲線圖

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~jlNTU用時lid'時。若監(jiān)測曲線突然發(fā)生變化，即圖中梯度迅速時，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，原水水質是增大否惡化，然后判斷濾池是否出現(xiàn)故障。

根據(jù)歷史曲線調整反沖水操作時間，以四閥車間為例。反沖后，濁度偏高，此時需打開初濾水閥門(出水閥門處于關閉狀態(tài))，根據(jù)曲線，當濁度降~UINTU時，關閉初濾水閥門，打開出水閥門，以防止反沖后高濁水進入清水池，影響出廠水水質。

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

3．2經(jīng)濟效益

自2013年水質在線監(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，各項生產(chǎn)指標均有降低，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~U98％，節(jié)約自用水量636．0381千立方米，原水水價每噸0．79元，節(jié)約資金50萬元，共節(jié)約資金88萬元。

安科瑞電氣針對水廠監(jiān)測推出能效管理解決方案--AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

4.1平臺概述

安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

4.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

4.3平臺拓撲圖

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

4.4.2電能質量監(jiān)測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

4.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)水務中電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，電動機保護器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進行保護、監(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點、及相關信息，對電機進行健康診斷和預防性維護。同時支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

4.4.4能耗管理

為水務搭建計量體系，顯示水務的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計采集水務中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃氣、冷熱量消耗量，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強度計算，標煤計算和CO2排放統(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構，分別進行能效分析，契合能源管理體系要求，可對各車間/職能部門的能效水平進行分析，同比、環(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)/先進指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.4.5智能照明控制

系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

4.6電氣安全

4.6.1電氣火災監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

4.6.3消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

4.6.4 防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報警信號，能指示報警部位并保存報警信息，保障了電氣安全的可靠性。

4.7 環(huán)境監(jiān)測

污水廠、自來水廠、水泵站等場所溫濕度、煙霧、積水浸水、視頻、UPS電池間可燃氣體濃度展示和預警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運行。當可燃氣體或有害氣體濃度超標可自動啟動排風風機或新風系統(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側每一光伏組串的輸入直流電壓、直流電流、直流功率，逆變器交流電壓、交流電流、頻率、功率因數(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結合廠區(qū)實際分布情況，通過3D或2.5D平面圖顯示分布式光伏組件在屋頂、車棚的分布情況，顯示匯流箱、并網(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)視粗格柵、污水提升、細格柵、曝氣沉砂、改良生化處理、二沉、加氯接觸消毒、污泥濃縮壓濾、生物除臭等工藝設備運行狀態(tài)。在格柵清渣機、污水提升泵、回流泵、曝氣風機、加藥泵、濃縮壓濾機、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機控制柜或低壓饋電柜安裝電動機保護，進行短路、過流、過載、起動超時、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護、堵轉、逆序、溫度等保護以及外部故障連鎖停機，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實現(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

5.相關平臺部署硬件選型清單

5.1電力監(jiān)控、電能質量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

6.結束語

系統(tǒng)以安科瑞為核心，通過上位機實現(xiàn)水質在線監(jiān)測。本系統(tǒng)運行可靠，可使水廠及掌握水質變化情況，及時對生產(chǎn)進行調整，在指導生產(chǎn)的同時提高了經(jīng)濟效益。

參考文獻

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2. 陳天華，王辛基于PLC的恒壓變頻工廠供水系統(tǒng)設計，2013，35(13)：90~95

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

[4] 吳廣健，李茜，霍霞.在線監(jiān)測系統(tǒng)在供水水廠的應用

作者簡介：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室在線監(jiān)控系統(tǒng)相關產(chǎn)品的研發(fā)及應用。