龔永波
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，設計水廠在線監測系統，采用安科瑞，對原水濾后水、出廠水進行采樣分析，并通過基于組態的上位機系統實現水質數據的實時監測。該系統指導了水廠工藝生產，提高了經濟效益。
【關鍵詞】自來水在線監測；PLC；經濟效益
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。我國城市供水行業以提高供水質量、改善供水服務、優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做出整體的生產效能評價，使其在水質達標的前提下盡量節省能耗控制生產運行成本。
水質在線監測在原有老工藝基礎上建立了自動監測系統，及時反映水廠各環節水質變化，在盡量減少投資成本、節省能耗、控制生產運行成本的同時，更好的指導生產。本文設計的水處理在線監測系統，可用于水處理的各個環節，目前該系統己應用于秦皇島市自來水有限公司海港水廠，優化了水廠水處理方案，提高了經濟效益。
1在線監測系統組成
目前，在線監測比較成熟的常規監測項目有：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用水的重要指標之一，國家發布的《生活飲用水衛牛標準》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節安裝濁度儀，考慮到對生產的指導意義，先在四閥車間和虹吸車間監測經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系統控制方案
2．1系統硬件設計
水廠在線監測系統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、數據總線)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、性能優越、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測系統的控制。
水廠在線監測系統為安科瑞AcrelEMS管理平臺。水廠監控儀表使用APM520系列，為PLC200提供一個4~20mA的電流，經過處理后，傳ITechnologyInnovation，／技術創新輸到上位機。
為了避免數據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據傳輸的準確性，水廠在這段距離上鋪設了光纖，保證了數據實時準確傳輸。
3成果分析
3．1對生產指導意義
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。若監測曲線突然發生變化，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生變化，原水水質是增大否惡化，然后判斷濾池是否出現故障。
根據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)，根據曲線，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。
從監測歷史曲線分析水質變化與反沖周期，根據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經濟效益
自2013年水質在線監測系統投入使用，至2015年底，在來水相對穩定的情況下，各項生產指標均有降低，藥耗由8．97降到了3．14，節約三氯化鐵318．74公斤，每噸三氯化鐵1200元，節約資金38萬元。原水利用率由97．06％提高~U98％，節約自用水量636．0381千立方米，原水水價每噸0．79元，節約資金50萬元，共節約資金88萬元。
安科瑞電氣針對水廠監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品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監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由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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運行狀況，并且根據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
4.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控
對水務配電系統中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現遙測、遙信、遙控、遙調等功能，對異常情況及時預警。
監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。
4.4.2電能質量監測與治理
水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、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
馬達監控實現水務中電機的保護、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、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態、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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
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域。
將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，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。
能耗數據統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、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業/先進指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
4.4.5智能照明控制
系統為污水廠、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，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。
4.6電氣安全
監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。
根據預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。
監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。
4.6.4 防火門監控系統
防火門監控系統集中控制其各終端設備即防火門監控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態，實時監測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統采用消防二總線將具有通信功能的監控模塊相互連接起來，當終端設備發生短路、斷路等故障時，防火門監控器能發出報警信號，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 環境監測
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，排除隱患，保持良好的水處理環境。
4.8分布式光伏監測
實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。
平臺結合廠區實際分布情況，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、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。
4.9工藝仿真監控
平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、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。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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。
5.相關平臺部署硬件選型清單
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應用場合（10KV） |
產品 |
型號 |
功能 |
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10KV進/饋線 |
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AM6-L |
相間電流速斷保護，相間限時電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。 |
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10/0.4KV變壓器 |
AM6-S |
分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接 點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、 裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT 斷線、CT 斷線、對時異常等) 、遙控 開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、 跳閘、故障電流電壓)等。 |
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智能操控裝置 |
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ASD500 |
一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。 |
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10KV計量 |
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APM520 |
該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。 |
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6.結束語
系統以安科瑞為核心，通過上位機實現水質在線監測。本系統運行可靠，可使水廠及掌握水質變化情況，及時對生產進行調整，在指導生產的同時提高了經濟效益。
參考文獻
- 洪覺民．現代化凈水廠技術手冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，2013
- 陳天華，王辛基于PLC的恒壓變頻工廠供水系統設計，2013，35(13)：90~95
[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版
[4] 吳廣健，李茜，霍霞.在線監測系統在供水水廠的應用
作者簡介：
龔永波，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電，Email: 28801392115@qq.com手機：18702101301 QQ:2881392115