浅谈在线仪表在水厂建设中的应用

宋悦晨

（北京市自来水集团基建工程管理分公司，北京 100000）

关键字：自动化；自来水厂；PLC；以太网；在线仪表

近年来为缓解北京西部地区供水压力，按城市总规的要求、配合南水北调总体水资源配置规划，根据《北京市南水北调配套工程2012～2014年行动计划》新建了石景山水厂。工程永久占地6.10公顷，其规模为20万m3/d，此工程于2021年6月10日完成预进水工作并进入全厂全面调试阶段。水厂的基本工艺流程如下图：

1.石景山水厂自动控制仪表系统的组成

1.1 全厂自控系统结构

如图1所示，石景山水厂全厂自控系统结构图。系统主要由9个PLC控制分站组成，即PLC1～PLC9分站，每个PLC分站下的PLC子站采用modbus现场总线通讯与设备及仪表进行数据交换，分站的数据通过双绞线上传至每个分站交换机柜内的自控以太网交换机，交换机通过1000MbpS工业以太网相互串联并与中控室的以太网核心交换机组成光纤环网，以实现现场控制层与上位管理层间的数据通讯。中控室的上位管理层设置两套操作站、两套工程师站、一套大屏幕及控制计算机、两台数据服务器、两台网络打印机等设备。这些设备的实时数据通过双绞线连接至以太网交换机并通过4芯多模光纤与综合楼交换机相连以实现与综合楼管理计算机及水质计算机的数据交换。综合楼交换机通过4芯多模光纤与全厂总交换机相连再通过集团专网上传至自来水集团总公司。

图1 石景山水厂工艺流程图

图2 石景山水厂全厂自控拓扑图

1.2 水厂常用在线仪表

水厂的自动化监控系统需要大量的在线仪表作为基础搭建而成，合理地选型和配备至关重要。为了更好地应对日常的技术管理以及维护维修工作，掌握仪表的基本原理也是非常必要的。

1.2.1 压力变送器

压力变送器（通常也作为液位变送器）是水厂中常用的工艺参数传感器之一，多用于制水各工艺段的输水管道压力（静压）以及水池水位的测量。其物理原理是将气、液等介质的压力信号经过变送器的转换功能特性并与外围电路相配合变换为与原始被测物理信号成比例关系的电信号传至自控系统。

通常的压力变送器类型主要有：压电式，压阻式，电容式等。

压电式压力变送器是压电效应的具体应用，它是利用某些晶体在受到外界压力时其表面会产生电荷这一特性，电荷的数量与外施压力存在固定的比例关系。

但由于在压力不变或变化缓慢时所产生的电荷易通过外部电路泄漏，所以压电式变送器不能用于静态压力测量而适合动态压力的测量。

电容式压力（差压）变送器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而形变时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与之一定关系的电信号。其机理公式为：

其中εr为相对介电常数，S为横截面积，为真空介电常数，即ε，d为薄膜与固定0电极之间的距离。

压阻式压力变送器是利用半导体的电阻率随承受的压力而改变的压阻效应，在半导体晶片的受力部位依照不同的晶向刻蚀出四个扩散电阻，组成四臂惠斯顿压阻电桥。当外力作用下，因电阻变化并与外部电路相连产生相应的电信号与外施压力信号相对应。具有低廉价格和较高的精度以及较好的线性特性。因此在水厂中得到应用。

1.2.2 流量仪表

水厂自动控制系统中流量仪表是对所处理的水量进行积累，并掌握运行中水量的瞬时变化。水厂在通常情况下，将流量仪表安装在处理前水进口及处理后水排放口。在现代水厂中应用最为广泛的两种流量计为电磁流量计及超声波流量计。

电磁流量计的基本原理是基于法拉第电磁感应定律，导电流体通过磁场作切割磁感线运动会产生感应电动势。具体为在管道上安装电磁线圈，流动的液体作为切割磁力线的导体产生的感应电动势与流体的流速成正比关系。当磁感应强度B不变、管道直径D一定时，流体切割磁力线而产生的感应电势E的大小仅与流体的流 v 速有关。其机理公式为：

综上，电磁流量计所测得的流速与流量均为瞬时值，因此它是理论上精度最有优势的流量计也是在现代水厂中应用最为广泛的流量计。

超声波流量计测量属于非接触式测量。它通过发射超声波，穿过流动的流体，被接收后，经过信号处理反映出流体的流速。根据流速便能算出流量。其基础公式如下：

V：待测介质流速；θ：声束与液体流动方向的夹角；M：声束在液体的直线传播次数；D：管道的内径；T顺：声束顺流时的传播时间；T逆：声束逆流时传播的时间；以及客观的已知不变量V声：声速。

根据以上关系，可以看出超声波流量计测量测得的流速为上、下游传感器间的平均速度，即流量也为平均值。因此其在测量精度上较电磁流量计欠佳。不过，它有几乎不受被测介质的各种参数干扰的特性，尤其可以解决其它仪表不能解决的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。例如，石景山苹果园反渗透水处理站在反渗透处理前端安装了电磁流量计用于进水流量测量，而反渗透处理后则安装超声波流量计测量出水流量，其原因就是由于经反渗透处理后的水体导电性近似于纯水为非导电体（而这种情况很容易被忽视）。超声波流量计恰好为此种环境下的合理选择。

1.2.3 水（泥）质分析仪表

通常情况下，水厂自动控制系统中分析仪表主要有pH仪、浊度仪、余氯分析仪及温度计。其中余氯仪应用于滤池后出水及出厂水处，主要测量水中游离余氯的浓度；pH仪应用于原水进厂处及出厂水处，主要测量水体的酸碱度；浊度仪应用于原水进厂处及机加池排泥间沉淀后出水处，对水厂中水悬浮物的浓度给予检测；温度计应用于在特殊季节对水体温度进行实时监控，以预防水体结冰而导致供水不利。

1.2.4 液位仪表

液位仪表也是水厂自动控制系统中常用的检测仪表，其作用在于根据池体液位的实时情况及工艺需要对进出水闸阀的开度进行实时的控制。其中静压式液位计及超声波液位计在现代水厂中应用最为广泛。

静压式液位计通过被测液面与基准液位的压力差来测定。这种方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的原理来实现的，因此称为静压法。静压式液位计的探针投入被测液体中，探针处受到的液体压强（力）P= ρ·g·h 。

超声波液位计是由换能器(探头)发出高频超声波脉冲，遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=C×T/2。

1.3 石景山水厂在线仪表的选取

在石景山水厂建设中，自动化控制设备和在线检测仪表的选型遵循可靠性高、使用方便、安装及维护简单和价格合理的基本原则，并严格遵照《自动化仪表选型设计规范》HG/T20507-2014选择其行业中的主流产品，在设计上预留扩充空间。

1.3.1 压力变送器

石景山水厂的压力变送器主要设在各工艺管道检测管道压力（静压）以及各水池水位。依据常用压力变送器的特点（在水厂在线仪表及基本原理一节已有说明），水厂选用了压阻式压力变送器（配套仪表）。分别在进水组团的提升泵房，预臭氧接触池的增压泵房，排泥池，浓缩池及配水泵房配备了该仪表，以测量提升泵，增压泵，排泥 泵及配水泵泵后的管道内压力和水池水位。

1.3.2 流量仪表

由于本厂水线及泥线的主要工艺环节中不含有非导体待测介质，因此均选取精度更好的电磁流量计作为主要流量测量仪表。

石景山水厂主要流量计分布如下：进水组团前进水阀室2台DN1400电磁流量计；格栅间进水管（位于进水组团出水后）2台DN1200电磁流量计；滤池总进水管（单管）1台DN1000电磁流量计；泥线机加池出水管2台DN350电磁流量计；排泥池2台DN400电磁流量计；浓缩池出泥管2台DN150电磁流量计；污泥平衡池2台DN150电磁流量计；配水泵房4条配水支管各一台DN800电磁流量计；配水泵房总出水管1台DN1800电磁流量计。

1.3.3 水质分析仪表

石景山水厂分别在进水组团的提升泵房进水处、滤池管廊间及配水泵房出水处配备了全套的水质仪表柜（包含pH/温度计，浊度仪，余氯分析仪、颗粒计数仪等），并在水线机加池的6个池体分别配置了浊度仪。用于监控重要工艺环节前后的水质，从而调控加药工艺。出于对经济与精度平衡的考虑，提升泵房处的浊度计选用了100NTU的高量程浊度仪，而配水泵房，机加池以及滤池处的浊度计选用了0-20NTU的低量程浊度仪。由于进水组团提升泵房处的水质接近于原水，水体的浊度相对较高而且并不稳定，因此我们在此处选择了更为经济同时也更适宜的高量程浊度仪；配水泵房后的出水要打入城市的供水管网，所以此处的浊度须满足城市供水水质标准，此处选择了精度更优秀的激光浊度仪，从而对出厂水浊度进行严格的把控。

1.3.4 液位仪表

石景山水厂由于在进水组团集水池处水体气泡较多震荡较剧烈，水体内杂物藻类含量高，介质不均匀因此在该处选取了静压式液位计。废水回收池、机加池、清水池以及泥线的排泥池和浓缩池等工艺环节全部选用了超声波液位计。滤池处的液位计数量较多，一般出于经济的考虑多选取静压式液位计，而近年来某些水厂运行过程中出现过静压式液位计的探针常常在滤池完成反冲洗过程后被埋入滤料层以下，影响正常的工艺运行。处理时通常需要该池退出运行并借助人工将探针挖出。不仅处理起来十分麻烦同时还加大了其他池体的运行负荷。通常滤池水位在运行时变化相对平稳无大体积杂物，所以石景山水厂滤池水位液位计选用了无接触式的超声波液位计。

2.水厂调试中的问题及总结

石景山水厂初步试运行前期阶段，滤池的超声波液位计出现数值波动较大的问题，有工作人员认为是液位计质量问题，曾联系仪表厂家对问题整改。但其实真正原因是：石景山水厂由于工期紧张，在试运行初期阶段，进水组团的预加药系统及机加池的斜管均为处未就绪状态。当时滤池的水体虽为静置态但水体介质并不均匀，水体中混有造成传声障碍的杂物，从而影响了仪表的测量效果。

试运行阶段还出现了提升泵与配水泵轴承温度数据无法上传至自控系统，从而无法实现远程监视的问题。原因是：施工单位自采员采购的水泵不含modbus通讯接口，而PLC柜供货厂家按照泵体含有modbus通讯接口而定制的柜体，柜体内部无法添加更多的数据模块和接线端口用于模拟信号线的接入。只能通过工程洽商增加带有modbus通讯接口的温度巡检仪将水泵机组温度信号接入自控系统。

作为日后承担重要供水任务的净水水厂，要做到投产运行后供水作业的万无一失。全面调试阶段是水厂建设阶段中的重要环节，在这个阶段暴露的任何问题不仅要清楚原因、整改仔细，还要在此基础之上提高相关管理人员的专业素质，勤于思考，举一反三，总结提炼，做好经验札记。为使用中可能出现的情况做好维护的预案。同时可为之后的水厂工程建设提供有力参考，使工程更加顺利。