趙文耕
《給水排水》編輯部

　　0 引言

　　從《給水排水》雜志1964年首次刊登關于水廠自動控制方面的文章至今已經30多年了，自動化控制的發展歷程也從簡單的水源井遙測發展到如今的大型數據采集與控制系統(SCADA)，尤其是從80年代開始引進國外先進設備與技術以來，我國的水廠自動化技術有了長足的發展。
　　為了提高供水水質，確保供水安全可靠，同時又能降低能耗，降低藥耗，降低漏耗[1]，水廠自動化控制技術有廣闊的應用前景。許多的老水廠引入了自動化控制環節，更多的新建水廠在設計時就考慮了自動化控制。依靠現代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，節省寶貴的水、電資源是技術發展的必然趨勢。水廠自動化是我國水工業發展的方向，也是我國“供水2000年規劃”的主要目標。
　　0.1 水廠自動化控制的分類
　　對于水廠自動化模式大致可分為：SCADA系統(Supervisory Control And Data Acquisi-tion)，DCS集散型控制系統(Distributed Control System)，IPC十PLC三種類型。
　　0.1.1 SCADA系統
　　SCADA系統是由一個主控站(MTU)和若干個遠程終端站(RTU)組成，MTU與RTU之間用物理鏈路層或數據鏈路層聯系，該系統特點：(1)組網范圍大，通訊平臺靈活，可實現一個城市或地區這樣較大的地理分布的監測和控制。通訊方式可采用無線有線或微波聯系；(2)系統分為主控機和遠程機兩部分，RTU的控制較固定，處理能力較小；(3)MTU或RTU通過通訊接口進行協議變換后可與其它網絡鏈接，可以組成較大，較復雜的通訊網絡；(4)系統實時性較低，對大規模和復雜的控制實現較困難。
　　深圳市自來水集團公司目前已經實現了以深圳市范圍內的給水SCADA系統。在中心控制室或者裝有終端的地方都可以隨時查閱任何一個檢測點的情況。
　　0.1.2 DCS系統
　　DCS系統是由多臺計算機和現場端機組成。通過網絡將現場控制站、檢測站和操作管理站、控制管理站及工程師站聯系起來。共同完成分散控制和集中操作。管理的綜合控制系統特點：
　　(1)采用分級，分布式控制；(2)在物理上實現了真正的分散控制，系統可靠性較高；(3)有較好的擴展能力；(4)系統的軟硬件資源豐富，可適應各種要求；(5)響應時間較快；實時性較好；(6)應用軟件的編程工作量較大，對開發和維護人員要求較高，開發周期長。
　　DCS系統具有較高的可靠性及良好的擴展能力，他注重與功能分散以求危險分散，他可根據用戶管理體系的需要和用戶功能要求，組成層次化(縱向分散)和功能化(橫向分散)的各類系統，借助于網絡技術，完成縱向和橫向的通信，或向最上層的管理機構通信。在軟件方面，有面向過程控制用的支持軟件和功能軟件包，以便于過程控制工程師擺脫軟件人員而獨立編程(生成應用程序)，其結構如圖1所示：

　　0.1.3 IPC十PLC系統
　　該系統是IPC和PLC組成的分布控制系統，可實現DCS系統的功能，其性能已經達到DCS要求，而價格比DCS低的多。開發方便，在國內水廠自動控制中得到最廣泛的應用。該系統特點：(1)可實現分級分布控制;(2)可實現集中管理分散控制的功能，將危險分散，大大提高了系統的可靠性；(3)可靠性高，組網方便；(4)編程方便，開發周期短，維護方便；(5)系統內的配置和調整非常靈活；(6)與工業現場信號直接相連，易于實現機電一體化；(7)系統分布不大。
　　由于DCS系統運行可靠性高，能實現中心控制室、現場監控子站和就地控制的分級控制，模塊化結構，擴展靈活，結構開放，組網力強的優越性，遂被多家水廠采用。北京水源九廠第三期濾池自動控制就采用了該系統。
　　0.2 水廠自動控制系統可實現的功能
　　(1)保證用戶管網供水壓力恒定。操作人員設定管網壓力后，系統根據設定值和壓力傳感器測得的管網壓力實際壓力信號比較，采用變頻系統自動控制加壓泵站中的泵啟動臺數。在較高的精度范圍內保證管網的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下最大限度地節省電能，同時減少了由于無謂磨損，頻繁啟停等原因對水泵造成的損害。以及用水低峰時，由于管網壓力過高造成跑冒事故，浪費寶貴水源。
　　(2)蓄水池水位自動控制。由于用戶用水量的變化較大且具有隨機性，而水廠對蓄水池內水位控制的精度要求較高，自動控制的實現一般采用水位維持在標準范圍內的前提下，合理開關深井泵臺數，避免深井泵的不合理頻繁啟停。
　　(3)自動倒泵功能。為防止某臺水泵長期不運轉發生銹蝕，由PLC控制水泵定期倒換。
　　(4)防止水錘功能。由于管內壓力較高，為防止水錘對水泵的沖擊，在每臺加壓泵的出水口處安裝電動蝶閥，由PLC按照先開泵，再開閥；先關閥，后關泵的模式進行控制，有效地防止了水錘的危害。
　　(5)參數顯示一目了然,數據存儲方便。水泵的電壓、電流、閥門狀態、清水池液位、深井液位、出水廠壓力、出廠瞬時流量、出廠累計流量等都可以實時顯示，對于以上數據的存儲、操作也十分方便，可供管理人員隨時調閱。
　　(6)生產管理功能。上位機隨時檢測并記錄水廠各臺水泵的出水量及運轉狀態，以班次為單位生成生產報表，自動統計出水量及耗電量，并存入指定單元。
　　(7)報警及保護功能。當發生電氣，液位，機械等故障時系統進行聲、光報警，并采取相應措施。
　　由此可見，水廠自動化控制系統的實現有效地防止了因為操作不利、不及時而產生的問題，不但節省了水電資源，也提高了水質。
　　0.3 水廠自動化設備
　　0.3.1 控制設備
　　控制設備包括：監控電腦，可編程控制器，工控組態軟件。其中主要的部件即是可編程控制器(Programmable Logical Controller)，簡稱PLC(或PC)，1969年在美國DEC公司出現以來，經過多年的發展，現在已成為一種應用范圍很廣泛的新一代工業自動控制裝置，至今，它在供水領域的自動控制中的作用與貢獻非常明顯。目前，可編程控制器的生產廠家有幾百家，從微型PLC到大型PLC，都有許多型號和系列，其主要生產廠家有：美國艾倫—布拉德利(ALLEN—BBADLEY)公司，簡稱AB公司；(2)美國通用電氣(GENERA—LELECTRIC)公司，簡稱GE公司;(3)德國西門子(SIEMENS)公司；(4)德國通用電氣 (AEG)公司；(5)法國(TELEMELANIQUE)公司，(6)日本三菱公司(MITSUBISHI)公司；(7)日本立石(OMRON歐姆龍)公司。近年來，美國生產的PLC系列產品以穩定性高，價格相對低廉，而受到了廣大用戶的肯定。
　　對于PLC的國產化問題很多專家都達到了一定的共識：由于國外產品技術成熟而且價格便宜，國內廠家無須再投入相當的人力和財力去搞同類重復性質的勞動了，而直接用國外產品即可。但是并不是說沒有必要進行相關的科研，我們完全可以利用國外大公司生產線和技術更新時間較長的弊端生產出技術跨度較大的產品，這完全是有可能的。
　　0.3.2 監測儀表
　　監測儀表包括：流量計、水位計、壓力表、各種在線水質分析儀表。其中的某些設備國內均可生產，而且性能與國外同類產品相同。比如說流量計，壓力式水位計，壓力表，臺式濁度計，單因子投藥控制儀等等。在很多水廠中的一次儀表，完全可以選購國內產品，不過，pH計，氨氮計和SCD國內技術尚未成熟。
　　0.3.3 執行設備
　　執行設備包括：濾池各個閥門、各種水泵閥門、變頻器等。除了變頻器還可以用國外設備外，其他泵閥均可用國內產品。
　　0.3.4 附屬設備
　　附屬設備包括：避雷器、閉路電視、通訊天線等。
　　0.3.5 執行設備的作用
　　在實現計算機全自動控制目標前，首先檢驗現場設備是否正常運行，計算機與現場設備接口部分是否正確。執行設備的正常運行，是自動系統能夠成功運行的基礎。如果他們穩定性差、精度不夠、不按要求動作等；自動化控制系統是不會正常運行的，也就不能實現自動化控制。

　　1 設備國產化現狀

　　1.1 引進設備應用現狀
　　北京水源九廠的供水能力隨著第三期擴建工程的投產已達到150萬m3／d，約占北京市區供水能力的52％，在首都供水系統中起著舉足輕重的作用。
　　九廠的自動化控制由中心控制室和加藥控制站、一期濾池控制站、預處理控制站、二期濾池控制站、配水泵房控制站、污泥控制站、懷柔取水控制站、密云取水控制站等8個分控制站組成。凈配水廠與懷柔、密云2個取水廠采用無線通訊方式傳遞數據。九廠利用國家撥給的外匯，在以往的工程當中(包括一期二期工程)引進了下列設備：
　　(1)變頻調速裝置、電機、水泵機組4臺套，水泵設備由英國馬勃公司提供，驅動電機和可控硅變頻調速裝置由德國西門子公司提供。
　　(2）液壓轉芯閥(ROTO閥)4臺套，美國產品(Allis Charms)。
　　(3)加藥計量泵12臺套，德國普明能廠產品，該產品的特點是采用隔膜技術，使腐蝕性強的藥液(三氯化鐵FeCl3)與泵的金屬件隔開。
　　(4)加氯、加氨設備共20臺套，采用的是美國首都公司的產品，這是在了解深圳自來水公司引進設備使用情況后做出的決定。
　　(5)水廠制水過程監控系統成套設備及軟件、現場監測儀表、有線無線數據通訊設備等。整套控制系統由日本橫河公司提供，取水泵站由于工藝比較簡單，選用了YEWPACK單總線綜合儀表集散行進控系統。凈配水廠采用了雙重化的CENTUM綜合儀表集散型監控系統，全系統設一個中央控制站，5個分控站，此外，配套引進了主要水質、水位、水量監測儀表，包括濁度、堿度、氨氮、PH、溶解氧、溫度、超聲波流量計、大口徑電磁波流量計等。對于引進工作應當看作當前權宜之計，而不是永遠方針。實際上引進是手段，而消化吸收才是目的。由于水源九廠引進的主控設備為日本橫河公司早期的產品，屬自控系列的中期產品，致使中心控制室由于種種原因到現在只能對全廠的參數進行檢測，而不能實現實時控制，還需要現場控制室的配合，該系統控制形式雖屬于DCS系統，但是沒有實現分級管理，分級控制的功能。不過九廠一期二期經過10多年的實際運行，沒有出現過較大的故障或問題，可見系統的穩定性能較好。基于此，九廠三期濾池的控制設備依然采用橫河公司的產品，投入生產至今效果良好。
　　值得一提的是，國產設備在三期工程中的所占比重較大。實踐證明國產自動化控制設備完全可以取代國外同類產品，這樣還可以節省大量外匯，并可得到及時的售后服務。
　　1.2 國產設備應用現狀
　　一些國內新建水廠相繼采用了計算機監控系統，但這些水廠都采用可編程控制器 (FLC)，其被控設備大都為進口，而且都是在建廠時期全套引進，同期設計，同期安裝、調試，建設一步到位。相對于以國產設備為主，已建成生產的老水廠，因設備可靠性差、故障率高，缺乏實現自動化的基礎條件，所以老水廠實現計算機控制管理系統，在國內供水行業中應用得不多。
　　筆者有幸參觀了位于深圳市的大涌水廠，大涌水廠的自動化系統改造就是以完全國產化設備為基礎，《給水排水》雜志曾對其運行及效果作過相應的報道，不再贅述。大涌水廠自動化改造工程得到了專家的肯定，運行效果一直良好。這又是一個有力的佐據：國產設備完全可以達到相同的控制效果，而且還可節省大量金錢。
　　縱觀水工業的發展歷史，最近10年水廠自動化方面的發展尤為顯著，隨著對于國外設備和先進技術的引進和自身的不斷摸索與進步，國內水廠自動控制程度也逐漸接近世界先進水平。10年前，某工程師在總結國內監控技術與國際水平的差距時說道：國外水廠普遍實行集中監測，分散控制。而今天我國的大部分水廠均已實現了如上所述自控功能，而且國產設備通過在水廠自動化改造中的應用也可以完全實現了當初另我們刮目相看的國外自動控制技術的自動化水平。只要有一定的時間，并且再加上自己不懈的努力，有些技術難關是完全可以攻破的。比如說：大口徑流量計，一直到80年代末我們都無法自己生產大于2m的流量計，北京水源九廠輸水管道上安裝的2.2m的流量計就是引進日本的橫河公司的產品，現而今，不僅是超聲波流量計，還是電磁流量計，而且直徑大于3m的我們都能生產，國內有能力生產的廠家有很多。
　　呼吁實現自動化控制設備國產化，不僅是市場的需要，也是用戶的需要，我國水廠自動化控制發展最快的幾年當中，從國外引進了大量的設備。據不完全統計，從1990年到1996年有19家水廠引進了設備，其費用達1.84億美元[23。貸款國有奧地利、日本、芬蘭、西班牙、英國、法國、澳大利亞、瑞典、荷蘭等國家。從這些國家貸款，就要有一定比例的設備從該國購買，質量不能得到保證，這給日后維修與更換帶來諸多不便，更何況有的國家的備件索價很高，幾乎相當于整套設備的價錢。廣大的用戶需要某些設備實現國產化。

　　2　 引進設備與技術存在問題

　　2.1 硬件質量問題
　　從調查中可知，進口設備中計量泵、壓力變送器、低量程濁度儀、pH測定儀、電導測定儀、余氯測定儀、液位變送器、溫度變送器、監控主機、PLC或RTU等儀表和設備80％以上運行良好或正常[3]。而問題較多的設備如堿度計引進后從未投產或因運行中故障極多而被拆除占2／3，氨氮測定儀、溶解氧測定儀有1／3因使用中故障極多以至引進后從未投人生產，濃度測定儀和差壓變送器有1／4因運行中問題較多而停用。這些產品嚴重地影響了水廠自動化系統運行。
　　水廠自動化控制是一個系統工程，因此除了自控設備、自控儀表必須質量有保證外，即使是一些次要的配套設備也必須忠于工藝要求，密切配合主體系統，才能使自動化系統整體運轉起來。然而在調查中發現，很多環節的自動化系統運轉不起來，并非是自控系統上存在問題，或是自控儀表、自控設備存在問題，而是配套設備存在著質量問題，如變頻設備故障3濾池清水閥門開啟度不穩定，不能按指令動作到位3鼓風機電機燒毀等故障；嚴重地妨礙了泵房自動控制和濾池自動反沖的正常進行。
　　2.2 軟件質量問題
　　關于產品質量問題，還包括計算機軟件及PLC程序編制上存在的問題。有的水廠經常發生計算機“死機”現象，有的原設計只允許一格一格進行濾池沖洗，卻常有二三格濾池同時沖洗現象發生。諸如此類，都是軟件質量問題，它們造成控制和調節的紊亂，自控無法正常進行。
　　國內計算機或通訊設備與進口設備的計算機網絡相連比較困難，這包括以下3方面原因：其一，由于外商強調技術專利，不肯將軟件編制向用戶公開，造成聯網及檢修的困難；其二，由于在技術上，實現聯網也必須進行處理，這些技術處理問題也存在著一定的困難；其三，由于擔心“變動”進口設備，可能引起預料不到的情況而影響正常生產，因此不敢調整變動，也就無法與國內設備聯網，影響了系統的合理性和統一性。
　　有些引進設備在運行中發生故障后，由于沒有備品備件，國內無法修復，而請原產品供應商前來修理，則時間很長，而且費用極高。

　　3 國產自控設備的出路

　　引進國外先進技術、設備，建立水廠監控系統、城市調度系統，無疑推動和促進了我國供水行業的技術進步，開拓、充實了從事供水行業自動化人員的眼界和技術水平。但也存在大量問題。如，成套引進控制系統不僅價高，且售后服務跟不上。備品、備件的價格更高，有的甚至與主設備持平，且供應不及時。
　　應該看到這些年來，國內的一些制造廠商，或通過引進技術，或采取合資方式生產的電子設備，無論設備質量、技術的先進性，均可與國外設備相比。國內自己開發的計算機控制系統，在一些中小水廠，也得到了較好的應用。深圳大涌水廠就是很好的實例。實際上，國產自動化控制設備無論是從安全可靠性還是技術先進性都可以替代引進設備。而且價格便宜。
　　3.1 合理選型，降低投資
　　在設備選擇上不宜采用一家公司或者銷售商的配套選型方案，這樣的設備報價往往很高，能夠真正比較產品性能，通過自己的設計將不同的品牌的設備合理布置在一個水廠控制系統當中，是降低水廠自動化投資的一種有效方法，所以在水廠自動化設計中恰當選擇設備能夠較大幅度降低投資，降低幅度可以超過10％--20％。同時如果國內已有較成熟產品，也可以考慮用國產設備代替引進設備，這樣可以大幅度降低投資，還可以保證完善的售后服務。
　　3.2 “土洋結合”，合理組型
　　通過國產自控設備在某些水廠的成功的運行，說明國產設備是比較適合國情的，一次儀表、執行機構、和監控電腦、通訊設備選用國產設備，而國內發展尚不成熟的PLC可以選擇國外廠家或者國內集成商的產品。實踐證明，這種組合方式，首先具有較高的可靠性，其次就是可以大大降低投資。對于那些面臨水廠改造而資金又比較優先的水廠，可以選擇這種方式。
　　3.3 提高國產設備可靠性
　　水廠自動控制成敗的關鍵，就在于系統的可靠性，雖然國產設備的售后服務優于國外設備，但是經常性的維修也會給生產實際帶來麻煩。而水廠自動控制市場在水工業市場所占份額很大，所以要闖進這個市場，與國外具有豐富經驗的廠商競爭，必須提高設備的可靠性。

　　4 結語

　　實踐證明，國產的自控設備與產品基本能夠滿足水廠以及用戶的需要，除自控核心部件可編程控制器(PLC)由于國外企業或公司多年的生產經驗與完善的銷售渠道和售后服使得國產PLC失去了價格優勢外，其他設備比如控制軟件系統、通訊設備和某些一儀表等國產設備已經達到了用戶的需求，完全可以替代國外設備與產品。這與那些面臨動化改造而又短缺資金的水廠無疑是一個很好的選擇。水廠和其他一些用戶對于自動化看法逐漸形成了正確的認識，自動化并不意味著世界上最先進的設備，價錢上最高的投，只要能夠解決生產實際問題，低投資和較先進的設備依然可以達到相同的功能，這種情況下國產設備又是一個明智的選擇。

參考文獻
[1]汪光燾.城市供水行業2000年技術進步發展規劃.北京：中國建筑工業出版社，1993
[2]楊立福，趙靜生，張公度.給水排水自動化控制技術(SCADA)綜述.給水排水，2000(26)3：72--76
[3]吳月華.引進自動化控制設備存在的問題.給水排水，1997(23)