在線監測系統在供水水廠的應用

吳廣鍵+李茜+霍霞

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，采用西門子PLC，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：自來水廠；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，目前該系統已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1升蒸餾水中含1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《生活飲用水衛生標準》要求飲用水濁度不能超過1。

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，水廠有平流、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。

水廠在線監測系統下位機PLC為西門子PLC200系列：1臺CPU226型控制器，1個EM231模擬量輸入模塊，1個CP243-1以太網模塊。水廠監控儀表使用哈希系列儀器，為PLC200提供一個4～20mA的電流，經過處理后，傳輸到上位機。系統硬件設備還包括1套PC/PPI電纜，3臺SC200型控制器，3臺1720E濁度儀，2臺SS7濁度儀。

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。

2.2 系統軟件設計

本系統采用模擬量模塊現場采集儀表輸出電流，通過STEP 7-Micro WIN編制程序，根據水廠實際設置地量程濁度儀上限為20NTU，高量程濁度儀上限為1000NTU。

監測系統上位機采用Wincc設計監測畫面，包括主畫面、歷史曲線畫面，主畫面直觀動態地顯示現場濁度。

3 成果分析

3.1 對生產指導意義

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到1NTU用時11小時。若監測曲線突然發生變化，即圖中梯度迅速增大時，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，當濁度降到1NTU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%提高到98%，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。

4 結束語

系統以西門子PLC為核心，通過上位機實現水質在線監測。本系統運行可靠，可使水廠及時掌握水質變化情況，及時對生產進行調整，在指導生產的同時提高了經濟效益。