在线监测系统在供水水厂的应用

吴广键+李茜+霍霞

摘 要：针对自来水厂工艺老化、资金有限的问题，设计水厂在线监测系统，采用西门子PLC，对原水、滤后水、出厂水进行采样分析，并通过基于组态的上位机系统实现水质数据的实时监测。该系统指导了水厂工艺生产，提高了经济效益。

关键词：自来水厂；在线监测；PLC；经济效益

0 引言

近年来，我国水源地污染日益严重是城市供水行业面临的主要问题，这增加了城市自来水厂供水处理难度。我国城市供水行业以提高供水质量、改善供水服务、优化供水成本和保障供水安全为总体目标，因此部分水厂原有的混凝、沉淀、过滤、消毒等常规净水处理工艺都面临升级改造的需要，要对水厂水处理系统做出整体的生产效能评价，使其在水质达标的前提下尽量节省能耗控制生产运行成本。

水质在线监测在原有老工艺基础上建立了自动监测系统，及时反映水厂各环节水质变化，在尽量减少投资成本、节省能耗、控制生产运行成本的同时，更好的指导生产。本文设计的水处理在线监测系统，可用于水处理的各个环节，目前该系统已应用于秦皇岛市自来水有限公司海港水厂，优化了水厂水处理方案，提高了经济效益。

1 在线监测系统组成

目前，在线监测比较成熟的常规监测项目有：水温、PH值、溶解氧、电导率、浊度、COD、TOC、氨氮等等。对于水厂来说，由于资金有限、选择浊度进行监测。

浊度表示溶于水中的物质及悬浮于水中物质对光线透过时所发生的阻碍程度。它的标准单位是1升蒸馏水中含1毫克二氧化硅，叫做1毫克/升（NTU）的浑浊度。浊度是生活饮用水和某些生产用水的重要指标之一，国家发布的《生活饮用水卫生标准》要求饮用水浊度不能超过1。

水厂资金有限，无法在工艺的各个环节安装浊度仪，考虑到对生产的指导意义，先在四阀车间和虹吸车间监测经过过滤后的水质浊度（NTU）。四阀车间有六组滤池，但仅有一台浊度仪，为每组滤池安装一条采样管，浊度仪安装在下方，利用重力作用让采样水自动流到仪器中，在每条采样管上安装自动和手动阀门，可以按钮操作控制采样哪一组滤池；虹吸车间有三组滤池，也共用一台浊度仪，利用采样泵抽取滤后水沿着采样管为浊度仪供水，用按钮操作控制采样哪一组滤池。然后，陆续又在水厂原水及出厂水处安装浊度仪。水厂原水来自两个水源地：石河水库、桃林口水库。原水进入水厂后，要经过蓄水池，水会在蓄水池中存储2～3小时候才进入沉淀池，考虑到原水浊度对加药量的指导意义，把浊度仪安装在沉淀池进水口，水厂有平流、斜板两个沉淀池，每个沉淀池进水处各安装一台浊度仪。出厂水浊度仪安装在供水泵房，泵房有六台清水泵，需要在每台泵的出水口各安装一台浊度仪，考虑到资金问题，共用一台浊度仪，手动操作取水。

2 系统控制方案

2.1 系统硬件设计

水厂在线监测系统采用上位机结合下位机PLC的方案。PLC实质上也是一台计算机，其硬件结构基本上与我们常用的微机相同，即由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、ROM）、输入输出（I/O）模块、外设I/O接口、电源等组成。各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。它是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、控制功能强、灵活通用、易于编程、使用维护方便及体积小、功耗低等特点，十分适合用于在线监测系统的控制。

水厂在线监测系统下位机PLC为西门子PLC200系列：1台CPU226型控制器，1个EM231模拟量输入模块，1个CP243-1以太网模块。水厂监控仪表使用哈希系列仪器，为PLC200提供一个4～20mA的电流，经过处理后，传输到上位机。系统硬件设备还包括1套PC/PPI电缆，3台SC200型控制器，3台1720E浊度仪，2台SS7浊度仪。

为了避免数据由于距离而引起衰减，PLC200系列装置放在了虹吸车间距浊度仪很近的位置。由于上位机要放在办公楼，距虹吸车间有300多米的距离，普通屏蔽电缆无法保证远距离数据传输的准确性，水厂在这段距离上铺设了光纤，保证了数据实时准确传输。

2.2 系统软件设计

本系统采用模拟量模块现场采集仪表输出电流，通过STEP 7-Micro WIN编制程序，根据水厂实际设置地量程浊度仪上限为20NTU，高量程浊度仪上限为1000NTU。

监测系统上位机采用Wincc设计监测画面，包括主画面、历史曲线画面，主画面直观动态地显示现场浊度。

3 成果分析

3.1 对生产指导意义

从历史曲线看过滤效果，以四阀车间为例，反冲后，滤后水浊度由0.4NTU到1NTU用时11小时。若监测曲线突然发生变化，即图中梯度迅速增大时，说明滤池滤速变慢，过滤效果变差。需首先考虑沉后水是否发生变化，原水水质是否恶化，然后判断滤池是否出现故障。

根据历史曲线调整反冲水操作时间，以四阀车间为例。反冲后，浊度偏高，此时需打开初滤水阀门（出水阀门处于关闭状态），根据曲线，当浊度降到1NTU时，关闭初滤水阀门，打开出水阀门，以防止反冲后高浊水进入清水池，影响出厂水水质。

从监测历史曲线分析水质变化与反冲周期，根据变化周期对四阀车间进行反冲洗，在春秋冬三季时，水厂四阀滤池基本保持这种滤速运行，当夏季水质变差时，滤池的工作周期会更短。

3.2 经济效益

自2013年水质在线监测系统投入使用，至2015年底，在来水相对稳定的情况下，各项生产指标均有降低，药耗由8.97降到了3.14，节约三氯化铁318.74公斤，每吨三氯化铁1200元，节约资金38万元。原水利用率由97.06%提高到98%，節约自用水量636.0381千立方米，原水水价每吨0.79元，节约资金50万元，共节约资金88万元。

4 结束语

系统以西门子PLC为核心，通过上位机实现水质在线监测。本系统运行可靠，可使水厂及时掌握水质变化情况，及时对生产进行调整，在指导生产的同时提高了经济效益。