淺談智能儀表與網(wǎng)關在水廠中的應用

【摘要】：本文介紹了自動化在線儀表在自來水廠中的應用，并結(jié)合實際提出需注意的地方。

【關鍵詞】：自來水廠在線儀表PLC系統(tǒng)

1概述

在現(xiàn)代化的水廠中，每一個生產(chǎn)過程總是與相應的儀表及自控技術有關。儀表能連續(xù)檢測各工藝參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)的數(shù)據(jù)進行手動或自動控制，從而協(xié)調(diào)供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各水處理工藝之間的關系，以便使各種設備與設施得到更充分、合理的使用。在水處理工藝流程中，在相應的工藝段配置檢測和分析儀表?，F(xiàn)場的儀器儀表作為自控系統(tǒng)的直接檢測部分，其性能的優(yōu)劣將直接影響整個工藝的運行。為此選用質(zhì)量可靠、技術的、性價比高的現(xiàn)場儀器儀表。

自動化檢測儀表主要由三個部分組成：

①傳感器，利用各種信號檢測被測模擬量：

②變送器，將傳感器所測量的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的電流信號，并送到可編程序控制器(PLC)中：

③顯示器，將測量結(jié)果直觀地顯示出來，提供結(jié)果。這三個部分有機地結(jié)合在一起，缺少其中的任何一部分，則不能稱為完整的儀表。自動化檢測儀表以其測量、顯示清晰、操作簡單等特點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，而且自動化檢測儀表內(nèi)部具有與PLC的接口，更是自動化控制系統(tǒng)中重要的部分，被稱為“自動化控制系統(tǒng)的眼睛"。

根據(jù)水處理工藝的實際要求，結(jié)合我廠所積累的實際運行經(jīng)驗和國內(nèi)外儀器儀表的實際情況。我們選用的分析儀表均為安科瑞產(chǎn)品，從而根本上保證了檢測部分的穩(wěn)定性和準確性。

2水廠采用智能儀表系統(tǒng)原則

現(xiàn)場儀表作為計算機監(jiān)控系統(tǒng)的檢測單元，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個計算機監(jiān)控系統(tǒng)的好壞。所以在儀表選型中遵循以下原則：

(1)可靠性

由于現(xiàn)場儀表檢測的介質(zhì)成分比較復雜，儀表安裝的環(huán)境比較惡劣。為了保證水處理過程的安全、可靠的進行，在選擇儀表時選用符合工業(yè)級標準的成熟定型的，且經(jīng)過現(xiàn)場使用并證明是成功的產(chǎn)品，儀表可在惡劣的溫度條件下工作。每個儀表均有防塵、防水型結(jié)構(gòu)，并能承受偶然出現(xiàn)的高壓水和臺風暴雨的沖擊，所有室外安裝儀表有自動恢復功能，儀表外殼均可靠接地。

(2)性

在系統(tǒng)可靠性的前提下，也至關重要。產(chǎn)品的主要表現(xiàn)在：具有自動補償功能、具有兼容性通訊協(xié)議、具有自診斷、信號保持、故障報警等功能。

(3)方便性

儀表在使用時具有安裝操作方便、簡單易學、界面清楚、功能實用，維護人員可以很方便的對儀表進行維護、檢修等操作。

3智能儀表應符合標準

整個水廠的過程檢測儀表分散設置于各個工藝處理構(gòu)筑物及工藝管道上，作為自控系統(tǒng)的在線檢測和數(shù)據(jù)采集設備。所需檢測的主要參數(shù)有：液位、壓力、PH值、余氯、濁度等。

所有過程檢測儀表均符合下列標準：

(1)所有儀表型號均應為制造廠商的新型產(chǎn)品。

(2)產(chǎn)品應易于維護和檢查，并提供易損害的備用部件

(3)有零度和滿度調(diào)整電路，并能方便地進行調(diào)整。

(4)設計有溫度補償電路和抗干擾電路。

(5)檢測度和響應時間應滿足水廠工藝和自控要求。

(6)螺紋或法蘭連接符合DIN標準。

(7)所有安裝在管道中的儀表都有連接閥門，便于儀表可以拆修。

(8)所有儀表都帶有4~20mADC輸出。

(9)所有儀表都有可靠的接地。

(1O)水質(zhì)分析儀使用化學試劑時，應遵循試劑價格低、無毒性、貨源廣的原則。

4主要儀表應用介紹

(1)霍爾電流傳感器

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集，廣泛應用于電流監(jiān)控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達驅(qū)動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號采集和反饋控制，具有響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強等優(yōu)點。

(2) APM系列網(wǎng)絡電力儀表

在廠區(qū)出水安裝了安科瑞電氣APM系列網(wǎng)絡電力儀表是按IEC標準設計，與國際技術同步的網(wǎng)絡電力儀表。具有全電量測量，電能統(tǒng)計，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡通訊等功能，主要用于對電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表采用了模塊化設計，配合功能豐富的外部DI/DO模塊、AI/AO模塊、MicroSD卡(TF卡)事件記錄(SOE)模塊、網(wǎng)絡通訊模塊、溫濕度測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關狀態(tài)監(jiān)控，雙RS485和以太網(wǎng)接口配合可實現(xiàn)RS485主站數(shù)據(jù)抄送，省去數(shù)據(jù)交換機。PROFIBUS-DP接口可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能，將測量的結(jié)果傳輸?shù)絇LC及上位機。

（3） PZ系列智能直流電能表

PZ系列智能直流電能表是針對直流屏、太陽能供電、電信基站、充電樁等應用場合而設計的，該系列儀表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。既可用于本地顯示，又能與工控設備、計算機連接，組成測控系統(tǒng)。同時它具有多種外圍接口功能可供用戶選擇：帶有RS-485通訊接口，采用Modbus-RTU協(xié)議；可帶繼電器報警輸出、開關量輸入/輸出。根據(jù)不同要求，通過儀表面板按鍵，對變比、通訊進行設置與控制。

5儀表安裝規(guī)范及日常維護要求

(1)霍爾電流傳感器

霍爾傳感器在使用時，為了得到較好的動態(tài)特性和靈敏度，注意原邊線圈和副邊線圈之間的耦合，建議使用單根導線且導線填滿霍爾傳感器模塊過線孔；

霍爾傳感器在使用時，在額定輸入電流值下才能得到佳的測量精度，當被測電流遠低于額定值時，若要獲得佳精度，原邊可使用多匝，即：IpNp=額定安匝數(shù)。另外，原邊饋線溫度不應超過80℃；

霍爾電流傳感器正常工作時的輔助電源不應超過標定值的±20%；

霍爾電流傳感器在安裝使用過程中嚴禁從高處摔落(≥1m)；

不能調(diào)節(jié)零點、滿度調(diào)節(jié)電位器；

輔助電源需要自行配置；

電源正負極不能接反。

(2)APM系列網(wǎng)絡電力儀表

安裝在連通井內(nèi)并與池壁應保持足夠的距離，以消除浪涌和池壁對超聲波的干擾。

超聲波的發(fā)射方向應與物位面應保持垂直，并應采取保護措施，防止被測介質(zhì)表面產(chǎn)生或形成泡沫和可凝氣體導致產(chǎn)生測量誤差。

1. PZ系列智能直流電能表

安裝時，將儀表嵌入安裝孔內(nèi)，裝上塑料支架，擰緊螺釘，使儀表安裝牢固，不松動即可。

6儀表在使用出現(xiàn)的故障分析

1. 霍爾電流傳感器

在布線工程上要嚴格按要求施工；

對于暫時不需要通信的儀表都要將他們連接到 RS-485 網(wǎng)絡上，以便于診斷和測試；

進行 RS-485 電纜連接時，盡量使用雙色雙絞線，485 通信口“A"端接同一種顏色，“B"端接另一 種顏色。

RS-485 總線(從上位機通信口開始到末端被連接的儀表終端通信口)長不超過 1200 米。

(2)APM系列網(wǎng)絡電力儀表

供電電壓儀表常規(guī)供電電壓為：AC/DC85-265V；帶P2功能時供電電壓為：AC/DC115-415V。

1. PZ系列智能直流電能表

輸入的電壓不得高于產(chǎn)品的額定輸入電壓的 120%，在電壓輸入端須安裝 1A 保險絲；

電流輸入應使用外部分流器或霍爾電流傳感器。

7AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

7.1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(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監(jiān)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。

7.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、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(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

7.3平臺拓撲圖

7.4平臺子系統(tǒng)

7.4.1變電站綜合自動化系統(tǒng)及電力監(jiān)控

對水務配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護和弧光保護，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時預警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數(shù)據(jù)。

7.4.2電能質(zhì)量監(jiān)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(tǒng)中存在大量諧波，通過監(jiān)測其配電系統(tǒng)的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質(zhì)量，并配置對應的電能質(zhì)量治理措施提高供電電能質(zhì)量。

7.4.3電動機管理

馬達監(jiān)控實現(xiàn)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(jiān)測和報警。高效、準確地反映出故障狀態(tài)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

7.4.4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(qū)域。

將所有有關能源的參數(shù)集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現(xiàn)各個工藝環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(huán)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(tǒng)計趨勢。

能效分析按三級計量架構(gòu)，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(huán)比、對標等。通過污水處理產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析，同時將污水的單耗與行業(yè)國際指標對標，以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能量。

7.4.5智能照明控制

系統(tǒng)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(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高效的目的。

7.4.6電氣安全

7.4.6.1電氣火災監(jiān)測

監(jiān)測配電系統(tǒng)回路的漏電電流和線纜溫度，實現(xiàn)對污水廠、自來水廠、水泵站的電氣安全預警。

7.4.6.2消防應急照明和疏散指示

根據(jù)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(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

7.4.6.3消防設備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

7.4.6.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

防火門監(jiān)控系統(tǒng)集中控制其各終端設備即防火門監(jiān)控模塊、電動閉門器、電磁釋放器的工作狀態(tài)，實時監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關閉及故障狀態(tài)，顯示終端設備開路、短路等故障信號。系統(tǒng)采用消防二總線將具有通信功能的監(jiān)控模塊相互連接起來，當終端設備發(fā)生短路、斷路等故障時，防火門監(jiān)控器能發(fā)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。

7.4.7環(huán)境監(jiān)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(tǒng)，排除隱患，保持良好的水處理環(huán)境。

7.4.8分布式光伏監(jiān)測

實時監(jiān)測低壓并網(wǎng)柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數(shù)及斷路器開關狀態(tài)，逆變器運行監(jiān)視，對逆變器直流側(cè)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(shù)、當前發(fā)電功率、累計發(fā)電量進行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)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(wǎng)點位置，各個屋頂?shù)难b機容量。

7.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實時監(jiān)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(tài)。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(zhuǎn)、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(xiàn)電動機自動或遠程控制，監(jiān)視、控制各個工藝設備,保障正常生產(chǎn)。

8相關平臺部署硬件選型清單

8.1電力監(jiān)控、電能質(zhì)量、電動機管理及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

9結(jié)語

自動化在線儀表在自來水廠自動化控制中應用越來越廣泛，合理地使用在線儀表并科學管理及維護保養(yǎng)，能夠為供水水質(zhì)提供有力保證。另外，適當增加閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，對一些關鍵生產(chǎn)場所進行直接監(jiān)視，可為安全生產(chǎn)提供更有效保障。

參考文獻：

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

[4]吳勇.智能儀表在水廠中的應用與管理