淺談智能儀表與網(wǎng)關(guān)在水廠中的應(yīng)用水務(wù)能源管理平臺

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

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

【關(guān)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(gè)生產(chǎn)過程總是與相應(yīng)的儀表及自控技術(shù)有關(guān)。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(jìn)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(guān)系，以便使各種設(shè)備與設(shè)施得到更充分、合理的使用。在水處理工藝流程中，在相應(yīng)的工藝段配置檢測和分析儀表。現(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(gè)工藝的運(yùn)行。為此選用質(zhì)量可靠、技術(shù)的、性價(jià)比高的現(xiàn)場儀器儀表。

自動化檢測儀表主要由三個(gè)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(gè)部分有機(jī)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(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)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(shí)際要求，結(jié)合我廠所積累的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外儀器儀表的實(shí)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(zhǔn)確性。

2水廠采用智能儀表系統(tǒng)原則

現(xiàn)場儀表作為計(jì)算機(jī)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(gè)計(jì)算機(jī)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(fù)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(jìn)行，在選擇儀表時(shí)選用符合工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(fēng)暴雨的沖擊，所有室外安裝儀表有自動恢復(fù)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(guān)重要。產(chǎn)品的主要表現(xiàn)在：具有自動補(bǔ)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(bào)警等功能。

(3)方便性

儀表在使用時(shí)具有安裝操作方便、簡單易學(xué)、界面清楚、功能實(shí)用，維護(hù)人員可以很方便的對儀表進(jìn)行維護(hù)、檢修等操作。

3智能儀表應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)水廠的過程檢測儀表分散設(shè)置于各個(gè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)：

(1)所有儀表型號均應(yīng)為制造廠商的新型產(chǎn)品。

(2)產(chǎn)品應(yīng)易于維護(hù)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(jìn)行調(diào)整。

(4)設(shè)計(jì)有溫度補(bǔ)償電路和抗干擾電路。

(5)檢測度和響應(yīng)時(shí)間應(yīng)滿足水廠工藝和自控要求。

(6)螺紋或法蘭連接符合DIN標(biāo)準(zhǔn)。

(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(xué)試劑時(shí)，應(yīng)遵循試劑價(jià)格低、無毒性、貨源廣的原則。

4主要儀表應(yīng)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(fù)雜信號的隔離轉(zhuǎn)換，通過霍爾效應(yīng)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(yīng)用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動、電鍍、焊接應(yīng)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(yīng)時(shí)間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強(qiáng)，線性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

(2) APM系列網(wǎng)絡(luò)電力儀表

在廠區(qū)出水安裝了安科瑞電氣APM系列網(wǎng)絡(luò)電力儀表是按IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與國際技術(shù)同步的網(wǎng)絡(luò)電力儀表。具有全電量測量，電能統(tǒng)計(jì)，電能質(zhì)量分析及網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)，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(luò)通訊模塊、溫濕度測溫模塊，可以靈活實(shí)現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控，雙RS485和以太網(wǎng)接口配合可實(shí)現(xiàn)RS485主站數(shù)據(jù)抄送，省去數(shù)據(jù)交換機(jī)。PROFIBUS-DP接口可以實(shí)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(jī)。

（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(yīng)用場合而設(shè)計(jì)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(shè)備、計(jì)算機(jī)連接，組成測控系統(tǒng)。同時(shí)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(bào)警輸出、開關(guān)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(jìn)行設(shè)置與控制。

5儀表安裝規(guī)范及日常維護(hù)要求

(1)霍爾電流傳感器

霍爾傳感器在使用時(shí)，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(dǎo)線且導(dǎo)線填滿霍爾傳感器模塊過線孔；

霍爾傳感器在使用時(shí)，在額定輸入電流值下才能得到佳的測量精度，當(dāng)被測電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，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(yīng)超過80℃；

霍爾電流傳感器正常工作時(shí)的輔助電源不應(yīng)超過標(biāo)定值的±20%；

霍爾電流傳感器在安裝使用過程中嚴(yán)禁從高處摔落(≥1m)；

不能調(diào)節(jié)零點(diǎn)、滿度調(diào)節(jié)電位器；

輔助電源需要自行配置；

電源正負(fù)極不能接反。

(2)APM系列網(wǎng)絡(luò)電力儀表

安裝在連通井內(nèi)并與池壁應(yīng)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(yīng)與物位面應(yīng)保持垂直，并應(yīng)采取保護(hù)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(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差。

1. PZ系列智能直流電能表

安裝時(shí)，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(yán)格按要求施工；

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

進(jìn)行 RS-485 電纜連接時(shí)，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(jī)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(luò)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(shí)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(xiǎn)絲；

電流輸入應(yīng)使用外部分流器或霍爾電流傳感器。

7AcrelEMS-SW智慧水務(wù)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(jì)算到能效管理平臺的產(chǎn)品生態(tài)體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、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(qiáng)度，重點(diǎn)監(jiān)測主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)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(xué)、精細(xì)的解決方案。

7.2平臺組成

AcrelEMS智慧水務(wù)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(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過一套平臺、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

7.3平臺拓?fù)鋱D

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(wù)配電系統(tǒng)中35kV、10kV電壓等級配置繼電保護(hù)和弧光保護(hù)，實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)等功能，對異常情況及時(shí)預(yù)警。

監(jiān)測變壓器、水泵、鼓風(fēng)機(jī)的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數(shù)、負(fù)荷率、溫度、三相平衡、異常報(bào)警等數(shù)據(jù)。

7.4.2電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

水務(wù)中大量的大功率電機(jī)、水泵變頻啟動導(dǎo)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(biāo)分析其電能質(zhì)量，并配置對應(yīng)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(jī)管理

馬達(dá)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)水務(wù)中電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，電動機(jī)保護(hù)器能對過載、短路、缺相、漏電等異常情況進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)測和報(bào)警。高效、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)、及相關(guān)信息，對電機(jī)進(jìn)行健康診斷和預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)支持與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

7.4.4能耗管理

為水務(wù)搭建計(jì)量體系，顯示水務(wù)的能源流向和能源損耗，通過能源流向圖幫助水務(wù)分析能源消耗去向，找出能源消耗異常區(qū)域。

將所有有關(guān)能源的參數(shù)集中在一個(gè)看板中，從多個(gè)維度對比分析，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的能耗對比，幫助領(lǐng)導(dǎo)掌控整個(gè)工廠的能源消耗，能源成本，標(biāo)煤排放等的情況。

能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采集水務(wù)中污水廠、自來水廠、水泵站等的用電、用水、燃?xì)狻⒗錈崃肯牧?，同環(huán)比對比分析，能耗總量和能耗強(qiáng)度計(jì)算，標(biāo)煤計(jì)算和CO2排放統(tǒng)計(jì)趨勢。

能效分析按三級計(jì)量架構(gòu)，分別進(jìn)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(jìn)行分析，同比、環(huán)比、對標(biāo)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(jìn)行同比和環(huán)比分析，同時(shí)將污水的單耗與行業(yè)國際指標(biāo)對標(biāo)，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(yīng)控制、定時(shí)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(shí)間實(shí)現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)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(zāi)監(jiān)測

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

7.4.6.2消防應(yīng)急照明和疏散指示

根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)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(shè)備電源監(jiān)測

監(jiān)測消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)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(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測疏散通道防火門的開啟、關(guān)閉及故障狀態(tài)，顯示終端設(shè)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(dāng)終端設(shè)備發(fā)生短路、斷路等故障時(shí)，防火門監(jiān)控器能發(fā)出報(bào)警信號，能指示報(bào)警部位并保存報(bào)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?xì)怏w濃度展示和預(yù)警，保障污水廠、自來水廠、水泵站等安全運(yùn)行。當(dāng)可燃?xì)怏w或有害氣體濃度超標(biāo)可自動啟動排風(fēng)風(fēng)機(jī)或新風(fēng)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(shí)時(shí)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(guān)狀態(tài)，逆變器運(yùn)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(dāng)前發(fā)電功率、累計(jì)發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測，以曲線方式繪制上述監(jiān)測的各個(gè)參量的歷史數(shù)據(jù)。

平臺結(jié)合廠區(qū)實(shí)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(diǎn)位置，各個(gè)屋頂?shù)难b機(jī)容量。

7.4.9工藝仿真監(jiān)控

平臺通過2D、3D方式實(shí)時(shí)監(jiān)視粗格柵、污水提升、細(xì)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在格柵清渣機(jī)、污水提升泵、回流泵、曝氣風(fēng)機(jī)、加藥泵、濃縮壓濾機(jī)、吸沙泵、吸泥泵等低壓電動機(jī)控制柜或低壓饋電柜安裝電動機(jī)保護(hù)，進(jìn)行短路、過流、過載、起動超時(shí)、斷相、不平衡、低功率、接地/漏電、te保護(hù)、堵轉(zhuǎn)、逆序、溫度等保護(hù)以及外部故障連鎖停機(jī)，與PLC、軟啟、變頻器等配合，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)自動或遠(yuǎn)程控制，監(jiān)視、控制各個(gè)工藝設(shè)備,保障正常生產(chǎn)。

8相關(guān)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(jī)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(yīng)用越來越廣泛，合理地使用在線儀表并科學(xué)管理及維護(hù)保養(yǎng)，能夠?yàn)楣┧|(zhì)提供有力保證。另外，適當(dāng)增加閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)，對一些關(guān)鍵生產(chǎn)場所進(jìn)行直接監(jiān)視，可為安全生產(chǎn)提供更有效保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]《給水排水自動控制與儀表》．劉自放主編．機(jī)械工業(yè)出版社．

[2]《檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)》．常健生主編．機(jī)械工業(yè)出版社．

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版

[4]吳勇.智能儀表在水廠中的應(yīng)用與管理

作者簡介：

劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事配電室在線監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用。