淺談智能儀表與網關在水廠中的應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【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

1概述

在現代化的水廠中，每一個生產過程總是與相應的儀表及自控技術有關。儀表能連續檢測各工藝參數，根據這些參數的數據進行手動或自動控制，從而協調供需之間、系統各組成部分之間、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。現場的儀器儀表作為自控系統的直接檢測部分，其性能的優劣將直接影響整個工藝的運行。為此選用質量可靠、技術的、性價比高的現場儀器儀表。

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變為4～20mA的電流信號，并送到可編程序控制器(PLC)中：

③顯示器，將測量結果直觀地顯示出來，提供結果。這三個部分有機地結合在一起，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，在工業生產中得到了廣泛的應用，而且自動化檢測儀表內部具有與PLC的接口，更是自動化控制系統中重要的部分，被稱為“自動化控制系統的眼睛”。

根據水處理工藝的實際要求，結合我廠所積累的實際運行經驗和國內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品，從而根本上保證了檢測部分的穩定性和準確性。

2水廠采用智能儀表系統原則

現場儀表作為計算機監控系統的檢測單元，其性能的優劣直接影響到整個計算機監控系統的好壞。所以在儀表選型中遵循以下原則：

(1)可靠性

由于現場儀表檢測的介質成分比較復雜，儀表安裝的環境比較惡劣。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級標準的成熟定型的，且經過現場使用并證明是成功的產品，儀表可在惡劣的溫度條件下工作。每個儀表均有防塵、防水型結構，并能承受偶然出現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

在系統可靠性的前提下，也至關重要。產品的主要表現在：具有自動補償功能、具有兼容性通訊協議、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筑物及工藝管道上，作為自控系統的在線檢測和數據采集設備。所需檢測的主要參數有：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品。

(2)產品應易于維護和檢查，并提供易損害的備用部件

(3)有零度和滿度調整電路，并能方便地進行調整。

(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，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統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，抗干擾能力強等優點。

(2) APM系列網絡電力儀表

在廠區出水安裝了安科瑞電氣APM系列網絡電力儀表是按IEC標準設計，與國際技術同步的網絡電力儀表。具有全電量測量，電能統計，電能質量分析及網絡通訊等功能，主要用于對電網供電質量的綜合監控。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、網絡通訊模塊、溫濕度測溫模塊，可以靈活實現電氣回路全電量測量及開關狀態監控，雙RS485和以太網接口配合可實現RS485主站數據抄送，省去數據交換機。PROFIBUS-DP接口可以實現高速數據傳輸及組網功能，將測量的結果傳輸到PLC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。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協議；可帶繼電器報警輸出、開關量輸入/輸出。根據不同要求，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完quan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。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)；

不能調節零點、滿度調節電位器；

輔助電源需要自行配置；

電源正負極不能接反。

(2)APM系列網絡電力儀表

安裝在連通井內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，防止被測介質表面產生或形成泡沫和可凝氣體導致產生測量誤差。

1. PZ系列智能直流電能表

安裝時，將儀表嵌入安裝孔內，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系列網絡電力儀表

供電電壓儀表常規供電電壓為：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品生態體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，重點監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由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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運行狀況，并且根據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

7.4.1變電站綜合自動化系統及電力監控

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

監測變壓器、水泵、鼓風機的電流、電壓、有功/無功功率、功率因數、負荷率、溫度、三相平衡、異常報警等數據。

7.4.2電能質量監測與治理

水務中大量的大功率電機、水泵變頻啟動導致配電系統中存在大量諧波，通過監測其配電系統的諧波畸變、電壓波動、閃變和容忍度指標分析其電能質量，并配置對應的電能質量治理措施提高供電電能質量。

7.4.3電動機管理

馬達監控實現水務中電機的保護、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、監測和報警。高效、準確地反映出故障狀態、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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

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域。

將所有有關能源的參數集中在一個看板中，從多個維度對比分析，實現各個工藝環節的能耗對比，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。

能耗數據統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排放統計趨勢。

能效分析按三級計量架構，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、環比、對標等。通過污水處理產量以及系統采集的能耗數據，在污水單耗中生成污水單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析，同時將污水的單耗與行業國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能量。

7.4.5智能照明控制

系統為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高效的目的。

7.4.6電氣安全

7.4.6.1電氣火災監測

監測配電系統回路的漏電電流和線纜溫度，實現對污水廠、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。系統接入消防應急照明指示系統數據，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態和異常情況。

7.4.6.3消防設備電源監測

監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發生火災時消防設備可以正常投入使用。

7.4.6.4防火門監控系統

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

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，排除隱患，保持良好的水處理環境。

7.4.8分布式光伏監測

實時監測低壓并網柜每路的電流、電壓、功率等電氣參數及斷路器開關狀態，逆變器運行監視，對逆變器直流側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、當前發電功率、累計發電量進行監測，以曲線方式繪制上述監測的各個參量的歷史數據。

平臺結合廠區實際分布情況，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、并網點位置，各個屋頂的裝機容量。

7.4.9工藝仿真監控

平臺通過2D、3D方式實時監視粗格柵、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。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、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，實現電動機自動或遠程控制，監視、控制各個工藝設備,保障正常生產。

8相關平臺部署硬件選型清單

8.1電力監控、電能質量、電動機管理及配電室環境監控系統

9結語

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，能夠為供水水質提供有力保證。另外，適當增加閉路電視監視系統，對一些關鍵生產場所進行直接監視，可為安全生產提供更有效保障。

參考文獻：

[1]《給水排水自動控制與儀表》．劉自放主編．機械工業出版社．

[2]《檢測與轉換技術》．常健生主編．機械工業出版社．

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

[4]吳勇.智能儀表在水廠中的應用與管理

作者簡介：

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。