水处理行业自动化技术应用 4页

中国自动化学会中南六省(区)2010年第28届年会·论文集水处理行业自动化技术应用AutomationTechnologyApplicationforWaterTreatmentIndustry程韬波（广东省科学院自动化工程研制中心，广东广州，510070）ChengTaoboAutomationEngineeringR&MCenter,GuangdongAcademyofScience摘要：本文介绍了自动化技术在水处理行业中的应用及其发展过程。结合工程实践阐述了在水厂水处理中几项重要的自动化技术，如：水质在线监测，水泵机组在线状态监测等。结合当前新兴技术——无线传感器网络在实时在线监测中的应用，阐述了水质在线监测系统和泵组在线状态监测系统的结构及功能，针对实际生产数据实施优化决策支持，表明水处理中自动化技术的应用为提高水质量、优化成本提供了技术支持和保障。关键词：水处理；自动化技术；无线传感器网络；在线监测；决策支持Abstract:Thisarticledescribestheautomationtechnologyinwatertreatmentindustryanditsdevelopmentprocess.Engineeringpracticeinwatertreatmentdescribedinseveralimportantautomationtechnology,suchas:onlinemonitoringofwaterquality,waterpump-lineconditionmonitoring.Withthecurrentemergingtechnologies-wirelesssensornetworkinreal-timeonlinemonitoring,describedthewaterqualitymonitoringsystemandpump-lineconditionmonitoringsystemofthestructureandfunction.Theactualproductiondatafortheoptimizationofdecisionsupportimplementationofthatautomationtechnologyinwatertreatmentapplicationstoimprovewaterqualityoptimizethecostofprovidingtechnicalsupportandprotection.Keywords:WaterTreatment;Automationtechnology;WirelessSensorNetworks;On-lineMonitoring;DecisionSupport1引言水，既是工业生产中常见的生产原料，同时更是制、监测等作用，提高了行业的效率和先进性。水处人们生活必需的重要资源，所以具有极其重要的意理已逐渐由原来的现场人工操作逐步演变成为全场自义。为了更好地实现水的可用性和可再生性，为人们动化控制（融计算机控制多媒体监控系统、信息管理的生产生活提供水资源的重要保障，水处理行业成为于一体），提高了水处理的质量，降低了水处理的成了城市与企业中一个不可或缺的部分。所谓水处理就本。本文介绍了自动化技术在水处理中的应用、发展是为了使水质满足特定环境及回用的用途，通过物及其实现功能，并对目前实际应用中较为热门的水泵理、化学和生物手段，对水质进行治理、去除或增加机组状态监测、无线传感及无线网络应用和决策支持水中某些对生产、生活及环境不需要或需要物质的全技术做详细介绍。过程。随着现代化进程的不断加深，计算机和网络技2水处理行业自动化技术发展术的不断发展，以及自动化领域的不断延伸，自动化我国水处理自动化技术经过多年的发展，其水平技术也越来越多的深入到水处理行业中去，发挥其控和应用范围都得到了很大的提高。特别是随着近年来24\n综述半导体技术、网络技术、软件技术等高新技术的发3水泵机组在线状态监测展，自动化技术在水处理方面的应用越来越深入。水厂水处理中水泵机组是非常重要的设备，其运综观水处理行业自动化技术应用的发展历程，由行状况的好坏直接影响着整个生产能否正常运行[7-图1可以清楚的了解我国水处理行业中自动化技术的8]。因此对水泵的运行状态进行有效的实时在线监测发展历程及趋势。80年代，为模拟仪表控制/继电控制和分析诊断，及早发现故障隐患，及时为水泵维修提（也称通断控制）的模拟仪表控制系统。90年代，这一供科学依据，将是一项极具现实意义的工作。阶段称为：集中式控制（即采用模拟/数字仪表、分散状态监测是指通过测定设备在运行过程中所反采集/部分网络化、集中监控的控制方法）。到了90年映出来的特征常数（如振动、噪声、温度等），来检查代末，应用一种称为集散控制系统（DCS，Distributed其状态是正常还是异常。通过状态监测了解和掌握设controlsystem）的控制方法，它是集中监视、操作、管备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常理和分散控制的集中分散控制系统，以现场总线为基或异常，早期发现故障及其原因、故障部位及轻重程础，具有智能化、分散化、网络化、数字化的特征。度并能预报故障发展趋势。这样在维修和保养上，既集散控制系统是相对于集中式控制系统而言的一种新能保证设备的可靠性和安全性，又能节约大量人力、型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上物力。基于状态监测的在线系统能够实现水泵机组状发展、演变而来的。在系统功能方面，集散控制系统态的早期预警，最大程度地避免事故突然停机与设备和集中式控制系统的区别不大，但是在系统功能的实二次损伤，并且能够降低维修时间与维修费用，具有现方法上却完全不同，如：应用本地/区域控制、数字事先预知维修，优化维修体制，增进设备可靠性等优化/网络化、调度/集中控制等。进入科学技术发展飞点。快的21世纪，水处理自动化技术进入了管控一体化综合集成阶段，管控一体化系统（Management-ControlIn-tegrationSystem）,是将所有底层现场的电气控制、过程控制、运动控制和数以万计的仪器仪表测试系统都高度、有机地融合在综合自动化网络上。从自动化控制和生态管理到企业全方位管理的信息数据全部集成，再不是过去的PLC、DCS、和FCS（FieldbusControlSys-tem现场总线）的自动化孤岛。该系统实现了管理信息系统、生产监控系统和生产决策系统的有机融合。图2泵组在线状态监测系统结构图根据水处理行业中自动化技术的应用及发展，目图2是泵组在线状态监测系统的结构图，如何来测量检测复杂的水泵机组故障并作出正确的故障诊断是大部分研究的重点。水泵机组的常见故障有：不平衡问题、共振问题、轴弯曲、皮带轮偏心、皮带磨损或松动、轴承座与基础相位相反、齿轮故障、直流电动机故障、交流电动机故障等等。通过在线监测系统，可以发现水泵机组的常见故障。图3中如果1X分量出现明显的边带，且改变转子速度，该频率并不随转速变化而移动，则可能存在共振问题。图4显示的轴弯图1水处理行业自动化技术发展趋势图曲现象轴向1X、2X振动可能很大；径向2X振动较大，甚至超过1X；前后轴承轴向相位差变化明显（180°），前较新的应用技术是水泵机组在线状态监测、无线传则可能存在轴弯曲故障。感和无线网络应用技术，决策支持技术，所以文章对这三种技术做介绍。25\n中国自动化学会中南六省(区)2010年第28届年会·论文集线通信方式形成的一个多跳自组织网络。在水处理行业中，可以利用无线传感器网络实现对水质的无线远程监测。针对取水流域水质状况难以实时掌握的情况，利用无线传感及无线网络技术并采用ZigBee无线通信和GPRS远程通信技术相结合的方式来实现水质远程监测。下图5就是利用无线传感器网络对水质实现在线监测的结构图。图3共振问题图5基于无线传感器网络的水质在线监测结构图除了对水质的监测，水处理过程的无线监测也是新的应用热点。图6是基于机器与机器（M2M）技术的设备与设备间无线直联技术，设备间数据交互利用GRPS\EDGE网络和DTU（包含通讯模块可实现数据透明传输的装置）实现,并实现PLC协议层的融合。水处理过图4轴弯曲程中的PLC,可以通来M2M技术实现与主控PLC通讯，从而实现分散各地的PLC设备的融合，完成水处理过程目前新型的泵组在线状态监测系统功能包括：实的全程监测和控制。时状态监测功能，故障预警功能，优化运行参数功能，故障现场判断功能，远程诊断功能，状态报告功能等。其中实时状态监测能够对机组的性能状态进行在线监测，通过通讯设备接收各种监测信号；故障预警可以跟踪趋势变化，发现故障隐患，及时发出预警信号，指示现场人员适时维修，避免事故进一步扩大；故障现场判断通过分析工具和诊断策略，查找故图6是基于机器与机器（M2M）技术的设备与设备障原因，为解决故障提供分析诊断咨询意见；远程诊间无线直联技术断功能采用网络技术、设立远程分析诊断工作站，实现远程机组状态监测、分析诊断。而状态报告功能则5优化决策支持定期和如唤报告机组状态及趋势，并发布必要信息。无论在何种生产技术中，不管做什么样的改进或改变，我们的目的都是为了提高生产效率，减少人力4无线传感及无线网络应用物力消耗，节省能耗降低成本。但是水厂建成自动化无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），系统后能否真正减低成本，或者说在实现生产自动化以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了管理的同时在生产经济运行方面是否有进一步的挖掘信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在潜力，实现生产过程优化经济运行?监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。通过无优化决策支持即在自动控制运行基础上进一步挖26\n综述掘运行成本潜力，保证生产过程中水质实时能观性及能控性，保证出厂水品质的同时找出各环节的运行优化模型，实现水厂的工艺优化决策运行，节省能耗及物耗，降低运行成本。优化决策支持包括：历史决策分析和实时决策分析。历史决策分析原理是基于数据库知识学习原理/层次化推理结构设计，如图7所示。历史决策分析主要是对每日水厂生产运行主要参数进行统计分析，比起实时决策分析的数据采聚飘移及不稳定性，该系统数图8实时决策分析据相对稳定可靠，基于数据库的知识学习原理及方法术、自动化技术、网络技术、智能化于一体的系统，更适用，且分析结果以报表及报告方式输出，可视化水处理工业自动化控制的网络化作业、智能化作业将效果好，更便于知识规则库纠正及评估。成为未来发展的主导趋势。而这一切都将离不开自动化技术的发展与进步，毋庸置疑都将与自动化技术紧密相连。水处理行业的自动化技术应用为提高水质量、保障供水、优化成本提供了重要的技术支持和保障。参考文献[1]袁文明.对水厂水处理自动化系统的探析.科技创新导报，2009，4：105.[2]荣丽丽，邓旭亮，刘明霞，郭桂悦.自动化控制技术在污水处理厂的应用进展.环境科技，2009,6,22（1）：87-90.图7历史决策分析[3]朱亚军，罗东云.水质在线监测的无线网络系统设计.计算实时决策分析原理：基于数据库知识学习原理/层机技术与自动化.[4]王徐冬，马月坤.水厂水资源自动监控系统的设计研究.人次化推理。其结构如图8所示，可分为实时数据采聚民黄河，2008,30（7）：43-44.层及数据分析层、决策控制层三个层次组成。分析推理原理同历史决策分析一样，推理分析决策依据是实[5]袁宁.PLC在污水处理中的应用.自动化与仪器仪表，2009,6：62-63,68.时专家知识规则库，如何形成标准化的准确可靠的实[6]卓异.浅析水厂自动化中存在的问题及其对策.中国高新技时专家知识规则库则是本系统的核心技术。其特点是随着使用时间的增长，数据规则数据库是变化的，所术企业，2009,8：43-44.[7]李胜，张春良，岳夏.基于CGHMM的水泵在线状态监测研以可根据专家知识规则库即可对在线采聚的实时参数究.装备制造技术，2010年01期p3-5.进行分析判断，运行方案进行比较，提出优化的方案。[8]吴艺辉，梁鹏超，陈兼男.机组状态监测与诊断系统在水电机组的应用.中国高新技术企业，2010年03期p168-169.实践证明，经由优化决策支持达到了节能、减耗[9]赵昱，赵德安，赵建波.基于GPRS技术的水质在线监测系的效果。通过机组优化组合运行使综合效率提高了1-1.5%左右。在保证水质的情况下，通过合理控制原材统.传感器与微系统，2010,29（7）：84-86.料消耗分配，每日生产成本有3%左右的节约。6结束语未来水处理控制系统将是集计算机技术、信息技27