一、引言

随着社会的发展和人们对自来水质量的需求的不断提升，在自来水净水工艺领域，传统的净水工艺已经面临了极大的挑战，随之而生的是深度处理净水工艺。深度处理净水工艺在发达国家和地区已经十分普遍，特别是中东的一些沙漠产油国，已经做到将上水和下水做成一套全循环的工艺。而在国内的净水领域里原水-絮凝-沉淀-过滤-出水这一传统的净水工艺依然十分流行。虽然随着我国科技和经济的发展，使用臭氧或反透膜技术的深度处理净水工艺已经开始进入中国，但是距离占据主导地位还需一段时间（当然成本也是重要的原因之一），许多大城市还是采取两种工艺并存的办法逐步过渡，但是深度处理代替传统工艺的趋势将不可更改。

就文献名邦市而言，其自来水系统作为城市最主要的基础设施之一，其建设安排应早于其它的建设项目。虽经过近十年的建设，文献名邦市目前的供水能力已经满足了需水量要求，达到了供大于求的目的。但对照世界上经济发达的现代化国家的自来水服务水平，目前文献名邦市自来水水质尚有较大的差距，不能达到发达国家居民可直接生饮龙头水的要求，这主要是与现有净水工艺水平的局限性、部分历史较长的水厂设施落后以及配水方式的不合理有关。要完成直饮水目标，有两个关键部分，第一是源头，也就是水厂的出厂水，第二是途径，也就是城市供水管道。根据文献名邦市总体规划要求，文献名邦市城市供水规划中提出了提高供水水质，达到“欧盟饮水水质指令”要求，满足居民生活和国际大城市的需求，以及建成合理、可靠的输配水管网，供水压力能满足给水范围内对层建筑直接供水要求的规划目标。在此大形势的要求下王阳明水厂饮用净水技术改造及扩建工程开始实施。该工程完成完工后不仅日供应净水将提到40万吨同时其净水工艺也摒弃原有的传统工艺而转用加臭氧的深度处理净水工艺。

二、自动控制系统和现场总线的分析

新工艺的加入自然也要使用新的自动控制系统。王阳明水厂的自动控制的现状基本上也反应了当今国内水厂自动控制的状况。目前国内水厂普遍使用二类系统。

1、 SCADA(Supervisory Control And Data Aequisition)系统

2、 基于PLC的DCS(Distributed Control System 也称为集散型控制系统)。

第一类系统是由一个主控站(MTU)与若干个远程终端站(RTU)组成。该系统联网通讯功能很强。通讯方式可以采用无线、微波、同轴电缆，光缆、双绞线等，监测的点数多，控制功能强。该系统一般适用于被测点分布广泛或被测点地理环境恶劣不适宜人工操作等。该系统的特点是组网范围大，通讯方式灵活；系统分为主控机(MTU)和远程终端机(RTU)两部分，RTU的控制较固定，处理能力较小；系统实时性较低；可以组成较大、较复杂的通讯网络等。而后者是由多台计算机和现场终端机联接组成。通过网络将现场控制站、监测站和操作管理站、控制管理站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统。

该系统侧重于连续性生产过程控制。其特点为可采用分级分布式控制；在物理上实现了真正的分散控制，使整个系统的危险性分散，系统的可靠性较高；有较好的扩展能力；PLC本身可靠性高，组网方便；系统内的配置和调整非常灵活；与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化等。

通过对全国自来水公司的调查发现，就水厂而言使用基于PLC的DCS的第二类系统比较多，就整个制水企业来说两种系统混用的状况更为普遍。一般来说生产过程使用基于DCS系统控制而数据采集和监控则侧重于SCADA系统。

目前新建水厂的自动控制建设一般采用现场总线的概念，例如06年建成并投入使用的笔架山水厂就很好的引入了现场总线的概念，采用了Profibus总线协议[5]。所谓现场总线(Fieldbus)就是说按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。目前现场总线协议国际标准有Profibus 、Control Net 等12种[6]。基于现场总线上的控制称为现场总线控制系统简称FCS。但是现场总线标准实在太多，除了国际标准外，还存在欧洲标准以及一些大公司的标准等，互相之间的操作性不好[7]。根据集团出国考察报告反映，国外同行存在多种协议标准并存的情况，而且互相之间的操作也不是很好。现场总线的理想方式一般在同种品牌，同种协议的情况下实现的较好，在跨品牌和跨协议上的效果就逊色多了。

现在FCS应用中一般都将现场总线作为自动化控制系统的底层网络，而将以太网作为自己的控制网络。和现场总线相比，以以太网为代表的网络信息通信技术，以其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好，得到了广泛的技术支持。以太网具有应用广泛，资源丰富；网络拓扑结构灵活；通信速率高，数据通过能力强；与其它网络连接容易，多种操作系统支持等优点。现场总线和以太网的结合已经称为目前水厂自动控制网络的主要潮流。

在王阳明水厂的技术改造中我们综合各种方式的优劣点和王阳明水厂实际情况，采取ControlNet现场总线协议作为底层网络，以太网作为控制网络的FCS。这个方案对王阳明水厂来说最为实际。

水厂在建立自控系统时一般采用上位机下位机相结合的方式。上位机一般采用组态软件和数据库构成，下位机一般采用嵌入式计算机，例如PLC等。一般使用以太网进行通信，也有采用移动式设备通过无线网络进行通信。上位机的发展朝着简单化和傻瓜化方向发展，提供的组态模块越来越多，越来越有用，组态软件的数据库和判断方式也越来越智能化。国产的组态软件使用较多的是组态王，而国外品牌流行的更多，在水行业中，Intouch，Ifix等使用较多。而下位机PLC的发展趋势是越来越集成化，PLC朝着PC构架发展，集成的功能也越来越多，很多需要在上位机实现的功能在PLC上亦可以实现。而随着现场总线协议的推出，上位机到下位机的穿透力也越来越强。例如AB系列的PLC，在SLC系列以前的系统只能在网络上看到CPU级别，而在ControlLogix系列上通过ControlNet协议可以看到输出输入模块级别。在PLC的使用上，水行业中使用的较多的是施耐德，西门子和罗克韦尔等品牌，较之实用性和可靠性，国内品牌较少考虑。

三、自动加药系统的研究分析

在水行业的加药系统领域国内较为普遍的主要有三种情况。

一是人工控制加药系统，二是半自动化控制投药系统，三是全自动化控制投药系统。

由于加药系统的复杂性，有些水厂的自控技术运用的效果不理想，对于加药系统更加倾向于人工经验。对于水厂来说，安全生产是第一位，其次才是节能节耗以及提高运行效率。由于加药系统不像取水，滤池等系统是由纯物理的机械电气系统组成，它还控制着氯，矾等化学药剂，让人产生不安全感。但是由于时代的进步和技术的发展是不可阻挡的趋势，仅仅靠人工经验的加药方式显然是不可行的。于是另一种方式就是半自动化，对这种方式来说，人工和自控并存，在参数的设置和药剂投放量上还是依靠人工的经验。最后一种是全自动加药，理论上说即加药系统除最初的参数设定外全过程无需人工干预。但是加药系统特别是其中加矾系统有其独特性，当前加矾自动控制普遍存在着适应不同原水能力差的问题,譬如对含藻类物质高的水、低温低浊水、受暴雨影响的高浊水、低碱度水等易失控等。人工基本上还是参与其中的，其中所谓的全自动不过是人工参与程度的多少罢了。

在药剂投加量的确定上以加矾系统为例，目前国内外同行种有好几种确定方法。

比如烧杯实验法，这种方法就是说在实验室中根据原水的水质情况，做不同混凝剂投加量之间的对比烧杯实验，通过实验来求得符合沉淀水浊度时最佳投药量，随后由人工参考判断最佳投药量来实际投加混凝剂的一种方法。这种方法现在国外一些原水保护状况很好的地方尚在使用。

第二种是流动电流检测仪控制法也就是SCD，它是利用凝聚的微观特性也就是胶体电荷的变化来检测流动电流的一项因子从而实现混凝工艺中投药的连续自动化控制。但是它对原水的要求很高，容易产生失误，如果有机物较多。

第三种就是模型池法，它利用小型的模型滤池或沉淀池，让水处理生产过程中得到初步絮凝的水量通过该模型，中控系统以该模型浊度来判断投药量合理与否，还可用作调节投药量的依据及控制投药量的一些辅助手段。它在实际应用中不方便，是因为它得利用小型的模拟池，增加一个前驱装置模拟池对水厂来说无疑是增加了生产成本。还有一种就是多参数综合反馈法，主要是根据原水流量，浊度，沉淀池浊度，SCD游动电流的反馈控制，温度前馈控制等相结合的，多参数反馈的一种方法。它实际上是结合了多种因素来判断投加量的。

以上几种方式在原水水质环境复杂的情况下就遇到了困难，现在国内普遍的做法是在控制中心建立一个专家系统，由PLC的CPU来控制运算。这个专家系统由知识经验库和PID运算构成，实际上就是利用历史数据来判断和预测下一次的投加量。这个专家系统是唯一性的，因为各地的经验数据不同，各个水厂的系统自然也不相同。

四、结论

王阳明水厂采用了加臭氧的深度处理新工艺，去除了前加氯环节，新增了加预臭氧的环节，在工艺上和传统方式已有不同。而瑞云江文献名邦段目前已出现水体水质下降的趋势，上游藻类有大量繁殖的等问题。

所以采取以PLC为运算核心，专家系统和历史经验相结合的方式来建立控制系统，是王阳明水厂最佳的自动控制系统方案，也是目前国内自来水厂建设自动控制系统最佳的选择。