探討水廠自動化中存在的問題
我國水廠自動化在20世紀80年代得到了較大規模的發展，特別是隨著外資的引入，大量國外先進的自動化控制技術與設備進入我國，建成了一批全引進的水廠，使我國水廠自動化進程大大加快，自動化水平也快速提高。近年來，在我國一些發達地區，建成了少量測控管一體化的現代化水廠，對推動水廠實現綜合自動化功能起到了積極的促進作用。但由于歷史和現實的原因，我國水廠自動化的總體發展水平還不高，發展也不平衡。大中城市的水廠特別是發達地區的大型水廠，自動化程度很高，而小城市和城鎮的水廠特別是落后地區的小型水廠，自動化程度較低，甚至還是空白。而且，在一些已實現自動化的水廠中，雖然其自動化系統和設備與其他行業如化工、電力等相比并不差甚至更先進，但是，其功能并未充分發揮出來。有的自控系統從未運行過，一直處于閑置狀態；有的運行一段時間后變為了手動，甚至處于癱瘓狀態，造成了自動化系統和設備的極大浪費。根據對近40個引進水廠自動化設備的調查資料表明：單項設備運行情況基本良好的占78.3％，基本運行正常的占11.7％，設備故障極多已被拆換替代的占5.7％，設備從未投入使用的占4.3％［1］。對于這些水廠自動化中出現的問題，究其原因，與目的、設計、設備和管理等多種問題有關。
1 水廠自動化的目的
對水廠實施自動化的根本目的認識不夠全面或出現偏向，是造成一些水廠自動化系統未能充分發揮作用的一個原因。水廠實現自動化的根本目的是提高生產的可靠性和安全性，實現優質、低耗和高效供水，獲得良好的經濟效益和社會效益。但是，有的水廠實現自動化是為了趕時髦，將其作為一種點綴；有的水廠是迫于形勢，在大批水廠紛紛實現自動化的情況下，自己也不能不上；有的水廠使用的自動化功能過于復雜，特別是在考察自動化水平較高的水廠后，更是盲目地提高標準；有的水廠則自動化功能過于簡單，主要是對自動化不熟悉，缺乏必要的信心，怕造成麻煩；有的水廠是為了湊合貸款數，不得已而配置自動化系統和設備。這些不正確想法的存在，使水廠實現自動化的根本目的發生了偏向，造成了自動化設計不切合水廠實際，不注重生產過程特別是關鍵工藝環節的自動化，并忽略了在運行和管理模式方面的相應改革，從而導致自動化未能充分發揮作用，甚至建成后處于閑置狀態。
2 水廠自動化的設計
2.1 未解決的相關理論問題
在水廠自動化中，工藝理論對自動化提出的控制要求本身存在未解決的理論問題或理論不夠完善，使控制未能達到規范化和最優化，系統運行達不到理想的控制狀態，從而影響了自動化的實際運行效果。
（1）絮凝理論不夠完善。加藥系統是一個大延時、強耦合、干擾因素多的非線性系統，目前廣泛采用的控制方法為：用原水流量按比例前饋調節計量泵的頻率，用流動電流儀（SCD）反饋調節計量泵的沖程，從而構成加藥復合控制系統。由于凝聚作用本身有多種理論，決定加藥量多少的水質成分因素在理論上還不夠完善，如原水濁度、溫度、 pH、污染因素以及非膠體顆粒干擾因素等參數變化都對SCD有很大影響，而在SCD反饋調節方法中，只采用了反映水中膠體穩定度的參數ζ電位來代表全部水質因素，因此該控制方法并不完全符合生產實際。同時，傳感器縫隙小易造成堵塞，加藥后不易形成絮粒，特別是滯后反應和水質變化對SCD影響較大，導致該方法適應性較差，準確度不夠，達不到優化自動加藥的要求，實際使用效果并不理想［1］。在有的系統中，雖然采用了智能技術如專家系統、自學習模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解決加藥量優化控制的問題。
(2)加氯系統理論問題。在加氯系統中，傳統的控制方法為：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反饋控制。由于影響加氯效果的因素很多，如水質、天氣、水廠的具體工藝特點等，而且后加氯存在時間滯后問題，同時對控制方法和投加氯氨存在的問題目前有不同的看法，特別是對水射器安裝位置和余氯取樣位置的規范化確定目前尚無完整的理論［1］，從而使加氯系統不夠規范，實際運行效果也不是十分理想。在有的系統中，雖然采用了一些其他控制方法，如采用雙因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多參數非線性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解決加氯系統存在的問題。
(3)其他理論問題。如變頻供水泵和定速供水泵的臺數比例確定、變頻供水泵的自動調節方法以及供水泵的科學調度等問題，理論上還未完全解決，管理上還有待進一步研究。
2.2 技術規范和設計標準問題
到目前為止，我國在供水行業自動化控制方面，除《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》等少量規劃性技術文件之外，尚無制定供水行業自動化控制方面的技術規范和設計標準，致使水廠在實施自動化過程中，技術上缺乏統一的規范性，設計上存在一定的盲目性和隨意性，不同類型的水廠自動化分別應該達到的主要功能和主要技術指標不明確，影響了自動化系統配置的科學性和合理性。而在其他行業，如水電行業，國家有關部門早已經頒布了相關的技術規范和設計標準，這對該行業的自動化設計和實施起到了積極的促進作用。
2.3 專著和文章問題
我國供水行業的自動化起步較晚，總體發展水平也不高，致使在供水自動化方面發表的文章數量有限，總體質量也不太高，出版的專著更少，既不利于在實施自動化時提供必要的理論指導和技術參考，也不利于行業內的技術交流和經驗交流，影響了自動化知識普及和提高的速度。而在其他行業，如電力，除有大批專著可供參考外，還有大量的文章可供參閱。另外，每年還舉行眾多的技術研討會和交流會，這對提高該行業的自動化水平起了很大地推動作用。當然，這與該行業從業人數多、技術力量雄厚、期刊數量大等多種因素有關。
2.4 設計中存在的一些具體問題
水廠的生產過程是一個較為復雜的連續過程，對于其自動化系統的設計要求較高，涉及眾多技術和設備，設計本身具有一定的難度，故在有些水廠自動化設計中存在的問題較多，影響了自動化功能的發揮，甚至影響了系統的正常運行。
（1）缺乏統一的發展規劃。在有些水廠自動化設計中，對控制系統的持久性和未來發展規劃一致性考慮不夠全面，導致控制系統開放性和擴展性不夠，造成系統很快落后于生產發展的需要。
（2）功能設置過于復雜。在有些水廠自動化設計中，由于片面追求高標準，致使功能設置過于復雜，而忽略了水廠的實際工藝情況和管理水平，使系統的故障率增高，而維護管理又跟不上，導致關鍵工藝的自動控制得不到保證。
（3）功能設置過于簡單。在有些水廠自動化設計中，工藝過程的功能設置過于簡單，達不到控制要求，特別是關鍵工藝的控制要求，造成雖有自動化系統，但關鍵工藝(如投藥等)仍由手動完成的現象，失去了實現自動化的實際意義。
（4）設置過多的手動功能。有些設計為了在自動化系統故障時不影響生產，而設置了過多的手動操作功能，從設計上就將自動化系統置于可有可無的地位，既造成了設備的重復投資，也使生產人員產生了不正確的依賴心理，加上運行管理改革力度不夠，出現了自控設備擱置不用而仍由人工手動操作的現象。
（5）設計人員水平不夠。水廠的自動化設計涉及眾多技術和設備，要求設計人員既要掌握先進的控制技術，又要熟悉生產工藝過程，同時對設備也要有相當的了解。但在有些設計中，由于設計人員對生產實際情況或對進口設備的性能了解不夠，導致設計與實際生產有出入或出現設備選擇不當，滿足不了工藝要求，造成了自動化系統局部失敗。如有的設計中濾池出水閥選擇了兩位閥，雖配置了完備的自動化控制設備，但卻無法實現濾池水位的自動調節功能。
3 水廠自控設備存在的問題
設備方面存在的問題也是影響水廠自動化系統正常運行的一個主要因素，具體表現在如下幾個方面：
（1）質量問題。水廠中有些設備容易出現質量問題，如堿度計、氯氨測定儀、溶解氧測定儀、濃度測定儀、壓差變送器、加氯機、計量泵、調節閥、電磁流量計等，這些質量問題有的是設備本身的質量不過關，有的則是安裝或維護質量達不到要求，但均影響了自動化系統的正常運行。
（2）配套問題。在有的水廠自動化系統中，外圍設備如傳感器、測量儀表及執行機構本身并無質量問題，而是精度不夠或穩定性達不到系統要求，即與系統配套不合理，也是影響自動化系統正常運行的一個原因。
（3）備品備件問題。有些設備發生故障后，由于缺乏備品備件而一時無法修復，這對進口設備尤為明顯。如果由原產品供應商修理，則時間長、費用高，特別是有的產品已更新換代而根本無法得到備品備件，造成了這些設備的檢修十分困難，從而導致這些設備長時間處于癱瘓狀態，影響了自動化系統的正常運行。
（4）檢修和改造問題。對于部分進口設備如網絡設備，由于外商對通信協議和通信軟件的公開性不夠，且本身的技術要求也較高，既增加了這些設備的維護和檢修難度，也降低了自動化系統的開放性，影響了系統的正常更新和改造工作。而且很多進口通信設備較難與國內設備互聯，致使更新和改造困難，從而降低了自動化系統的合理性和統一性。
4 管理方面存在的問題
水廠自動化系統建立后，管理水平滯后是影響自動化功能正常發揮的一個重要因素。由于管理人員受自身素質和傳統觀念的束縛，未能在管理方面進行及時的調整和改革，導致管理水平落后，無法適應水廠自動化的發展需要。如何提高管理水平和管理人員素質是自動化水廠目前面臨的一個重要課題。
（1）不注重設計、安裝、調試過程的人員參與。很多水廠在建設自動化系統時，由于受人員和素質的限制，常采用交鑰匙工程的方式，這樣在建設時輕松省事，但后患無窮，由于沒有自己的技術力量參與設計、安裝、調試過程，導致投產后出現很多問題，影響了系統的實際運行效果。
（2）對自動化系統和設備不夠熟悉。由于值班人員缺乏必要的技術知識，對自動化系統和設備不夠熟悉或掌握不夠，導致設備得不到正常的保養、調校和檢修，造成儀表精度降低或設備故障；導致軟件得不到必要維護和調整，造成因一些小軟件故障得不到及時處理而影響系統正常運行；有的甚至出現誤操作或引起人為故障。
（3）缺乏完善的自動化管理規程。水廠實現自動化后，其運行管理和維護管理已和傳統水廠不一樣，但不少水廠在這方面的改革力度不夠，缺乏滿足自動化生產需要的管理規程，如崗位職責、運行管理制度、操作規程和設備維護保養及檢修規程等，致使運行管理滿足不了生產需要，維護管理達不到要求。
（4）缺乏專業的、穩定的維護隊伍。自動化系統和設備雖然具有較高的可靠性，但也會出現故障，需要維護人員盡快排除。同時，設計情況與實際運行情況不一定完全一致，即使與投入運行時一致，過一段時間后也會有所變化，另外經過一段時間的實際運行后，一般都需要對系統中存在的某些缺陷進行改進，以使系統更加優化，這就要求維護人員對自動化系統和設備進行必要維護和調整，特別是當生產工藝變化后，需要對控制系統進行相應修改和開發。但是，由于缺乏專業的、穩定的維護隊伍，使一些小的軟硬件故障得不到及時的修復和處理，漸漸由小問題變成大問題，甚至導致自動化系統癱瘓。
1 水廠自動化的目的
對水廠實施自動化的根本目的認識不夠全面或出現偏向，是造成一些水廠自動化系統未能充分發揮作用的一個原因。水廠實現自動化的根本目的是提高生產的可靠性和安全性，實現優質、低耗和高效供水，獲得良好的經濟效益和社會效益。但是，有的水廠實現自動化是為了趕時髦，將其作為一種點綴；有的水廠是迫于形勢，在大批水廠紛紛實現自動化的情況下，自己也不能不上；有的水廠使用的自動化功能過于復雜，特別是在考察自動化水平較高的水廠后，更是盲目地提高標準；有的水廠則自動化功能過于簡單，主要是對自動化不熟悉，缺乏必要的信心，怕造成麻煩；有的水廠是為了湊合貸款數，不得已而配置自動化系統和設備。這些不正確想法的存在，使水廠實現自動化的根本目的發生了偏向，造成了自動化設計不切合水廠實際，不注重生產過程特別是關鍵工藝環節的自動化，并忽略了在運行和管理模式方面的相應改革，從而導致自動化未能充分發揮作用，甚至建成后處于閑置狀態。
2 水廠自動化的設計
2.1 未解決的相關理論問題
在水廠自動化中，工藝理論對自動化提出的控制要求本身存在未解決的理論問題或理論不夠完善，使控制未能達到規范化和最優化，系統運行達不到理想的控制狀態，從而影響了自動化的實際運行效果。
（1）絮凝理論不夠完善。加藥系統是一個大延時、強耦合、干擾因素多的非線性系統，目前廣泛采用的控制方法為：用原水流量按比例前饋調節計量泵的頻率，用流動電流儀（SCD）反饋調節計量泵的沖程，從而構成加藥復合控制系統。由于凝聚作用本身有多種理論，決定加藥量多少的水質成分因素在理論上還不夠完善，如原水濁度、溫度、 pH、污染因素以及非膠體顆粒干擾因素等參數變化都對SCD有很大影響，而在SCD反饋調節方法中，只采用了反映水中膠體穩定度的參數ζ電位來代表全部水質因素，因此該控制方法并不完全符合生產實際。同時，傳感器縫隙小易造成堵塞，加藥后不易形成絮粒，特別是滯后反應和水質變化對SCD影響較大，導致該方法適應性較差，準確度不夠，達不到優化自動加藥的要求，實際使用效果并不理想［1］。在有的系統中，雖然采用了智能技術如專家系統、自學習模糊控制等方法，取得了一定效果，但并未完全解決加藥量優化控制的問題。
(2)加氯系統理論問題。在加氯系統中，傳統的控制方法為：前加氯采用流量比例控制，后加氯采用余氯反饋控制。由于影響加氯效果的因素很多，如水質、天氣、水廠的具體工藝特點等，而且后加氯存在時間滯后問題，同時對控制方法和投加氯氨存在的問題目前有不同的看法，特別是對水射器安裝位置和余氯取樣位置的規范化確定目前尚無完整的理論［1］，從而使加氯系統不夠規范，實際運行效果也不是十分理想。在有的系統中，雖然采用了一些其他控制方法，如采用雙因子控制方式（用流量和余氯控制前加氯和后加氯）或多參數非線性控制方式，取得一定的效果，但并未完全解決加氯系統存在的問題。
(3)其他理論問題。如變頻供水泵和定速供水泵的臺數比例確定、變頻供水泵的自動調節方法以及供水泵的科學調度等問題，理論上還未完全解決，管理上還有待進一步研究。
2.2 技術規范和設計標準問題
到目前為止，我國在供水行業自動化控制方面，除《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》等少量規劃性技術文件之外，尚無制定供水行業自動化控制方面的技術規范和設計標準，致使水廠在實施自動化過程中，技術上缺乏統一的規范性，設計上存在一定的盲目性和隨意性，不同類型的水廠自動化分別應該達到的主要功能和主要技術指標不明確，影響了自動化系統配置的科學性和合理性。而在其他行業，如水電行業，國家有關部門早已經頒布了相關的技術規范和設計標準，這對該行業的自動化設計和實施起到了積極的促進作用。
2.3 專著和文章問題
我國供水行業的自動化起步較晚，總體發展水平也不高，致使在供水自動化方面發表的文章數量有限，總體質量也不太高，出版的專著更少，既不利于在實施自動化時提供必要的理論指導和技術參考，也不利于行業內的技術交流和經驗交流，影響了自動化知識普及和提高的速度。而在其他行業，如電力，除有大批專著可供參考外，還有大量的文章可供參閱。另外，每年還舉行眾多的技術研討會和交流會，這對提高該行業的自動化水平起了很大地推動作用。當然，這與該行業從業人數多、技術力量雄厚、期刊數量大等多種因素有關。
2.4 設計中存在的一些具體問題
水廠的生產過程是一個較為復雜的連續過程，對于其自動化系統的設計要求較高，涉及眾多技術和設備，設計本身具有一定的難度，故在有些水廠自動化設計中存在的問題較多，影響了自動化功能的發揮，甚至影響了系統的正常運行。
（1）缺乏統一的發展規劃。在有些水廠自動化設計中，對控制系統的持久性和未來發展規劃一致性考慮不夠全面，導致控制系統開放性和擴展性不夠，造成系統很快落后于生產發展的需要。
（2）功能設置過于復雜。在有些水廠自動化設計中，由于片面追求高標準，致使功能設置過于復雜，而忽略了水廠的實際工藝情況和管理水平，使系統的故障率增高，而維護管理又跟不上，導致關鍵工藝的自動控制得不到保證。
（3）功能設置過于簡單。在有些水廠自動化設計中，工藝過程的功能設置過于簡單，達不到控制要求，特別是關鍵工藝的控制要求，造成雖有自動化系統，但關鍵工藝(如投藥等)仍由手動完成的現象，失去了實現自動化的實際意義。
（4）設置過多的手動功能。有些設計為了在自動化系統故障時不影響生產，而設置了過多的手動操作功能，從設計上就將自動化系統置于可有可無的地位，既造成了設備的重復投資，也使生產人員產生了不正確的依賴心理，加上運行管理改革力度不夠，出現了自控設備擱置不用而仍由人工手動操作的現象。
（5）設計人員水平不夠。水廠的自動化設計涉及眾多技術和設備，要求設計人員既要掌握先進的控制技術，又要熟悉生產工藝過程，同時對設備也要有相當的了解。但在有些設計中，由于設計人員對生產實際情況或對進口設備的性能了解不夠，導致設計與實際生產有出入或出現設備選擇不當，滿足不了工藝要求，造成了自動化系統局部失敗。如有的設計中濾池出水閥選擇了兩位閥，雖配置了完備的自動化控制設備，但卻無法實現濾池水位的自動調節功能。
3 水廠自控設備存在的問題
設備方面存在的問題也是影響水廠自動化系統正常運行的一個主要因素，具體表現在如下幾個方面：
（1）質量問題。水廠中有些設備容易出現質量問題，如堿度計、氯氨測定儀、溶解氧測定儀、濃度測定儀、壓差變送器、加氯機、計量泵、調節閥、電磁流量計等，這些質量問題有的是設備本身的質量不過關，有的則是安裝或維護質量達不到要求，但均影響了自動化系統的正常運行。
（2）配套問題。在有的水廠自動化系統中，外圍設備如傳感器、測量儀表及執行機構本身并無質量問題，而是精度不夠或穩定性達不到系統要求，即與系統配套不合理，也是影響自動化系統正常運行的一個原因。
（3）備品備件問題。有些設備發生故障后，由于缺乏備品備件而一時無法修復，這對進口設備尤為明顯。如果由原產品供應商修理，則時間長、費用高，特別是有的產品已更新換代而根本無法得到備品備件，造成了這些設備的檢修十分困難，從而導致這些設備長時間處于癱瘓狀態，影響了自動化系統的正常運行。
（4）檢修和改造問題。對于部分進口設備如網絡設備，由于外商對通信協議和通信軟件的公開性不夠，且本身的技術要求也較高，既增加了這些設備的維護和檢修難度，也降低了自動化系統的開放性，影響了系統的正常更新和改造工作。而且很多進口通信設備較難與國內設備互聯，致使更新和改造困難，從而降低了自動化系統的合理性和統一性。
4 管理方面存在的問題
水廠自動化系統建立后，管理水平滯后是影響自動化功能正常發揮的一個重要因素。由于管理人員受自身素質和傳統觀念的束縛，未能在管理方面進行及時的調整和改革，導致管理水平落后，無法適應水廠自動化的發展需要。如何提高管理水平和管理人員素質是自動化水廠目前面臨的一個重要課題。
（1）不注重設計、安裝、調試過程的人員參與。很多水廠在建設自動化系統時，由于受人員和素質的限制，常采用交鑰匙工程的方式，這樣在建設時輕松省事，但后患無窮，由于沒有自己的技術力量參與設計、安裝、調試過程，導致投產后出現很多問題，影響了系統的實際運行效果。
（2）對自動化系統和設備不夠熟悉。由于值班人員缺乏必要的技術知識，對自動化系統和設備不夠熟悉或掌握不夠，導致設備得不到正常的保養、調校和檢修，造成儀表精度降低或設備故障；導致軟件得不到必要維護和調整，造成因一些小軟件故障得不到及時處理而影響系統正常運行；有的甚至出現誤操作或引起人為故障。
（3）缺乏完善的自動化管理規程。水廠實現自動化后，其運行管理和維護管理已和傳統水廠不一樣，但不少水廠在這方面的改革力度不夠，缺乏滿足自動化生產需要的管理規程，如崗位職責、運行管理制度、操作規程和設備維護保養及檢修規程等，致使運行管理滿足不了生產需要，維護管理達不到要求。
（4）缺乏專業的、穩定的維護隊伍。自動化系統和設備雖然具有較高的可靠性，但也會出現故障，需要維護人員盡快排除。同時，設計情況與實際運行情況不一定完全一致，即使與投入運行時一致，過一段時間后也會有所變化，另外經過一段時間的實際運行后，一般都需要對系統中存在的某些缺陷進行改進，以使系統更加優化，這就要求維護人員對自動化系統和設備進行必要維護和調整，特別是當生產工藝變化后，需要對控制系統進行相應修改和開發。但是，由于缺乏專業的、穩定的維護隊伍，使一些小的軟硬件故障得不到及時的修復和處理，漸漸由小問題變成大問題，甚至導致自動化系統癱瘓。
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