浅谈智能仪表与网关在水厂中的应用

程瑜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201800

【摘要】：本文介绍了自动化在线仪表在自来水厂中的应用，并结合实际提出需注意的地方。

【关键词】：自来水厂在线仪表PLC系统

1概述

在现代化的水厂中，每一个生产过程总是与相应的仪表及自控技术有关。仪表能连续检测各工艺参数，根据这些参数的数据进行手动或自动控制，从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各水处理工艺之间的关系，以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。在水处理工艺流程中，在相应的工艺段配置检测和分析仪表。现场的仪器仪表作为自控系统的直接检测部分，其性能的优劣将直接影响整个工艺的运行。为此选用质量可靠、技术的、性价比高的现场仪器仪表。

自动化检测仪表主要由三个部分组成：

①传感器，利用各种信号检测被测模拟量：

②变送器，将传感器所测量的模拟信号转变为4～20mA的电流信号，并送到可编程序控制器(PLC)中：

③显示器，将测量结果直观地显示出来，提供结果。这三个部分有机地结合在一起，缺少其中的任何一部分，则不能称为完整的仪表。自动化检测仪表以其测量、显示清晰、操作简单等特点，在工业生产中得到了广泛的应用，而且自动化检测仪表内部具有与PLC的接口，更是自动化控制系统中重要的部分，被称为“自动化控制系统的眼睛”。

根据水处理工艺的实际要求，结合我厂所积累的实际运行经验和国内外仪器仪表的实际情况。我们选用的分析仪表均为安科瑞产品，从而根本上保证了检测部分的稳定性和准确性。

2水厂采用智能仪表系统原则

现场仪表作为计算机监控系统的检测单元，其性能的优劣直接影响到整个计算机监控系统的好坏。所以在仪表选型中遵循以下原则：

(1)可靠性

由于现场仪表检测的介质成分比较复杂，仪表安装的环境比较恶劣。为了保证水处理过程的安全、可靠的进行，在选择仪表时选用符合工业级标准的成熟定型的，且经过现场使用并证明是成功的产品，仪表可在恶劣的温度条件下工作。每个仪表均有防尘、防水型结构，并能承受偶然出现的高压水和台风暴雨的冲击，所有室外安装仪表有自动恢复功能，仪表外壳均可靠接地。

(2)性

在系统可靠性的前提下，也至关重要。产品的主要表现在：具有自动补偿功能、具有兼容性通讯协议、具有自诊断、信号保持、故障报警等功能。

(3)方便性

仪表在使用时具有安装操作方便、简单易学、界面清楚、功能实用，维护人员可以很方便的对仪表进行维护、检修等操作。

3智能仪表应符合标准

整个水厂的过程检测仪表分散设置于各个工艺处理构筑物及工艺管道上，作为自控系统的在线检测和数据采集设备。所需检测的主要参数有：液位、压力、PH值、余氯、浊度等。

所有过程检测仪表均符合下列标准：

(1)所有仪表型号均应为制造厂商的新型产品。

(2)产品应易于维护和检查，并提供易损害的备用部件

(3)有零度和满度调整电路，并能方便地进行调整。

(4)设计有温度补偿电路和抗干扰电路。

(5)检测度和响应时间应满足水厂工艺和自控要求。

(6)螺纹或法兰连接符合DIN标准。

(7)所有安装在管道中的仪表都有连接阀门，便于仪表可以拆修。

(8)所有仪表都带有4~20mADC输出。

(9)所有仪表都有可靠的接地。

(1O)水质分析仪使用化学试剂时，应遵循试剂价格低、无毒性、货源广的原则。

4主要仪表应用介绍

(1)霍尔电流传感器

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集，广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器，UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制，具有响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强等优点。

(2) APM系列网络电力仪表

在厂区出水安装了安科瑞电气APM系列网络电力仪表是按IEC标准设计，与国际技术同步的网络电力仪表。具有全电量测量，电能统计，电能质量分析及网络通讯等功能，主要用于对电网供电质量的综合监控。该系列仪表采用了模块化设计，配合功能丰富的外部DI/DO模块、AI/AO模块、MicroSD卡(TF卡)事件记录(SOE)模块、网络通讯模块、温湿度测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控，双RS485和以太网接口配合可实现RS485主站数据抄送，省去数据交换机。PROFIBUS-DP接口可以实现高速数据传输及组网功能，将测量的结果传输到PLC及上位机。

（3） PZ系列智能直流电能表

PZ系列智能直流电能表是针对直流屏、太阳能供电、电信基站、充电桩等应用场合而设计的，该系列仪表可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。既可用于本地显示，又能与工控设备、计算机连接，组成测控系统。同时它具有多种外围接口功能可供用户选择：带有RS-485通讯接口，采用Modbus-RTU协议；可带继电器报警输出、开关量输入/输出。根据不同要求，通过仪表面板按键，对变比、通讯进行设置与控制。

5仪表安装规范及日常维护要求

(1)霍尔电流传感器

霍尔传感器在使用时，为了得到较好的动态特性和灵敏度，注意原边线圈和副边线圈之间的耦合，建议使用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块过线孔；

霍尔传感器在使用时，在额定输入电流值下才能得到佳的测量精度，当被测电流远低于额定值时，若要获得佳精度，原边可使用多匝，即：IpNp=额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过80℃；

霍尔电流传感器正常工作时的辅助电源不应超过标定值的±20%；

霍尔电流传感器在安装使用过程中严禁从高处摔落(≥1m)；

不能调节零点、满度调节电位器；

辅助电源需要自行配置；

电源正负极不能接反。

(2)APM系列网络电力仪表

安装在连通井内并与池壁应保持足够的距离，以消除浪涌和池壁对超声波的干扰。

超声波的发射方向应与物位面应保持垂直，并应采取保护措施，防止被测介质表面产生或形成泡沫和可凝气体导致产生测量误差。

PZ系列智能直流电能表

安装时，将仪表嵌入安装孔内，装上塑料支架，拧紧螺钉，使仪表安装牢固，不松动即可。

6仪表在使用出现的故障分析

霍尔电流传感器

在布线工程上要严格按要求施工；

对于暂时不需要通信的仪表都要将他们连接到 RS-485 网络上，以便于诊断和测试；

进行 RS-485 电缆连接时，尽量使用双色双绞线，485 通信口“A”端接同一种颜色，“B”端接另一 种颜色。

RS-485 总线(从上位机通信口开始到末端被连接的仪表终端通信口)长不超过 1200 米。

(2)APM系列网络电力仪表

供电电压仪表常规供电电压为：AC/DC85-265V；带P2功能时供电电压为：AC/DC115-415V。

PZ系列智能直流电能表

输入的电压不得高于产品的额定输入电压的 120%，在电压输入端须安装 1A 保险丝；

电流输入应使用外部分流器或霍尔电流传感器。

7AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台

7.1平台概述

安科瑞电气具备从终端感知、边缘计算到能效管理平台的产品生态体系，AcrelEMS-SW智慧水务能效管理平台通过在污水厂源、网、荷、储、充的各个关键节点安装保护、监测、分析、治理装置，用于监测污水厂能耗总量和能耗强度，重点监测主要用能设备能效，保护污水厂运行安全可靠，提高污水厂能效，为污水处理的能效管理提供科学、精细的解决方案。

7.2平台组成

AcrelEMS智慧水务综合能效管理系统由变电站综合自动化系统、电力监控及能效管理系统组成，涵盖了水务中压变配电系统、电气安全、应急电源、能源管理、照明控制、设备运维等，贯穿水务能源流的始终，帮助运维管理人员通过一套平台、一个APP实时了解水务配电系统运行状况，并且根据权限可以适用于水务后勤部门管理需要。

7.3平台拓扑图

7.4平台子系统

7.4.1变电站综合自动化系统及电力监控

对水务配电系统中35kV、10kV电压等级配置继电保护和弧光保护，实现遥测、遥信、遥控、遥调等功能，对异常情况及时预警。

监测变压器、水泵、鼓风机的电流、电压、有功/无功功率、功率因数、负荷率、温度、三相平衡、异常报警等数据。

7.4.2电能质量监测与治理

水务中大量的大功率电机、水泵变频启动导致配电系统中存在大量谐波，通过监测其配电系统的谐波畸变、电压波动、闪变和容忍度指标分析其电能质量，并配置对应的电能质量治理措施提高供电电能质量。

7.4.3电动机管理

马达监控实现水务中电机的保护、遥测、遥信、遥控功能，电动机保护器能对过载、短路、缺相、漏电等异常情况进行保护、监测和报警。高效、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点、及相关信息，对电机进行健康诊断和预防性维护。同时支持与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

7.4.4能耗管理

为水务搭建计量体系，显示水务的能源流向和能源损耗，通过能源流向图帮助水务分析能源消耗去向，找出能源消耗异常区域。

将所有有关能源的参数集中在一个看板中，从多个维度对比分析，实现各个工艺环节的能耗对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

能耗数据统计采集水务中污水厂、自来水厂、水泵站等的用电、用水、燃气、冷热量消耗量，同环比对比分析，能耗总量和能耗强度计算，标煤计算和CO2排放统计趋势。

能效分析按三级计量架构，分别进行能效分析，契合能源管理体系要求，可对各车间/职能部门的能效水平进行分析，同比、环比、对标等。通过污水处理产量以及系统采集的能耗数据，在污水单耗中生成污水单耗趋势图，并进行同比和环比分析，同时将污水的单耗与行业国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能量。

7.4.5智能照明控制

系统为污水厂、自来水厂、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持单控、区域控制、自动控制、感应控制、定时控制、场景控制、调光控制等多种控制方式，模块可根据经纬度自动识别日出日落时间实现自动控制功能，尽量利用自然光照，实现室内、厂区照明的智能控制达到安全、节能、舒适、高效的目的。

7.4.6电气安全

7.4.6.1电气火灾监测

监测配电系统回路的漏电电流和线缆温度，实现对污水厂、自来水厂、水泵站的电气安全预警。

7.4.6.2消防应急照明和疏散指示

根据预先设置的应急预案快速启动疏散方案引导人员疏散。系统接入消防应急照明指示系统数据，通过平面图显示疏散指示灯具工作状态和异常情况。

7.4.6.3消防设备电源监测

监测消防设备的工作电源是否正常，保障在发生火灾时消防设备可以正常投入使用。

7.4.6.4防火门监控系统

防火门监控系统集中控制其各终端设备即防火门监控模块、电动闭门器、电磁释放器的工作状态，实时监测疏散通道防火门的开启、关闭及故障状态，显示终端设备开路、短路等故障信号。系统采用消防二总线将具有通信功能的监控模块相互连接起来，当终端设备发生短路、断路等故障时，防火门监控器能发出报警信号，能指示报警部位并保存报警信息，保障了电气安全的可靠性。

7.4.7环境监测

污水厂、自来水厂、水泵站等场所温湿度、烟雾、积水浸水、视频、UPS电池间可燃气体浓度展示和预警，保障污水厂、自来水厂、水泵站等安全运行。当可燃气体或有害气体浓度超标可自动启动排风风机或新风系统，排除隐患，保持良好的水处理环境。

7.4.8分布式光伏监测

实时监测低压并网柜每路的电流、电压、功率等电气参数及断路器开关状态，逆变器运行监视，对逆变器直流侧每一光伏组串的输入直流电压、直流电流、直流功率，逆变器交流电压、交流电流、频率、功率因数、当前发电功率、累计发电量进行监测，以曲线方式绘制上述监测的各个参量的历史数据。

平台结合厂区实际分布情况，通过3D或2.5D平面图显示分布式光伏组件在屋顶、车棚的分布情况，显示汇流箱、并网点位置，各个屋顶的装机容量。

7.4.9工艺仿真监控

平台通过2D、3D方式实时监视粗格栅、污水提升、细格栅、曝气沉砂、改良生化处理、二沉、加氯接触消毒、污泥浓缩压滤、生物除臭等工艺设备运行状态。在格栅清渣机、污水提升泵、回流泵、曝气风机、加药泵、浓缩压滤机、吸沙泵、吸泥泵等低压电动机控制柜或低压馈电柜安装电动机保护，进行短路、过流、过载、起动超时、断相、不平衡、低功率、接地/漏电、te保护、堵转、逆序、温度等保护以及外部故障连锁停机，与PLC、软启、变频器等配合，实现电动机自动或远程控制，监视、控制各个工艺设备,保障正常生产。

8相关平台部署硬件选型清单

8.1电力监控、电能质量、电动机管理及配电室环境监控系统

应用场合（10KV）		产品	型号	功能
	10KV进/馈线		AM6-L	相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
	10/0.4KV变压器		AM6-S	分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。
	智能操控装置		ASD500	一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。
	10KV计量		APM520	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。
	弧光保护		ARB5-M	主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口；
			ARB5-E	扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号：
			ARB5-S	弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域；
应用场合（0.4KV）		产品	型号	功能
	0.4KV进/出线		APView500	相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议
			APM520	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。
	电能质量		ARC	测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议
			ANSVC	ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。
			ANAPF	ANAPF系列有源电力滤波器通过电流互感器采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
电动机保护器	电机回路		ARD3M	智能电动机保护器（以下简称保护器）适用于额定电压至660V的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。其完善的保护功能确保电动机安全运行，带有逻辑可编程功能，可以满足多种控制方式。可选配不同通讯模块适应现场通讯需求。该产品采用分体式结构，由主体、显示单元、互感器组成，可适应各种柜体的安装。具有许昌开普研究院有限公司、中心检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，
配套附件	0.4kV电流互感器		AKH-0.66	测量型互感器，采集交流电流信号
智能网关			Anet系列	8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
应用场合（配电室）		产品	型号	功能
环境监测	温湿度		/	用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0%RH～99%RH
	烟雾		/	光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）：+12V，继电器输出：常开触点
	水侵		/	接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：-20℃~+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点
	局方检测		/	监测变压器、开关、开关柜的局部放电
	门禁		/	常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
	摄像机		/	视频监控
	开关量模块		ARTU-KJ8	8路开关量输入,8路继电器输出
智能网关			ANet-2E4SM	4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,最多可扩展16路。

9结语

自动化在线仪表在自来水厂自动化控制中应用越来越广泛，合理地使用在线仪表并科学管理及维护保养，能够为供水水质提供有力保证。另外，适当增加闭路电视监视系统，对一些关键生产场所进行直接监视，可为安全生产提供更有效保障。

参考文献：

[1]《给水排水自动控制与仪表》．刘自放主编．机械工业出版社．

[2]《检测与转换技术》．常健生主编．机械工业出版社．

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

[4]吴勇.智能仪表在水厂中的应用与管理

审核编辑 黄宇