費霞麗(廈門市供水公司) 劉燦生 馬超(哈爾濱工業(yè)大學(xué))

　　可靠性是評價水廠自控系統(tǒng)的重要經(jīng)濟技術(shù)指標，它關(guān)系到生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟效益，與投資，成本，性能指標一樣，是水廠設(shè)計時應(yīng)考慮的問題。目前，我國水廠應(yīng)用的自控系統(tǒng)可靠性方面存在許多問題，尚未形成完整的自控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計原則與標準，影響水廠自控技術(shù)的發(fā)展?；谶@種情況，本文在對我國水廠自控系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)可靠性研究的基礎(chǔ)上，探討水廠自控系統(tǒng)可靠性設(shè)計原則。

　　1．可靠性的理論基礎(chǔ)

　　1．1 水廠自控系統(tǒng)的可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力，是評價水廠系統(tǒng)好壞的重要指標。
　　1．2 設(shè)備或部件運行總數(shù)為N，在t時間間隔內(nèi)，正常運行的件數(shù)為N_t，出現(xiàn)故障的件數(shù)為N_J；當件數(shù)足夠多時，不發(fā)生故障的頻率可代表其概率，故可靠度R=N_t/N；故障度F=N_j／N，即R=l—F．設(shè)備工作到t時刻后，單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率稱為設(shè)備在時刻t時的失效率∧(t)，當設(shè)備的壽命服從指數(shù)分布時，即該設(shè)備的故障發(fā)生是隨機，對于大多數(shù)設(shè)備，部件及構(gòu)筑物都符合，則其可靠度函數(shù)為R(t)＝e^-∧t。
　　1．3 系統(tǒng)可靠度預(yù)測和評價的基本方法：
　　(1)串聯(lián)系統(tǒng)組成系統(tǒng)的各單元(設(shè)備，部件或構(gòu)筑物)如有一個發(fā)生故障則整個系統(tǒng)就會失效，這種系統(tǒng)稱為串連系統(tǒng)。
　　假定單元的可靠性指標Ri，單元的壽命服從指數(shù)分布，即R_i(t)＝e^-∧t，則系統(tǒng)的可靠度R_s (t)＝∏R_i＝∏e^∧it，由此可見，串連系統(tǒng)的可靠度小于任何單元的可靠度。
　　(2)并聯(lián)系統(tǒng)由一系列平行工作的單元組成，只有當各單元均失效時系統(tǒng)才會失效，這種系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。
　　假定各單元的可靠度為R₁ R₂—R_n，系統(tǒng)的可靠度即為

　　

　　(3)儲備系統(tǒng)當系統(tǒng)中各單元工作單元有一個失效時，處于被用的另一單元即行替換，這種系統(tǒng)稱為儲備系統(tǒng)。與其并聯(lián)系統(tǒng)不同之處在于前者為待機工作，后者為同機工作。(如圖1)

　　對于有n個單元組成的系統(tǒng)，一個工作，其他(n-1)個在備用，且在備用期不失效，當各單元可靠度Ri均一致，且單元故障的發(fā)生是隨機的，則系統(tǒng)可靠度為

　　　　　

　　2． 　水廠可靠性設(shè)計的原則

　　2．2 　應(yīng)用簡化設(shè)計原則設(shè)計水廠可靠性
　　2．2．1 　結(jié)構(gòu)的簡化
　　研究表明，水廠自控系統(tǒng)的計算機主控制系統(tǒng)可靠度較高，其薄弱環(huán)節(jié)主要是檢測儀表和部分執(zhí)行機構(gòu)，因此在進行系統(tǒng)的可靠度設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)可靠性一致性原則，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善薄弱環(huán)節(jié)。
　　2．2．2 　 功能的簡化
　　水廠自控系統(tǒng)是通過對主要過程參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，對生產(chǎn)設(shè)備進行控制，過多的設(shè)置監(jiān)測參數(shù)，過高要求系統(tǒng)功能，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，加大維護維修量，增大系統(tǒng)的投資，根據(jù)我國水廠的實際情況，進行系統(tǒng)的設(shè)計時，宜遵循重點突出，主次分明的原則，深入進行功能分析，合理設(shè)置檢測參數(shù)，滿足工藝過程控制和設(shè)備維護的需要、使系統(tǒng)簡明實用，提高整個系統(tǒng)的可靠性。
　　2．3 　　 應(yīng)用優(yōu)化分配與儲備原則設(shè)計水廠可靠性
　　系統(tǒng)可靠度的優(yōu)化分配是指在系統(tǒng)可靠度已定的條件下，將單元的可靠度進行合理分配，使之費用最省。
　　可用動態(tài)規(guī)劃進行系統(tǒng)可靠度的優(yōu)化分配和冗余設(shè)計，預(yù)測系統(tǒng)各單元的可靠度目標，其規(guī)劃方法基于最優(yōu)化原理，其基本原理是：把一個N階段決策過程化為一系列N個單元階段決策過程，不論初始狀態(tài)和初始決策如何，對于前面決策所造成的某一狀態(tài)而言，其后各階段的決策序列必須構(gòu)成“最優(yōu)策略”。
　　設(shè)系統(tǒng)由n個單元串聯(lián)組成，期望達到的設(shè)計可靠度為R*，則進行系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化分配并保證費用最低的數(shù)學(xué)模型是：
　　單元i裝有Xi個備有單元，其正常工作的可靠度為R_i(X_i)，費用C_i(X_i)，則系統(tǒng)的可靠度的動態(tài)規(guī)劃尋優(yōu)方程為

　　　

　　該系統(tǒng)的多階段決策過程系統(tǒng)圖如下

　　　　　　　

　　采用該方法可預(yù)測系統(tǒng)的可靠性，并進行可靠度的優(yōu)化分配和優(yōu)化冗余設(shè)計，根據(jù)實際情況校核，使預(yù)測及分配的可靠度目標具有可行性，且能改善系統(tǒng)的可靠度。

　　3．水廠自控系統(tǒng)可靠性的設(shè)計

　　水廠系統(tǒng)包括構(gòu)筑物、自控系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)(閘閥等)。在進行水廠自控系統(tǒng)可靠性設(shè)計時，應(yīng)對以上三個系統(tǒng)分別進行可靠度分配。
　　構(gòu)筑物系統(tǒng)是最基本的子系統(tǒng)，是自控系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ)。自控系統(tǒng)通過傳感器(檢測儀表)檢測工藝控制參數(shù)，經(jīng)控制器分析比較后，發(fā)出控制信號，由執(zhí)行機構(gòu)完成對工藝系統(tǒng)的控制，因此，在工藝系統(tǒng)運行可靠需要現(xiàn)場檢測儀表及執(zhí)行機構(gòu)的靈敏可靠。一般，水廠自控系統(tǒng)的可靠度最高，檢測儀表稍差，工藝系統(tǒng)的可靠度能滿足要求，而執(zhí)行機構(gòu)的可靠度尚不能令人滿意，如何提高執(zhí)行機構(gòu)和檢測儀表的可靠度成為水廠可靠度設(shè)計的關(guān)鍵。
　　3．1 水廠工藝對自控系統(tǒng)可靠性的影響
　　以圖2所示的工藝系統(tǒng)為例進行分析

　　　

　　水處理工藝是典型的串聯(lián)系統(tǒng)，雖然工藝系統(tǒng)中的一個甚至幾個構(gòu)筑物故障不致引起整個系統(tǒng)功能的故障，但會引起給水設(shè)計功能水平的某種下降，同時，對自控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)造成一定的影響，一次分析系統(tǒng)功能的可靠性，確定可能對自控系統(tǒng)產(chǎn)生的影響的環(huán)節(jié)，對于研究自控系統(tǒng)的可靠性具有一定的意義。
　　1)混合 由進水手動閥門，靜態(tài)管式混合器，出水手動閥門組成，其可靠度經(jīng)統(tǒng)計后得出：
　　 R_混合＝R_手閥×R_{管式混合器}×R_手閥 ＝0．978×0．99×0．978
　　　　 　＝0．974
　　 2)反應(yīng)池 前后均設(shè)有手動閘閥，故單元的可靠度為：
　　　 R_{反應(yīng)池}＝R_手閥×R_{反應(yīng)池}×R_手閥
　　　　　　　 ＝0．978×0．93×0．978
　　　　　　 ?。?．890
　　當兩池并聯(lián)運行時，n＝2，R反應(yīng)池＝
　　當四池并聯(lián)運行時，n＝4，R反應(yīng)池＝0．9998
　　當六池并聯(lián)運行時，n＝6，R反應(yīng)池＝1
　　3)平流沉淀池 前后均設(shè)有手動閥門，故
　　　　 R_平流＝R_手閥×R_沉淀池×R_手閥＝0．978×0.96×0.978＝0.918
　　　　　　　　 當n＝2時，R_平流＝0．993
　　　　　　　　　　n＝4時，R_平流＝1
　　4) 濾池 V型濾池每池前設(shè)有氣動進水閘板閥門，池后設(shè)有清水蝶閥，因此

　　　　　R_濾池＝R_進水閥×R_池×R_水閥＝0.954×0.92×0.945＝0.822
　　　　 n＝2時，R_濾池2＝0．968
　　　　 n＝4時，R濾池4＝0．999
　　　　 n＝6時，R濾池6＝1
　　對整個工藝系統(tǒng)的可靠度進行計算(串聯(lián))，結(jié)果列于表3中。

工藝單元 并聯(lián)單元數(shù) 無 2 4 6 混合裝置 0．974 反應(yīng)池 0．890 0．988 0．9998 1 沉淀池 0．918 0．993 1 1 濾池 0．822 0．968 0．999 1 工藝系統(tǒng)可靠度 0．636 0．899 0．946 0．947

　　若藥劑與原水不能迅速均勻的混合，混凝效果差，影響出水水質(zhì)。儀表檢測到的反映混凝效果的參數(shù)反饋至投藥控制系統(tǒng)，又在一定程度上影響投藥控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮。
　　如反應(yīng)效果好，雜質(zhì)沉降性能好，沉淀后水濁度低，從而減輕濾池運行負擔，相反，反應(yīng)效果不好，沉淀池除濁率低，濾池負荷增加，因此，要根據(jù)沉淀后水濁度的變化，混凝投藥控制系統(tǒng)調(diào)整投藥量，以保證沉淀后水濁度保持在設(shè)定值附近，因此，反應(yīng)池的可靠與否對整個工藝系統(tǒng)優(yōu)化運行和投藥系統(tǒng)的控制有較大的影響。
　　綜上所述，工藝系統(tǒng)中各構(gòu)筑物采用多池并聯(lián)，能達到較高的可靠度，因此，在進行工藝設(shè)計時，要根據(jù)處理水量和工藝系統(tǒng)的可靠度要求，與自控系統(tǒng)的可靠性進行綜合權(quán)衡與匹配，選擇合理的構(gòu)筑物組合。
　　3．2 水廠自控系統(tǒng)的可靠性分析
　　3．2．1 投藥系統(tǒng)的可靠性
　　在以除濁為主的水處理中，混凝劑的投加是重要環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)的可靠性是影響水廠運行的重要環(huán)節(jié)。
　　以SCD投加系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)以原水的流量為前饋變量，控制計量泵，以SCD值為反饋變量，控制計量泵的沖程通過PLC中的PID控制功能，組成一個前饋——反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。其主要設(shè)備有變頻調(diào)速裝置，投藥計量泵，流動電流測定儀，控制器等。模塊圖為：

　　該控制回路中，一個參數(shù)的傳遞出現(xiàn)誤差或設(shè)備出現(xiàn)故障，都可能會影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。根據(jù)故障率與可靠度的關(guān)系，統(tǒng)計分析出系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)如下表：

名稱 故障率∧(10^-5/h) 可靠度R 流量計 208 0．782 SCD儀 2．4 0．810 變頻調(diào)速裝置 0．58 0．950 PLC 0．16 0．999 計量泵 0.65 0．944

　　單個系統(tǒng)的可靠度為：
　　　　　R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅＝0．592
　　水廠通常采用兩套系統(tǒng)時，
　　　　 R＇置計＝0.974 R’SCD＝0．981 R’_交頻器＝0.998 R’_計量泵＝0.997
　　　　 R＝R’_流量計×R’SCD×R’_變頻器×RPLC×R’_計量泵
　　　　　 ＝0．949
　　而計量泵二用一備時R＝0．999，但在實際運行中，進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)從可靠性，經(jīng)濟 性和實用性上綜合權(quán)衡。整個系統(tǒng)中流量計和流動電流測定儀的可靠度較低，常常流量計的量值不準，流動電流測定儀出現(xiàn)信號漂移現(xiàn)象，為了提高投藥系統(tǒng)的可靠性，首先必須改善檢測儀表的可靠性，選擇質(zhì)量好，可靠性高的儀表和設(shè)備及提高系統(tǒng)的儲備。
　　3．2．2 沉淀池排泥系統(tǒng)的可靠性
　　沉淀池排泥控制由PLC的邏輯控制實現(xiàn)。不同的池型控制方式有所區(qū)別，但目前常用的的控制方案是采用周期排泥，按設(shè)定方式排泥。
　　機械虹吸式排泥主要設(shè)備是排泥機，其中每臺排泥機的單元設(shè)備有真空泵，破壞真空電磁閥，行走電機。PLC控制排泥機完成規(guī)定的排泥程序。整個系統(tǒng)是串聯(lián)系統(tǒng)、系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)如下：

名稱 故障率∧10^-5／h) 可靠度 PLC 0．16 0．999 真空泵 0．95 0.920 行走電機 0．82 0．930 電磁閥 1．85 0．85

　　因此，排泥系統(tǒng)的可靠度為：

　　

　　當兩格沉淀池并聯(lián)運行時

　　　

　　四格沉淀池并聯(lián)運行時R4＝0．980；六格沉淀池并聯(lián)運行時R6＝0．986可以看出，電磁閥的可靠度最低，是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。常發(fā)生的故障是電磁閥，使虹吸不易形成，排泥失敗。此外，排泥行程開關(guān)不靈敏，觸點不吸合，排泥機排泥不到位或不能按指令返回，影響排泥自控功能的實現(xiàn)。
　　3．2．3 濾池控制系統(tǒng)的可靠性
　　V型濾池的PLC主要實現(xiàn)兩個控制功能：過濾控制，反沖洗控制。目前，V型濾池的控制比較統(tǒng)一，每格濾池配置一臺PLC，控制濾池的過濾，一臺PLC控制濾池的反沖洗，當某一格濾池達到反沖洗條件，向公共反沖洗PLC提出申請并被允許時，公共反沖洗PLC按既定的程序進行反沖洗，所以濾池控制系統(tǒng)是一個串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的系統(tǒng)統(tǒng)計得出系統(tǒng)主要單元可靠性如表：

名稱 故障率∧(10^-5／h) 可靠度R PLC 0．16 -0.999 鼓風機 0．50 0．957 空壓機 0．44 0．962 反沖洗水泵 0．50 0．957 氣動閥門 0．64 0．945 水位計 4．23 0．690 壓差計 3．71 0．722

　　因此，單體V型濾池的可靠度為：
　　　　 R＝R₁×R₂×R₃×R₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0.664
　　水廠采用備用的方式提高系統(tǒng)的可靠度，假設(shè)：
　　1)鼓風機一用一備：L＝1，n＝1；
　　2)反沖洗水泵二用一備：L＝2，n＝1，得R，₄＝0．996
　　3)空壓機一用一備：L＝1，n＝1，得R，₃＝0．9993
　　所以，R有備用＝R₁×R’₂×R，₃×R’₄×R₅×R₆×R₇×R₈×R₉＝0．726
　　4)濾池十格：
　　　　　　　

　　濾池控制系統(tǒng)總的可靠度R為：
　　　　 R_總：＝[1-(1-R_公共PLC)(1-R_濾池)]R_鼓風機×R_反沖洗泵×R_空壓機
　　　　　　 ＝1×0．999×0．996×0．9993＝0．994
　　V型濾池的閥門在實際運行中，數(shù)量多，動作多，故障來源也多，是整個系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。水位計和壓差計可靠度最低，水位計測值不準確，進水，污泥堵塞，甚至被雜物纏繞， PLC接受水位變送器傳輸?shù)腻e誤信號，導(dǎo)致清水蝶閥開度指令的混亂；壓差計探頭經(jīng)常損壞，檢測數(shù)據(jù)不準確，按水頭損失控制濾池反沖洗存在一定誤差，影響反沖洗功能的實現(xiàn)，所以為了提高濾池控制系統(tǒng)的可靠度，尤其要注意以上設(shè)備的可靠性，注意定期檢修，備件充足。
　　3．2．4 投氯系統(tǒng)的可靠性
　　水廠投氯消毒是將濾后水余氯控制在設(shè)定值附近，以濾后水流量作為前饋量，清水池入口余氯作為反饋量，在PLC中組成一個前饋--反饋閉環(huán)比例控制系統(tǒng)，控制加氯機流量的大小。投氯系統(tǒng)是一個串聯(lián)系統(tǒng)。

　　其主要設(shè)備的可靠性如表：

名稱 故障率∧(10-5/h) 可靠度R 流量計 2.8 O．782 加氯機 1．85 0．850 PLC 0．16 0．999 余氯分析儀 3．49 0．736 增壓泵 0．46 0．960 水射器 0．40 0．965

　　由串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度公式得加氯控制系統(tǒng)的可靠度為：
　　　　　 R＝R_流量計×R_加氯機×R_PLC×R_余氯儀×R_泵×R_水射器
　　　　　　 ＝0.782×0．850×0．999×0．736×0．960×0．965
　　　　　　 ＝0．453
　　為了提高系統(tǒng)的可靠度采用兩套加氯系統(tǒng)時，R’流量計＝0．974 R’加氯機＝0．988 R’余氯儀＝0．962 R’_泵＝0．999 R’_水射器＝0．999
　　　　　　 R=R’_溫量計×R’_加氯機×R_PLC×R＇_余氯儀×R’_泵×R’_水射器
　　　　　　 ＝0．974×0.988×0．962×0.999×0．999×0．999＝0.923
　　 三臺加氯機兩用一備時，

　　　　　　

　　根據(jù)可靠性一致性原則，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性低于任一單元的可靠度，系統(tǒng)的中可靠度最低的流量計，余氯分析儀對整個系統(tǒng)的可靠度影響較大，所以如何提高它們的可靠度，成為設(shè)計加氯控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。余氯分析儀是系統(tǒng)的重要設(shè)備，它通過連續(xù)檢測水中的余氯量，輸出余氯量的信號給加氯機，控制閥門的開度來調(diào)節(jié)加氯量。而余氯儀測值不準確，信號漂移，會致使投氯調(diào)節(jié)不穩(wěn)定。此外，水射器堵塞，壓差穩(wěn)壓器隔膜組織老化腐蝕，流速計不準，行程開關(guān)故障，閥門開啟不靈敏，同樣會影響投氯量的準確。
　　總之，在進行水廠自控系統(tǒng)可靠度設(shè)計時，要注意系統(tǒng)可靠度比較薄弱的環(huán)節(jié)，選擇比較好的設(shè)備或者通過并聯(lián)或備用的方法使系統(tǒng)中各個單元的可靠度大體一致，因此，可靠性設(shè)計的第一步是對串聯(lián)系統(tǒng)的各組件的可靠度進行調(diào)整，對可靠度較低的設(shè)備和單元采用備用或并聯(lián)的方法處理，使系統(tǒng)內(nèi)的各子系統(tǒng)、各單元的可靠度趨于一致，使整個系統(tǒng)的可靠度提高。使水廠自控系統(tǒng)可以滿足可靠度設(shè)計要求，又不過分要求各單元的過高的可靠度，使得水廠系統(tǒng)的設(shè)計安全、可靠、合理、經(jīng)濟。