水廠自控系統(tǒng)可靠性問(wèn)題探討
| 論文類型 | 運(yùn)營(yíng)與管理 | 發(fā)表日期 | 2001-05-01 |
| 來(lái)源 | 2001年全國(guó)水處理自動(dòng)化控制學(xué)術(shù)研究會(huì)年會(huì) | ||
| 作者 | 費(fèi)霞麗,劉燦生,馬超 | ||
| 摘要 | 費(fèi)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(píng)價(jià)水廠自控系統(tǒng)的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),它關(guān)系到生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)效益,與投資,成本,性能指標(biāo)一樣,是水廠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。目前,我國(guó)水廠應(yīng)用的自控系統(tǒng)可靠性方面存在許多問(wèn)題,尚未形成完整的自控系統(tǒng) ... | ||
費(fèi)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(píng)價(jià)水廠自控系統(tǒng)的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),它關(guān)系到生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)效益,與投資,成本,性能指標(biāo)一樣,是水廠設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。目前,我國(guó)水廠應(yīng)用的自控系統(tǒng)可靠性方面存在許多問(wèn)題,尚未形成完整的自控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與標(biāo)準(zhǔn),影響水廠自控技術(shù)的發(fā)展。基于這種情況,本文在對(duì)我國(guó)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(jì)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(shí)間內(nèi),系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力,是評(píng)價(jià)水廠系統(tǒng)好壞的重要指標(biāo)。
1.2 設(shè)備或部件運(yùn)行總數(shù)為N,在t時(shí)間間隔內(nèi),正常運(yùn)行的件數(shù)為Nt,出現(xiàn)故障的件數(shù)為NJ;當(dāng)件數(shù)足夠多時(shí),不發(fā)生故障的頻率可代表其概率,故可靠度R=Nt/N;故障度F=Nj/N,即R=l—F.設(shè)備工作到t時(shí)刻后,單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率稱為設(shè)備在時(shí)刻t時(shí)的失效率∧(t),當(dāng)設(shè)備的壽命服從指數(shù)分布時(shí),即該設(shè)備的故障發(fā)生是隨機(jī),對(duì)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(cè)和評(píng)價(jià)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(gè)發(fā)生故障則整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)失效,這種系統(tǒng)稱為串連系統(tǒng)。
假定單元的可靠性指標(biāo)Ri,單元的壽命服從指數(shù)分布,即Ri(t)=e-∧t,則系統(tǒng)的可靠度Rs (t)=∏Ri=∏e∧it,由此可見(jiàn),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(dāng)各單元均失效時(shí)系統(tǒng)才會(huì)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—Rn,系統(tǒng)的可靠度即為
(3)儲(chǔ)備系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)中各單元工作單元有一個(gè)失效時(shí),處于被用的另一單元即行替換,這種系統(tǒng)稱為儲(chǔ)備系統(tǒng)。與其并聯(lián)系統(tǒng)不同之處在于前者為待機(jī)工作,后者為同機(jī)工作。(如圖1)

對(duì)于有n個(gè)單元組成的系統(tǒng),一個(gè)工作,其他(n-1)個(gè)在備用,且在備用期不失效,當(dāng)各單元可靠度Ri均一致,且單元故障的發(fā)生是隨機(jī)的,則系統(tǒng)可靠度為

2. 水廠可靠性設(shè)計(jì)的原則
2.2 應(yīng)用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)水廠可靠性
2.2.1 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化
研究表明,水廠自控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)主控制系統(tǒng)可靠度較高,其薄弱環(huán)節(jié)主要是檢測(cè)儀表和部分執(zhí)行機(jī)構(gòu),因此在進(jìn)行系統(tǒng)的可靠度設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)可靠性一致性原則,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改善薄弱環(huán)節(jié)。
2.2.2 功能的簡(jiǎn)化
水廠自控系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)主要過(guò)程參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè),對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制,過(guò)多的設(shè)置監(jiān)測(cè)參數(shù),過(guò)高要求系統(tǒng)功能,會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,加大維護(hù)維修量,增大系統(tǒng)的投資,根據(jù)我國(guó)水廠的實(shí)際情況,進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),宜遵循重點(diǎn)突出,主次分明的原則,深入進(jìn)行功能分析,合理設(shè)置檢測(cè)參數(shù),滿足工藝過(guò)程控制和設(shè)備維護(hù)的需要、使系統(tǒng)簡(jiǎn)明實(shí)用,提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
2.3 應(yīng)用優(yōu)化分配與儲(chǔ)備原則設(shè)計(jì)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(jìn)行合理分配,使之費(fèi)用最省。
可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行系統(tǒng)可靠度的優(yōu)化分配和冗余設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)系統(tǒng)各單元的可靠度目標(biāo),其規(guī)劃方法基于最優(yōu)化原理,其基本原理是:把一個(gè)N階段決策過(guò)程化為一系列N個(gè)單元階段決策過(guò)程,不論初始狀態(tài)和初始決策如何,對(duì)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(gè)單元串聯(lián)組成,期望達(dá)到的設(shè)計(jì)可靠度為R*,則進(jìn)行系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化分配并保證費(fèi)用最低的數(shù)學(xué)模型是:
單元i裝有Xi個(gè)備有單元,其正常工作的可靠度為Ri(Xi),費(fèi)用Ci(Xi),則系統(tǒng)的可靠度的動(dòng)態(tài)規(guī)劃尋優(yōu)方程為

該系統(tǒng)的多階段決策過(guò)程系統(tǒng)圖如下
采用該方法可預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可靠性,并進(jìn)行可靠度的優(yōu)化分配和優(yōu)化冗余設(shè)計(jì),根據(jù)實(shí)際情況校核,使預(yù)測(cè)及分配的可靠度目標(biāo)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(jì)
水廠系統(tǒng)包括構(gòu)筑物、自控系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(閘閥等)。在進(jìn)行水廠自控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)對(duì)以上三個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)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(guò)傳感器(檢測(cè)儀表)檢測(cè)工藝控制參數(shù),經(jīng)控制器分析比較后,發(fā)出控制信號(hào),由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)工藝系統(tǒng)的控制,因此,在工藝系統(tǒng)運(yùn)行可靠需要現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏可靠。一般,水廠自控系統(tǒng)的可靠度最高,檢測(cè)儀表稍差,工藝系統(tǒng)的可靠度能滿足要求,而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠度尚不能令人滿意,如何提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)儀表的可靠度成為水廠可靠度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
3.1 水廠工藝對(duì)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(jìn)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(gè)甚至幾個(gè)構(gòu)筑物故障不致引起整個(gè)系統(tǒng)功能的故障,但會(huì)引起給水設(shè)計(jì)功能水平的某種下降,同時(shí),對(duì)自控系統(tǒng)功能的實(shí)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(duì)自控系統(tǒng)產(chǎn)生的影響的環(huán)節(jié),對(duì)于研究自控系統(tǒng)的可靠性具有一定的意義。
1)混合 由進(jìn)水手動(dòng)閥門,靜態(tài)管式混合器,出水手動(dòng)閥門組成,其可靠度經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得出:
R混合=R手閥×R管式混合器×R手閥
=0.978×0.99×0.978
?。?.974
2)反應(yīng)池 前后均設(shè)有手動(dòng)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(dāng)兩池并聯(lián)運(yùn)行時(shí),n=2,R反應(yīng)池=![]()
當(dāng)四池并聯(lián)運(yùn)行時(shí),n=4,R反應(yīng)池=0.9998
當(dāng)六池并聯(lián)運(yùn)行時(shí),n=6,R反應(yīng)池=1
3)平流沉淀池 前后均設(shè)有手動(dòng)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(dāng)n=2時(shí),R平流=0.993
n=4時(shí),R平流=1
4) 濾池 V型濾池每池前設(shè)有氣動(dòng)進(jìn)水閘板閥門,池后設(shè)有清水蝶閥,因此
R濾池=R進(jìn)水閥×R池×R水閥=0.954×0.92×0.945=0.822
n=2時(shí),R濾池2=0.968
n=4時(shí),R濾池4=0.999
n=6時(shí),R濾池6=1
對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行計(jì)算(串聯(lián)),結(jié)果列于表3中。
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(cè)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(yùn)行負(fù)擔(dān),相反,反應(yīng)效果不好,沉淀池除濁率低,濾池負(fù)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(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)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(dá)到較高的可靠度,因此,在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí),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(jìn)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(yùn)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?zhàn)兞?,控制?jì)量泵,以SCD值為反饋?zhàn)兞?,控制?jì)量泵的沖程通過(guò)PLC中的PID控制功能,組成一個(gè)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(jì)量泵,流動(dòng)電流測(cè)定儀,控制器等。模塊圖為:
該控制回路中,一個(gè)參數(shù)的傳遞出現(xiàn)誤差或設(shè)備出現(xiàn)故障,都可能會(huì)影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)故障率與可靠度的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)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(jì) 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(jì)量泵 0.65 0.944 單個(gè)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(shí),
R'置計(jì)=0.974 R’SCD=0.981 R’交頻器=0.998 R’計(jì)量泵=0.997
R=R’流量計(jì)×R’SCD×R’變頻器×RPLC×R’計(jì)量泵
=0.949
而計(jì)量泵二用一備時(shí)R=0.999,但在實(shí)際運(yùn)行中,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從可靠性,經(jīng)濟(jì) 性和實(shí)用性上綜合權(quán)衡。整個(gè)系統(tǒng)中流量計(jì)和流動(dòng)電流測(cè)定儀的可靠度較低,常常流量計(jì)的量值不準(zhǔn),流動(dòng)電流測(cè)定儀出現(xiàn)信號(hào)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(cè)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(chǔ)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(shí)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(jī)械虹吸式排泥主要設(shè)備是排泥機(jī),其中每臺(tái)排泥機(jī)的單元設(shè)備有真空泵,破壞真空電磁閥,行走電機(jī)。PLC控制排泥機(jī)完成規(guī)定的排泥程序。整個(gè)系統(tǒng)是串聯(lián)系統(tǒng)、系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)如下:
因此,排泥系統(tǒng)的可靠度為:

當(dāng)兩格沉淀池并聯(lián)運(yùn)行時(shí)
四格沉淀池并聯(lián)運(yùn)行時(shí)R4=0.980;六格沉淀池并聯(lián)運(yùn)行時(shí)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(kāi)關(guān)不靈敏,觸點(diǎn)不吸合,排泥機(jī)排泥不到位或不能按指令返回,影響排泥自控功能的實(shí)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制功能:過(guò)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(tái)PLC,控制濾池的過(guò)濾,一臺(tái)PLC控制濾池的反沖洗,當(dāng)某一格濾池達(dá)到反沖洗條件,向公共反沖洗PLC提出申請(qǐng)并被允許時(shí),公共反沖洗PLC按既定的程序進(jìn)行反沖洗,所以濾池控制系統(tǒng)是一個(gè)串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)得出系統(tǒng)主要單元可靠性如表:
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(fēng)機(jī)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(jī)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(fēng)機(jī)×R反沖洗泵×R空壓機(jī)
=1×0.999×0.996×0.9993=0.994
V型濾池的閥門在實(shí)際運(yùn)行中,數(shù)量多,動(dòng)作多,故障來(lái)源也多,是整個(gè)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。水位計(jì)和壓差計(jì)可靠度最低,水位計(jì)測(cè)值不準(zhǔn)確,進(jìn)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(cuò)誤信號(hào),導(dǎo)致清水蝶閥開(kāi)度指令的混亂;壓差計(jì)探頭經(jīng)常損壞,檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)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(shí)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(gè)前饋--反饋閉環(huán)比例控制系統(tǒng),控制加氯機(jī)流量的大小。投氯系統(tǒng)是一個(gè)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(jì) 2.8 O.782 加氯機(jī) 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(jì)×R加氯機(jī)×RPLC×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(shí),R’流量計(jì)=0.974 R’加氯機(jī)=0.988 R’余氯儀=0.962 R’泵=0.999 R’水射器=0.999
R=R’溫量計(jì)×R’加氯機(jī)×RPLC×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(tái)加氯機(jī)兩用一備時(shí),
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(jì),余氯分析儀對(duì)整個(gè)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(jì)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(guò)連續(xù)檢測(cè)水中的余氯量,輸出余氯量的信號(hào)給加氯機(jī),控制閥門的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)加氯量。而余氯儀測(cè)值不準(zhǔn)確,信號(hào)漂移,會(huì)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(jì)不準(zhǔn),行程開(kāi)關(guān)故障,閥門開(kāi)啟不靈敏,同樣會(huì)影響投氯量的準(zhǔn)確。
總之,在進(jìn)行水廠自控系統(tǒng)可靠度設(shè)計(jì)時(shí),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(guò)并聯(lián)或備用的方法使系統(tǒng)中各個(gè)單元的可靠度大體一致,因此,可靠性設(shè)計(jì)的第一步是對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)的各組件的可靠度進(jìn)行調(diào)整,對(duì)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(gè)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(jì)要求,又不過(guò)分要求各單元的過(guò)高的可靠度,使得水廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安全、可靠、合理、經(jīng)濟(jì)。
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