水是生命之源——自動化技術提高飲用水生產(chǎn)能力和質(zhì)量
如今，地球上約有五分之一的人口沒有干凈水源，因此廢水處理設備常常就是他們的水源源頭
地球之所以被稱為“藍色星球”，是因為地球有70％的表面被水覆蓋著。盡管如此，地球卻存在著嚴重的水荒問題：地球有97％的水是含有鹽分的水，不適合人們直接使用，只有其余3％的水是可以飲用的淡水。而這3％的淡水中又有三分之二是保存在地球的南、北極中，以及地球的永久冰川地帶。最終，只有不足1％的水是可以供人類直接飲用的淡水。
上面敘述使用了百分比來表示相對數(shù)據(jù)；若用絕對數(shù)字表示就是：地球上的水資源總量為13.8億m3，其中3600萬m3是淡水，而可供人類直接使用的淡水僅360萬m3。純數(shù)學計算可以得出結論：即使是很少比例的淡水，也足夠供地球人使用，而且是按照當今工業(yè)發(fā)達國家人均用水的6倍標準。但令人遺憾的是：這些淡水資源在地球上的分布很不均勻，世界各地淡水資源受到的污染程度也不完全相同，而且利用淡水所要解決的重點問題在世界各地也各不相同。地球上有五分之一的人無法得到干凈的淡水。超過13億人飲用水的水源是受到污染的水源，24億人沒有可控制的廢水處理設施使用。
據(jù)聯(lián)合國計算，2025年，全球?qū)⒂腥种娜松钤谌彼蛩坎蛔愕沫h(huán)境中。聯(lián)合國解釋：2005~2015年是國際“生命之水”工程的10年。聯(lián)合國在這10年中的重要目標就是將全球缺少干凈飲用水的人數(shù)在全球人口不斷增長的情況下減少一半。
若聯(lián)合國的目標得以實現(xiàn)，則將有180000人每天工作在飲用水處理設備旁，每天有330000人工作在廢水凈化設備旁。這對用水領域來講則意味著需要準備好提供充足的水量、保障水質(zhì)的可靠，以及建立與保持相應的基礎設施。
新方案具有較大的差異性
聯(lián)合國的這一目標如果利用不缺水工業(yè)國家現(xiàn)行的廢水處理技術和消毒技術是無法實現(xiàn)的。不同的可用水資源條件、不同的氣候和社會條件，以及不同的基礎設施條件等這些前提條件都要與當?shù)貙嶋H相適應才行，首先是可持續(xù)發(fā)展的水資源管理、水資源循環(huán)利用技術、消毒與海水淡化方案。其次，無論采用哪種水處理技術，節(jié)約能源都有重要意義。由于廢水處理設備會需消耗大量能源，通過產(chǎn)生CO2也會帶來氣候變暖的問題，經(jīng)濟和環(huán)保都很重要。德國污水處理設備每年消耗的電力在4400GWh/a左右。
另外，由于新興工業(yè)國家和發(fā)展中國家人口的增長變化迅猛，以及都市化進程加快，用戶也在污水處理方面提出了追加投資的要求。到2030年時，世界上將會有60％的人口居住在面積占10％的超級城市里。這就帶來了以下的問題：工業(yè)國家的廢水處理系統(tǒng)能否承擔如此繁重的污水處理和供水工作。或者說，分散控制管理，以及半集中控制管理的水處理、廢水處理和能源供應是否能夠很好地實現(xiàn)有機結合。
全球范圍內(nèi)，今后幾年在可持續(xù)發(fā)展基礎設施的制造和分析方面的投資額將高達2900億歐元，而通過其他統(tǒng)計渠道得出的結果竟高達4800億歐元。為解決全球性的水荒問題，水資源管理組織的形式和結構也是不可忽視的。在歐洲，歐盟和GAT正努力推動著關于水處理和循環(huán)水供應廣泛應用的討論，雖然其在公眾的討論中受到了重重阻力，毫無爭議的是德國用水經(jīng)濟中的企業(yè)呈現(xiàn)出集中的趨勢。
電子技術在用水經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中的作用往往被人們所低估。用水經(jīng)濟中的自動化技術、驅(qū)動技術和能源技術有著很大的節(jié)能潛力可以挖掘，因為用水經(jīng)濟中的設備在生產(chǎn)制造之后通常都是終生工作的，一般情況下其使用年限為40年以上。盡管企業(yè)對這些設備都進行了生產(chǎn)過程的優(yōu)化，但在這些設備的使用運行過程中，供水企業(yè)一直把供水的穩(wěn)定性和可靠性作為自身的首要任務。高效的設備驅(qū)動技術不僅可以減少水處理企業(yè)的設備運行費用，而且也能減少CO2排放。在連續(xù)運行的水處理企業(yè)中，企業(yè)在高效驅(qū)動技術方面的投資可以在短時間內(nèi)進行回收。在企業(yè)選擇高效節(jié)能的驅(qū)動技術時應注意：設備在整個使用壽命周期內(nèi)的總成本費用有著決定性的意義。
幾乎所有第二套水處理設備都是超規(guī)格的設備：大多數(shù)情況下，在項目剛開始時設備的使用運行條件都還不夠完備，因此首先應該確定一個動力較大的驅(qū)動系統(tǒng)，以保障設備能夠安全可靠的運行起來；其次是按照一定的工作位置使用運行，其與最佳的工作位置有著明顯差距。另一方面，優(yōu)化后的流量調(diào)節(jié)也有著很大的節(jié)約潛力：在通常情況下，流程泵和壓縮機是按照機械流量控制方式，利用節(jié)流板或旁通閥進行流量控制的。負載的變化需要通過設備特性曲線的移動進行調(diào)節(jié)，而這種調(diào)節(jié)對電動機所需功率的改變非常小。用不到的流量則作為一種功率損失白白浪費掉了，這樣不僅令設備運行費用高昂，還會產(chǎn)生其他有害副作用，例如不希望的介質(zhì)發(fā)熱。
節(jié)能技術得到快速推廣
可變轉速的驅(qū)動系統(tǒng)具有變頻功能，其所改變的不是整套設備的工作特性曲線，而是泵的工作特性曲線。這種方法可實現(xiàn)節(jié)約30%~50%的能源。除此之外，變頻器調(diào)節(jié)技術還在改善系統(tǒng)的機械性能方面提供了便利：其能避免電動機在啟動時的電流峰值和強烈的扭矩沖擊；同樣，該技術還能使管道系統(tǒng)免受壓力沖擊、氣蝕或振動的影響，避免了設備受到的后續(xù)損害。
另一個節(jié)能的做法是采用歐盟EEF1級或美國EPACT等級的高效節(jié)能電動機。EFF1級的高效節(jié)能電動機在年工作2000h時可在1年內(nèi)收回投資。
若不能對現(xiàn)有設備進行建筑性改造，則只能通過更智能的設備運行來實現(xiàn)節(jié)能。此時的最佳方法是利用自動化控制技術利用所需功能，利用SPS可編程序控制器對設備所需的功能進行自動化控制。2030年時，系統(tǒng)將會采用專門的算法語言實現(xiàn)控制過程的數(shù)學優(yōu)化運算，并將這一算法語言集成到流程控制系統(tǒng)之中。計算結果便能方便地作為指令傳達到下一級自動化層中，實現(xiàn)完全過程自動化控制。本文介紹的管道網(wǎng)絡控制就是實例。
在系統(tǒng)進行優(yōu)化同時，用水經(jīng)濟領域中的企業(yè)也對企業(yè)的生產(chǎn)過程進行了模擬分析。動態(tài)模擬技術能夠使設備在無需真正啟動設備、不損害產(chǎn)品質(zhì)量的條件下對設備隨時間變化而變化的工作情況進行模擬。在大型企業(yè)采用了模擬技術作為工程項目進行輔助設計之后，下一步就是生產(chǎn)運行時的在線模擬，對設備的使用運行狀況進行支持。在真實的生產(chǎn)設備中實際使用的輔助系統(tǒng)，其核心是與生產(chǎn)工程同時進行的設備狀態(tài)模擬計算，其能實時再現(xiàn)設備的運行狀況，從而為未來的設備工藝過程優(yōu)化奠定基礎。
除了現(xiàn)今已經(jīng)熟知的基本模塊之外，在所有的流程工作階段中，功能強大的模塊組件皆可供用戶選擇使用；現(xiàn)在，已經(jīng)實現(xiàn)的第一步便是在污水凈化領域中的應用：將管道網(wǎng)絡、污水凈化設備和清水輸送系統(tǒng)都納入到一個模塊中進行建模，以便對它們的共同作用進行模擬。
組合模塊將不同技術融合
由于流程自動化的高低程度越來越多地受到供水設備功率性能的影響，因此在模擬軟件中我們也可以看到它們的身影。組合式的控制模塊，就是將連續(xù)的生產(chǎn)流程與階段式的工作方式進行結合的自動化功能控制模塊，其被集成在一個整體系統(tǒng)之中；這使得流程控制技術與自動化技術能夠在可視化的設計階段便能及時再現(xiàn)設備的實際工況，避免了設備性能儲備的不足。
為迎合市場需要，自動化技術也越來越多采用了標準化。過去一直關注所謂的“硬件”統(tǒng)一的標準化問題，而現(xiàn)在的發(fā)展趨勢則是：未來的系統(tǒng)、應用軟件，以及接口的標準化問題。為了避免標準化與專業(yè)特殊系統(tǒng)之間的沖突，自動化技術供應商企業(yè)提供無償、適合于所有供水企業(yè)所需的自動化模塊。將來，以太網(wǎng)通信技術協(xié)議能成為大多數(shù)設備元器件的標準通信技術協(xié)議?；谌藗儗藴驶睦斫猓脩魧嫿ㄔ诖怪奔八椒较蚨紩惩o阻的控制平臺，對不同生產(chǎn)廠家研發(fā)生產(chǎn)的元器件進行配置。
高性能企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)
為了提高效率、避免故障及設備停車，設備需要流程控制系統(tǒng)提供越來越多的信息。安裝在生產(chǎn)設備中的PAM企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)，其原先主要是采集現(xiàn)場總線儀器設備在工作狀態(tài)時數(shù)據(jù)自動化元器件維護保養(yǎng)所需的數(shù)據(jù)。當不同流程工藝技術的元器件，例如管道系統(tǒng)、機械設備和儀器等都采用了PAM管理方案，對系統(tǒng)進行了性能分析，并受到積極地影響與作用之后，供水企業(yè)的經(jīng)濟性會有很大的提高。
在今后的一段時間內(nèi)，PAM企業(yè)資產(chǎn)管理軟件的市場需求必會大幅增長。到目前為止，未來的供水企業(yè)是否需要具有這種功能的系統(tǒng)還是未知數(shù)，但企業(yè)看準了其系統(tǒng)可按比例縮放制造設備的特殊功能，并已將其投放市場。減少了部分功能的“簡編版”軟件可作為標準軟件用于系統(tǒng)的監(jiān)控顯示，以此避免因維護保養(yǎng)狀況報警而引起的故障。
在過去15~20年中，實驗室分析技術不斷改進，并以其能輕易清除有害藥物成分的效果而著名；例如它能對醫(yī)藥產(chǎn)品、有害及有毒材料中的有害成分進行分析。長期以來，人們對醫(yī)藥產(chǎn)品，以及它們的降解產(chǎn)品與殘留物是否會對周圍環(huán)境、包括人類的安全構成威脅這一話題展開過激烈的討論。醫(yī)藥產(chǎn)品能夠通過種種渠道進入到地下水中：在德國每年要消耗30000t藥物，其中人體最多能將95%的藥物有效成分不加變化或作為降解物而排出體外。傳統(tǒng)的污水凈化設備都無法處理醫(yī)藥的有效成分，因此這些藥物的有效成分會以較小比例及濃度進入到地下水中。
當人們真正清除這些殘留在水體中的藥物有效成分時，則要求有更多醫(yī)藥產(chǎn)品類別的在線檢測技術方法。全新檢測分析技術更可靠，價格也更合理，因此如今從醫(yī)藥技術的角度來看，清理工作已可以采用著名的生物傳感器了。這種生物傳感器是一種固定的生物性“檢測接受器”（例如抗體、酶及微生物）。該種生物傳感器的一個重要作用就是能及時識別混入到飲用水中的有毒有害成分。
自動化技術的新面孔
到2030年，供水企業(yè)的面貌將會發(fā)生根本性變化：自動化技術的重要意義將會在供水企業(yè)的生產(chǎn)過程中表現(xiàn)得更加突出。而哪些創(chuàng)新性技術能夠在供水企業(yè)中得到應用，主要還是取決于政策法規(guī)的規(guī)定。自動化技術供應商的一個重要任務就是始終關注政策法規(guī)的變化，及時調(diào)整自動化經(jīng)營的方向。德國電子電氣工業(yè)協(xié)會和未來學和技術評判研究所也將此視為自己的工作任務之一，并開展了名為“至2020年的自動化的趨勢、需求和未來市場”專項研究。2009年他們有望寫出第一份調(diào)查報告。
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