自控系統(tǒng)在秦皇島污水處理廠的應(yīng)用

胡寶棋
中自控（北京）環(huán)境工程有限公司

　　摘要：本文通過秦皇島海港區(qū)污水處理廠工程實例，詳細介紹了自控系統(tǒng)的構(gòu)成，主要工藝部分自動控制的實現(xiàn)方法和運行過程中的改進。
　　關(guān)鍵詞：自控系統(tǒng)，現(xiàn)場總線

1. 項目情況

　　秦皇島海港區(qū)污水處理廠，工程投資1.2億元人民幣, 設(shè)計規(guī)模12萬噸/日，位于秦皇島市的東部, 廠區(qū)占地6.28公傾, 采用A/O工藝進行二級污水處理，服務(wù)面積36平方公里。采用BOT方式建設(shè)，2004年底正式投入運行。
　　秦皇島市海港區(qū)污水處理廠采用了不設(shè)初沉池的A/O工藝，即厭氧、好氧工藝。流程如下：

　　秦皇島海港區(qū)污水處理廠的預(yù)處理工藝單元是由兩組粗格柵、進水泵房4臺污水泵、兩組細格柵和旋流沉砂池構(gòu)成。污水流經(jīng)粗格柵后將大于40mm的柵渣物質(zhì)截流下來，經(jīng)除污機、輸送機的運行，將其雜物運送并處理，以保證后續(xù)水泵管線、設(shè)備的正常運行。粗格柵處設(shè)置超聲波液位差計2套，提升泵房設(shè)置超聲波液位計1套，細格柵處設(shè)置超聲波液位差計2套，進水水質(zhì)儀表PH計、濁度計、在線COD各1套，并在旋流沉砂池出水管道設(shè)置流量計井，安裝電磁流量計1臺，測量總進水流量。
　　秦皇島海港區(qū)污水處理廠的二級處理采用A/O工藝，即好氧，厭氧工藝。設(shè)置兩座生物反應(yīng)池，每座生物池的前段為厭氧池，安裝有2臺水下推進器，后半段為好氧池，池底排列曝氣頭，由鼓風機房的4臺鼓風機（兩用兩備）鼓風曝氣。每個池中設(shè)有溶氧儀2臺，ORP和MLSS各一臺。
　　沉淀池通過工藝管道與生物池進行連接，經(jīng)曝氣處理后的活性污泥在二次沉淀池中不斷地進行著自由沉淀、絮凝沉淀、成層沉淀等多種形式的沉淀，使得污泥不斷產(chǎn)生并沉于池底，有效地使污染物與污水分離，從而完成污水的初步凈化，在通過刮吸泥機定時地將沉積的污泥送入排泥管道，進入回流和剩余污泥泵房，以便進行后續(xù)的污泥處理工藝。設(shè)置輻流沉淀池4座，每座上安裝超聲波污泥界面計1臺。
　　生物反應(yīng)池的后端是回流和剩余污泥泵房，把沉淀池送過來的部分污泥通過回流泵打回生物池，另一部分由剩余污泥泵打到貯泥池，由污泥濃縮脫水機進行脫水處理。

2．自控系統(tǒng)的構(gòu)成

　　本工程自動化系統(tǒng)的設(shè)計方案是采用以標準的、開放的現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的、以全廠集成自動化為概念的生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)。
　　全廠設(shè)一座中央控制室，三座PLC分控站。中央控制室內(nèi)設(shè)通訊控制器，監(jiān)控管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和動態(tài)模擬屏。各PLC分控站由PLC控制器，分布式I/O站，和現(xiàn)場總線適配/耦合器組成。各PLC站以控制分區(qū)為對象，具有獨立的的區(qū)域控制能力，能接受中央控制的調(diào)控，但不依賴中央控制的存在。各分控站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。工廠的管理操作站采用標準的以太網(wǎng)與中央控制系統(tǒng)連接，組成工廠計算機綜合管理控制系統(tǒng)。
2．1 自動化系統(tǒng)概況
　　控制系統(tǒng)遵循“集中管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”的原則，設(shè)計選型先進、安全可靠、價格合理，選用的儀器儀表、PLC控制器、計算機、通訊設(shè)備等保證能長期、穩(wěn)定、高效地運行。本工程自動化系統(tǒng)的設(shè)計方案是采用S7-400，以標準的、開放的現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的、以全廠集成自動化和管控一體化為概念的生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)。
　　在本方案中的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次可分為3層，即
　　現(xiàn)場層；分布式控制層；集中管控層。
　　通訊網(wǎng)絡(luò)采用2種結(jié)構(gòu)：
　　現(xiàn)場層采用國際標準的SIEMENS Profibus現(xiàn)場總線；
　　控制層采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)；
　　集中管控層采用標準以太網(wǎng)
　　現(xiàn)場層的過程檢測儀表采用Profibus現(xiàn)場總線儀表，信號為總線信號；閥門控制器采用Profibus現(xiàn)場總線型電動閥門控制器，信號為總線信號。

控制系統(tǒng)配置圖

　　全廠共設(shè)3個分站和一個中央控制室，分別控制各自區(qū)域內(nèi)的工藝設(shè)備，其位置：
　　PLC1為機械處理現(xiàn)場控制站，設(shè)置在變配電室內(nèi)；
　　PLC2為生物處理現(xiàn)場控制站，設(shè)置在鼓風機房內(nèi)；
　　PLC3為污泥處理現(xiàn)場控制站，設(shè)置在污泥脫水機房內(nèi)；
2．1. 1 中央控制系統(tǒng)
　　在中控室設(shè)置兩臺操站計算機，即使當其中一臺出現(xiàn)故障，另一臺能夠完全獨立地運行。據(jù)此可保證控制和數(shù)據(jù)采集的高可靠性。另外必需保證系統(tǒng)中的每臺計算機能隨時獨立完成圖象管理控制、數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)再生、數(shù)據(jù)處理等的不同任務(wù)。
　　采用基于B/S的監(jiān)控軟件WEBACCESS，客戶端的擴展非常容易，而且不需額外的費用。該廠內(nèi)的化驗、生產(chǎn)等部門都可以通過局域網(wǎng)輕松地瀏覽工藝流程界面，實現(xiàn)了全廠的數(shù)據(jù)共享。
2．1．2 現(xiàn)場控制站
　　現(xiàn)場控制站采用的是SIEMENS的PLC，如“控制系統(tǒng)配置圖”所示，控制器選的是S7-400 CPU，配ET200M分布式I/O。這樣，既保證了運算速度和為一些復(fù)雜算法預(yù)留了空間，又降低了整個系統(tǒng)的造價。分布式的結(jié)構(gòu)，還節(jié)省了電纜，降低了施工的費用。
2．1．3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
　　工業(yè)以太網(wǎng)
　　一個為了工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計、符合 IEEE 802.3 國際標準的區(qū)域性單元式網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）。
　　· 通過采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，確保以太網(wǎng)具有極高的可用性。一側(cè)斷線后，300ms內(nèi)自動切換到另一側(cè)進行數(shù)據(jù)通訊。
　　· 目前各大控制系統(tǒng)廠商在研發(fā)推出自己的基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，如西門子的PROFINET，施耐德的MODTCP/IP。
　　現(xiàn)場總線PROFIBUS
　　PLC與智能化儀表，ET200M I/O站之間采用高效PROFIBUS DP/PA現(xiàn)場總線通訊。
　　· 采用符合IEC61158標準的總線協(xié)議
　　· PROFIBUS-DP使用了OSI模型的第一層和第二層，精簡的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送
　　· PROFIBUS-PA使用擴展的DP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，可以通過總線對現(xiàn)場設(shè)備供電并確保本質(zhì)安全
　　· 網(wǎng)絡(luò)連接簡單、方便、靈活，且易于安裝調(diào)試及維護
2.1.4 控制方式：
　　主要設(shè)備控制方式采用就地控制、現(xiàn)場控制、中央控制的三層控制模式；其它設(shè)備采用現(xiàn)場控制、中央控制的兩層控制模式。
　　· 現(xiàn)場手動模式：設(shè)備的現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關(guān)選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。
　　· 遙控模式：即遠程手動控制方式。現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程” 開關(guān)選擇“遠程”方式時，操作人員通過操作面板或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“遙控”方式并對設(shè)備進行啟/停、開/關(guān)操作。
　　· 自動模式：現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關(guān)選擇“遠程”方式，且現(xiàn)場控制站的“自動/遙控”設(shè)定為“自動”方式時，設(shè)備的運行完全由各PLC根據(jù)污水處理廠的工況及生產(chǎn)要求來完成對設(shè)備的運行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。
2.2 自動控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
　　(1)粗、細格柵系統(tǒng)的控制
　　格柵的運行由格柵前后水位差△H值來自動控制，但運行間隔超過一定時間后，轉(zhuǎn)為時間控制。系統(tǒng)的啟動順序為：先啟動螺旋輸送機，然后啟動格柵。停止時先停格柵，待柵渣全部排進渣斗后再停止螺旋輸送機。水位差設(shè)定值，格柵的運行時間及格柵運行周期可以在上位軟件中調(diào)整。
　　(2) 進水污水泵的自動控制及運行優(yōu)化的調(diào)節(jié)
　　根據(jù)集水池的水位值自動控制污水泵的啟動和污水泵啟動的臺數(shù)，同時自動累積水泵運行時間，水泵的啟動順序按自動累計的水泵運行時間從小到大排列，停止時順序與之相反。可以實現(xiàn)水泵的自動輪值，保證水泵總是處在最佳運行狀態(tài)。當干運轉(zhuǎn)保護水位開關(guān)動作時，所有的污水泵停止運行。優(yōu)化：⑴盡量保持高水位運行，以節(jié)省提升泵電耗；⑵水泵輪值的平滑切換。
　　(3) 旋流沉砂池系統(tǒng)的控制
　　旋流沉砂池自動運行時，旋流沉砂池攪拌葉輪連續(xù)運行，由控制系統(tǒng)定時啟動排砂過程，同時控制砂水分離器等設(shè)備的聯(lián)動運行。排砂管道上設(shè)置固體濃度傳感器，檢測值作為控制排砂過程和排砂量的依據(jù)。排砂過程中，如果固體濃度傳感器顯示沉砂已基本排盡，則自動關(guān)閉排砂泵及順序關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。
　　(4) A/O池曝氣量的自動調(diào)節(jié)
　　根據(jù)曝氣池溶解氧DO值自動調(diào)節(jié)曝氣量，并保證DO值的設(shè)定指標。
　　曝氣池的曝氣控制由工藝設(shè)計及水質(zhì)狀況確定，根據(jù)工藝要求的溶解氧濃度，和溶解氧的現(xiàn)場測量值，利用查表法，由程序控制得到鼓風機的空氣流量設(shè)定值，PLC的PID調(diào)節(jié)跟蹤空氣流量，從而實現(xiàn)曝氣量的自動調(diào)節(jié)。把進水的水質(zhì)參數(shù)和一些其他的運行經(jīng)驗，放入經(jīng)驗表中，修正空氣流量設(shè)定值，逐步達到最佳值。
　　（5）污泥回流量自動調(diào)節(jié)
　　回流污泥量的控制采用比例控制以保證污泥混合液濃度在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)生物池的進水量、回流污泥濃度控制回流污泥泵的運轉(zhuǎn)臺數(shù)、運轉(zhuǎn)時間，保證生物池微生物的需要量。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以設(shè)定回流污泥比例。
　　(6) 脫水機房的控制
　　污泥脫水系統(tǒng)控制采用時間控制和手動控制。該系統(tǒng)中設(shè)備的啟動順序依次為傾斜式螺旋輸送機、水平螺旋輸送機、濃縮、脫水機、加藥泵、進泥泵、污泥切割機，停止順序與之相反。當藥液制備段的溶液罐的液位低，進泥泵的進泥流量低、系統(tǒng)中任何一臺設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)停止運行。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的操作屏，可以設(shè)定每天允許的運行次數(shù)及每次運行的時間。

3．運行過程中的改進

　　經(jīng)過半年多的運行，控制系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上根據(jù)運行的實際情況進行了一些改進。
　　· 化驗室的數(shù)據(jù)，由化驗人員在化驗室計算機及時錄入，通過WEBACCESS監(jiān)控軟件實現(xiàn)與工程運行數(shù)據(jù)全廠共享。
　　· 細格柵的柵前液位報警。細格柵完全靠液位差控制格柵的運行，有時會發(fā)生整個液位的抬升，導(dǎo)致污水溢出。所以把柵前液位設(shè)置了一個報警值，到達時啟動格柵并與提升泵的控制連鎖。
　　· 進水泵的控制。在進水泵連續(xù)運行幾個小時后，會發(fā)生現(xiàn)流量曲線會下降的情況，即水泵的輸出能力下降。發(fā)現(xiàn)通過重新啟動水泵可以恢復(fù)原來的流量曲線，這樣在控制程序中加入了定時輪換。其中原因還有待于進一步分析。
　　· 關(guān)于電費的考慮。電費隨使用的時段峰值和谷值波動很大，耗電的設(shè)備盡量多在谷時用，比如鼓風機，在谷時多鼓些空氣使生物池中多儲存一些溶解氧，峰時可以少給一些，達到生產(chǎn)的要求。
　　隨著更多的工程建設(shè)和運行的積累，我們希望能摸索出更多的經(jīng)驗，使污水處理的自控水平上一個新臺階。