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(guò)秦皇島海港區(qū)污水處理廠工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了自控系統(tǒng)的構(gòu)成，主要工藝部分自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法和運(yùn)行過(guò)程中的改進(jìn)。
　　關(guān)鍵詞：自控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線

1. 項(xiàng)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(jì)規(guī)模12萬(wàn)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(jìn)行二級(jí)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(yùn)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(jìn)水泵房4臺(tái)污水泵、兩組細(xì)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(lái)，經(jīng)除污機(jī)、輸送機(jī)的運(yùn)行，將其雜物運(yùn)送并處理，以保證后續(xù)水泵管線、設(shè)備的正常運(yùn)行。粗格柵處設(shè)置超聲波液位差計(jì)2套，提升泵房設(shè)置超聲波液位計(jì)1套，細(xì)格柵處設(shè)置超聲波液位差計(jì)2套，進(jìn)水水質(zhì)儀表PH計(jì)、濁度計(jì)、在線COD各1套，并在旋流沉砂池出水管道設(shè)置流量計(jì)井，安裝電磁流量計(jì)1臺(tái)，測(cè)量總進(jìn)水流量。
　　秦皇島海港區(qū)污水處理廠的二級(jí)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(tái)水下推進(jìn)器，后半段為好氧池，池底排列曝氣頭，由鼓風(fēng)機(jī)房的4臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)（兩用兩備）鼓風(fēng)曝氣。每個(gè)池中設(shè)有溶氧儀2臺(tái)，ORP和MLSS各一臺(tái)。
　　沉淀池通過(guò)工藝管道與生物池進(jìn)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(jìn)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(guò)刮吸泥機(jī)定時(shí)地將沉積的污泥送入排泥管道，進(jìn)入回流和剩余污泥泵房，以便進(jìn)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(jì)1臺(tái)。
　　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(guò)來(lái)的部分污泥通過(guò)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(jī)進(jìn)行脫水處理。

2．自控系統(tǒng)的構(gòu)成

　　本工程自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是采用以標(biāo)準(zhǔn)的、開放的現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的、以全廠集成自動(dòng)化為概念的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)總線適配/耦合器組成。各PLC站以控制分區(qū)為對(duì)象，具有獨(dú)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。工廠的管理操作站采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)與中央控制系統(tǒng)連接，組成工廠計(jì)算機(jī)綜合管理控制系統(tǒng)。
2．1 自動(dòng)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(jì)選型先進(jìn)、安全可靠、價(jià)格合理，選用的儀器儀表、PLC控制器、計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備等保證能長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。本工程自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是采用S7-400，以標(biāo)準(zhǔn)的、開放的現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的、以全廠集成自動(dòng)化和管控一體化為概念的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)層采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SIEMENS Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線；
　　控制層采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)；
　　集中管控層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)
　　現(xiàn)場(chǎng)層的過(guò)程檢測(cè)儀表采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線儀表，信號(hào)為總線信號(hào)；閥門控制器采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線型電動(dòng)閥門控制器，信號(hào)為總線信號(hào)。

控制系統(tǒng)配置圖

　　全廠共設(shè)3個(gè)分站和一個(gè)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(jī)械處理現(xiàn)場(chǎng)控制站，設(shè)置在變配電室內(nèi)；
　　PLC2為生物處理現(xiàn)場(chǎng)控制站，設(shè)置在鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)；
　　PLC3為污泥處理現(xiàn)場(chǎng)控制站，設(shè)置在污泥脫水機(jī)房?jī)?nèi)；
2．1. 1 中央控制系統(tǒng)
　　在中控室設(shè)置兩臺(tái)操站計(jì)算機(jī)，即使當(dāng)其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)能夠完全獨(dú)立地運(yùn)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(tái)計(jì)算機(jī)能隨時(shí)獨(dú)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(kuò)展非常容易，而且不需額外的費(fèi)用。該廠內(nèi)的化驗(yàn)、生產(chǎn)等部門都可以通過(guò)局域網(wǎng)輕松地瀏覽工藝流程界面，實(shí)現(xiàn)了全廠的數(shù)據(jù)共享。
2．1．2 現(xiàn)場(chǎng)控制站
　　現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)算速度和為一些復(fù)雜算法預(yù)留了空間，又降低了整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)。分布式的結(jié)構(gòu)，還節(jié)省了電纜，降低了施工的費(fèi)用。
2．1．3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
　　工業(yè)以太網(wǎng)
　　一個(gè)為了工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)、符合 IEEE 802.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域性單元式網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）。
　　· 通過(guò)采用冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(dòng)切換到另一側(cè)進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)總線通訊。
　　· 采用符合IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議
　　· PROFIBUS-DP使用了OSI模型的第一層和第二層，精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送
　　· PROFIBUS-PA使用擴(kuò)展的DP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以通過(guò)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電并確保本質(zhì)安全
　　· 網(wǎng)絡(luò)連接簡(jiǎn)單、方便、靈活，且易于安裝調(diào)試及維護(hù)
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(chǎng)控制、中央控制的三層控制模式；其它設(shè)備采用現(xiàn)場(chǎng)控制、中央控制的兩層控制模式。
　　· 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式：設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“就地”方式時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。
　　· 遙控模式：即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式。現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程” 開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式時(shí)，操作人員通過(guò)操作面板或中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面用鼠標(biāo)器或鍵盤選擇“遙控”方式并對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。
　　· 自動(dòng)模式：現(xiàn)場(chǎng)控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式，且現(xiàn)場(chǎng)控制站的“自動(dòng)/遙控”設(shè)定為“自動(dòng)”方式時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行完全由各PLC根據(jù)污水處理廠的工況及生產(chǎn)要求來(lái)完成對(duì)設(shè)備的運(yùn)行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。
2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)
　　(1)粗、細(xì)格柵系統(tǒng)的控制
　　格柵的運(yùn)行由格柵前后水位差△H值來(lái)自動(dòng)控制，但運(yùn)行間隔超過(guò)一定時(shí)間后，轉(zhuǎn)為時(shí)間控制。系統(tǒng)的啟動(dòng)順序?yàn)椋合葐?dòng)螺旋輸送機(jī)，然后啟動(dòng)格柵。停止時(shí)先停格柵，待柵渣全部排進(jìn)渣斗后再停止螺旋輸送機(jī)。水位差設(shè)定值，格柵的運(yùn)行時(shí)間及格柵運(yùn)行周期可以在上位軟件中調(diào)整。
　　(2) 進(jìn)水污水泵的自動(dòng)控制及運(yùn)行優(yōu)化的調(diào)節(jié)
　　根據(jù)集水池的水位值自動(dòng)控制污水泵的啟動(dòng)和污水泵啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)，同時(shí)自動(dòng)累積水泵運(yùn)行時(shí)間，水泵的啟動(dòng)順序按自動(dòng)累計(jì)的水泵運(yùn)行時(shí)間從小到大排列，停止時(shí)順序與之相反。可以實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)輪值，保證水泵總是處在最佳運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)水位開關(guān)動(dòng)作時(shí)，所有的污水泵停止運(yùn)行。優(yōu)化：⑴盡量保持高水位運(yùn)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(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋流沉砂池?cái)嚢枞~輪連續(xù)運(yùn)行，由控制系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)排砂過(guò)程，同時(shí)控制砂水分離器等設(shè)備的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。排砂管道上設(shè)置固體濃度傳感器，檢測(cè)值作為控制排砂過(guò)程和排砂量的依據(jù)。排砂過(guò)程中，如果固體濃度傳感器顯示沉砂已基本排盡，則自動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)
　　根據(jù)曝氣池溶解氧DO值自動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣量，并保證DO值的設(shè)定指標(biāo)。
　　曝氣池的曝氣控制由工藝設(shè)計(jì)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(chǎng)測(cè)量值，利用查表法，由程序控制得到鼓風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)曝氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。把進(jìn)水的水質(zhì)參數(shù)和一些其他的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，放入經(jīng)驗(yàn)表中，修正空氣流量設(shè)定值，逐步達(dá)到最佳值。
　　（5）污泥回流量自動(dòng)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(jìn)水量、回流污泥濃度控制回流污泥泵的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，保證生物池微生物的需要量。通過(guò)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以設(shè)定回流污泥比例。
　　(6) 脫水機(jī)房的控制
　　污泥脫水系統(tǒng)控制采用時(shí)間控制和手動(dòng)控制。該系統(tǒng)中設(shè)備的啟動(dòng)順序依次為傾斜式螺旋輸送機(jī)、水平螺旋輸送機(jī)、濃縮、脫水機(jī)、加藥泵、進(jìn)泥泵、污泥切割機(jī)，停止順序與之相反。當(dāng)藥液制備段的溶液罐的液位低，進(jìn)泥泵的進(jìn)泥流量低、系統(tǒng)中任何一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)控管理系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的操作屏，可以設(shè)定每天允許的運(yùn)行次數(shù)及每次運(yùn)行的時(shí)間。

3．運(yùn)行過(guò)程中的改進(jìn)

　　經(jīng)過(guò)半年多的運(yùn)行，控制系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況進(jìn)行了一些改進(jìn)。
　　· 化驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，由化驗(yàn)人員在化驗(yàn)室計(jì)算機(jī)及時(shí)錄入，通過(guò)WEBACCESS監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)與工程運(yùn)行數(shù)據(jù)全廠共享。
　　· 細(xì)格柵的柵前液位報(bào)警。細(xì)格柵完全靠液位差控制格柵的運(yùn)行，有時(shí)會(huì)發(fā)生整個(gè)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(gè)報(bào)警值，到達(dá)時(shí)啟動(dòng)格柵并與提升泵的控制連鎖。
　　· 進(jìn)水泵的控制。在進(jìn)水泵連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)小時(shí)后，會(huì)發(fā)生現(xiàn)流量曲線會(huì)下降的情況，即水泵的輸出能力下降。發(fā)現(xiàn)通過(guò)重新啟動(dòng)水泵可以恢復(fù)原來(lái)的流量曲線，這樣在控制程序中加入了定時(shí)輪換。其中原因還有待于進(jìn)一步分析。
　　· 關(guān)于電費(fèi)的考慮。電費(fèi)隨使用的時(shí)段峰值和谷值波動(dòng)很大，耗電的設(shè)備盡量多在谷時(shí)用，比如鼓風(fēng)機(jī)，在谷時(shí)多鼓些空氣使生物池中多儲(chǔ)存一些溶解氧，峰時(shí)可以少給一些，達(dá)到生產(chǎn)的要求。
　　隨著更多的工程建設(shè)和運(yùn)行的積累，我們希望能摸索出更多的經(jīng)驗(yàn)，使污水處理的自控水平上一個(gè)新臺(tái)階。