污水處理廠自控系統(tǒng)是整個污水處理工程重要組成部分，其設(shè)計好壞與控制設(shè)備選擇是否適當(dāng)，關(guān)系著自控系統(tǒng)性價比高低對以后整個污水處理廠運行維護(hù)難易有著重要影響。筆者以某市污水處理廠這個實際工程為例，對污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)闡述。

一、污水處理廠概況

該污水處理廠位于市中區(qū)，為日處理能力為5萬噸/天污水處理廠，出水排入黃海，水質(zhì)達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

本工程采用水解-AICS處理工藝。其具體流程為：污水首先分別粗格柵去除粗大雜物，接著污水進(jìn)入泵房及集水井，經(jīng)泵提升后流經(jīng)細(xì)格柵和沉砂池，然后進(jìn)入水解池，。水解池出水自流入AICS進(jìn)行好氧處理，出水達(dá)標(biāo)提升排入黃海。AICS反應(yīng)器為改進(jìn)SBR一種。其工藝流程

污水處理廠處理工藝流程

二、污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計原則

從污水處理廠工藝流程可以看出，該廠主要工藝AICS反應(yīng)器是改進(jìn)SBR一種，需要周期運行，AICS反應(yīng)器進(jìn)水方向調(diào)整、厭氧好氧狀態(tài)交替、沉淀反應(yīng)狀態(tài)輪換都有電動設(shè)備支持，大量電動設(shè)備開關(guān)都需要自控系統(tǒng)來完成，自控系統(tǒng)對整個周期正確運行操作至關(guān)重要。好氧系統(tǒng)作為整個污水處理工藝能量消耗大戶，它自控系統(tǒng)優(yōu)化程度越高，整個污水處理工藝運行費用也會越低，這也說明了自控系統(tǒng)整個處理工藝中重要性。

保證污水廠生產(chǎn)穩(wěn)定和高效，減輕勞動強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，同時提高污水廠現(xiàn)代化生產(chǎn)管理水平，充分考慮本污水處理工藝特性基礎(chǔ)上，將建設(shè)現(xiàn)代化污水處理廠理念融入到自控系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，本自控系統(tǒng)設(shè)計遵循以下原則：先進(jìn)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實惠、開放靈活。

三、自控系統(tǒng)構(gòu)建

污水處理廠自控系統(tǒng)是由現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集控制和人機(jī)界面(監(jiān)控)設(shè)備三部分組成。自控系統(tǒng)構(gòu)建主指三部分系統(tǒng)形式和設(shè)備選擇。本執(zhí)行機(jī)構(gòu)主工藝要求由工藝專業(yè)確定，預(yù)留自控系統(tǒng)接口，儀表選擇將后面部分進(jìn)行描述。信號采集控制部分主要包括基本控制系統(tǒng)選擇以及系統(tǒng)確定后控制設(shè)備和必須通訊網(wǎng)絡(luò)選擇。人機(jī)界面主指中控室和現(xiàn)場值班室監(jiān)視設(shè)備選擇。

1、 基本系統(tǒng)選擇

目前用于污水處理廠自控系統(tǒng)基本形式主要有三種DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場總線系統(tǒng)和基于PC控制系統(tǒng)。從規(guī)模來看三種系統(tǒng)所適用規(guī)模是不同。DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)一般適用于控制點比較多廠區(qū)規(guī)模比較大系統(tǒng)，基于PC控制則用于小型控制點比較集中控制系統(tǒng)。

基于PC控制系統(tǒng)屬于高度集成控制系統(tǒng)，其人機(jī)界面和信號采集控制可能都處于同一個機(jī)器內(nèi)，受機(jī)器性能和容量限制，本工程廠區(qū)比較大，控制點較多，采用基于PC控制系統(tǒng)是不太合適。

DCS系統(tǒng)適用于模擬量多，閉環(huán)控制多系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要優(yōu)勢是適用用于控制點相當(dāng)較少特別分散系統(tǒng)。從施工和維護(hù)角度來看，傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)布線工作量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)場總線系統(tǒng)。此外，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)相比，還有最為重要一點是開發(fā)性好，擴(kuò)展方便。

本工程控制點700點左右，模擬量只占20%左右，屬于規(guī)模比較小類型，這些控制點是以工藝處理單元為界線分散廠區(qū)各處，本工程采用現(xiàn)場總線作為基本控制系統(tǒng)。

2、通訊網(wǎng)絡(luò)選擇

現(xiàn)場總線系統(tǒng)最主要特點就是依賴網(wǎng)絡(luò)通訊，分散控制和信號采集，最大程度減少布線，節(jié)省安裝和維護(hù)費用。現(xiàn)場總線主指從現(xiàn)場控制器或IO模塊到監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)。目前現(xiàn)場總線，通訊協(xié)議不同可以分為很多種，比如，ProfiBus、CAN、ControlNet、DeviceNet FF Lon總線等。目前現(xiàn)場總線技術(shù)還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各自功能特點基本一致，本工程設(shè)計時選用中小型控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛ProfiBus總線。其性價比較高，且國內(nèi)推廣時間長，穩(wěn)定性較高。

ProfiBus總線有三種形式DP、PA和FMS。PA總線是與智能儀表結(jié)合一起安全性非常高一種ProfiBus總線形式，造價比較高，常用于石油化工冶金等行業(yè);FMS總線適用于大范圍和復(fù)雜通訊系統(tǒng)，旨解決通用性通訊任務(wù)，傳速速度中等;DP總線是用于傳感器和執(zhí)行器級高速數(shù)據(jù)傳速網(wǎng)絡(luò)，不需要智能儀表配合，安全性略低于PA總線。本工程是污水處理工程，對通訊安全性要求并不太高，通信任務(wù)比較簡單，對系統(tǒng)傳輸速度有一定要求。本工程采用ProfiBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，即用西門子S7系列PLC搭建整個系統(tǒng)。總線采用普通雙絞作為傳輸介質(zhì)，通訊速率可以達(dá)到12MBP。

3、現(xiàn)場站設(shè)備配置選擇

ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)來說提供了一個從現(xiàn)場到監(jiān)控層信息通道，但信號采集和執(zhí)行命令下達(dá)仍然需要由控制器和現(xiàn)場IO模塊組成站來完成。ProfiBus-DP網(wǎng)絡(luò)是一種主從站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)上最多可以有128個從站，但一個作為主站，所有通訊事務(wù)都由主站來管理。主站必須要有控制器(CPU)，同時也可以安裝IO采集模塊。從站有兩種方式：CPU+IO模塊和通訊模塊+IO模塊。第一種方式每個從站都由CPU，每個站控制事務(wù)都由本站完成，與主站之間通訊量比較少。第二種方式是所有從站都沒有CPU，所有控制事務(wù)都由主站CPU來完成，總線網(wǎng)絡(luò)把命令結(jié)果傳輸?shù)綇恼就瓿桑瑥恼具h(yuǎn)程IO。

前述這兩種從站組成方式各有自己特點。第一種方式，控制比較分散，通訊事務(wù)較小，對網(wǎng)絡(luò)依賴不強(qiáng)，但每個站都有CPU，造價高。第二種方式，控制集中，控制事務(wù)對網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)，需要可靠網(wǎng)絡(luò)來支撐，同時對主站CPU性能要求高，軟件編程和調(diào)試方面具有很大優(yōu)勢。這兩種方式對工程現(xiàn)場安裝布線施工影響比較少。

本工程控制點規(guī)模施工調(diào)試工期比較短，選用了性價比比較高第二種方式作為從站組成方式即由西門子IM153通訊模塊和S7 300系列IO模塊組成，主戰(zhàn)CPU選用S7 315-2DP系列。

4、人機(jī)界面設(shè)備選擇

人機(jī)界面設(shè)備是直接與操作管理人員進(jìn)行交流監(jiān)控視備，一般由兩部分組成，即現(xiàn)場監(jiān)視設(shè)備和中控室監(jiān)視設(shè)備。現(xiàn)場監(jiān)視設(shè)備可以是PC機(jī)或是觸摸屏，中控室監(jiān)視設(shè)備一般由工控機(jī)、模擬屏或投影儀等組成。監(jiān)視設(shè)備應(yīng)兼顧投資情況下，保證操作管理人員可以對整個污水處理廠全面直觀監(jiān)視與控制。

現(xiàn)場監(jiān)視設(shè)備一般比較重要單元或控制事務(wù)比較大從站中設(shè)置，操作人員及時對現(xiàn)場情況進(jìn)行處理。本工程從站規(guī)模比較少，廠區(qū)大小從操作距離來看并不大，同時現(xiàn)場操作間內(nèi)均設(shè)有有線電話，可不設(shè)不設(shè)現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)情況下保證現(xiàn)場與中控室聯(lián)絡(luò)暢通。

中控室監(jiān)視設(shè)備是全廠指揮和信息處理中心，其作用不言而喻。中控室監(jiān)視設(shè)備比較傳統(tǒng)做法是模擬屏加工控機(jī)方式，這種方式造價比較高且復(fù)雜。多屏卡功能不斷完善，現(xiàn)場又出現(xiàn)了工控機(jī)多屏顯示加投影儀模式。多屏卡安裝使一臺工控機(jī)可以同時拖動多臺顯示器，并顯示不同畫面，不同工段可以同時顯示，保證了操作人員監(jiān)視全面性。投影儀可以把所需要任何畫面進(jìn)行放大顯示，也可以供人參觀。第二種方式造價要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)做法。本工程選用APPinx一拖四多屏卡和東芝投影儀一臺。

5、其它

成套設(shè)備耦合

本工程中鼓風(fēng)機(jī)為高速離心風(fēng)機(jī)，脫水機(jī)為2000mm帶寬脫水機(jī)，均為大型設(shè)備。這些大型設(shè)備是由許多輔助電動部分與主機(jī)共同工作完成鼓風(fēng)機(jī)和脫水機(jī)正常工作。本工程設(shè)計要求大型設(shè)備都單獨配有自己小型控制器，由供應(yīng)商自己經(jīng)驗編制相關(guān)程序并預(yù)留ProfiBus-DP接口，最終成為整個自控系統(tǒng)一個從站。這樣就其它大型設(shè)備自控系統(tǒng)與整個自控系統(tǒng)無縫連接，減少了不同供應(yīng)商之間任務(wù)交叉重疊。

監(jiān)控軟件選擇

監(jiān)控軟件是人機(jī)交流橋梁和翻譯，是保證整個自動控制系統(tǒng)易操作、易維護(hù)最重要部分。應(yīng)選用成熟、先進(jìn)并應(yīng)用廣泛知名監(jiān)控軟件，本項目選用力控PCAUTO組態(tài)軟件。

自控控制系統(tǒng)與管理層銜接

自控系統(tǒng)操作與污水處理廠管理層銜接主把自動控制系統(tǒng)收集到全廠信息可以順利傳輸?shù)焦芾韺佑嬎銠C(jī)，管理人員可以線查看污水處理廠運行狀況并調(diào)用相關(guān)運行數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件供應(yīng)商對INTERNET技術(shù)不斷應(yīng)用開發(fā)，監(jiān)控軟件都可以局域網(wǎng)或INTERNET廣域網(wǎng)進(jìn)行信息發(fā)布，管理層或授權(quán)用戶任何可以上INTERNET網(wǎng)方便可瀏覽運行狀況。而所使用MS IE瀏覽器安全性問題已經(jīng)到解決。

冗余問題

本工程為污水處理廠工程，其安全性和可靠性要求并不嚴(yán)格，本設(shè)計沒有對通訊網(wǎng)絡(luò)和控制器進(jìn)行冗余配置，只對上位工控機(jī)采用了雙機(jī)熱備配置。筆者認(rèn)為資金允許情況下，應(yīng)對主控制器進(jìn)行冗余配置。

四、自控系統(tǒng)站點劃分

污水處理工藝工作原理以空間分別特點，布線最小、功能完整情況下對全廠站點進(jìn)行了劃分，子站為泵房站、水解池站、1號改進(jìn)SBR站、2號改進(jìn)SBR站、脫水機(jī)房站和鼓風(fēng)機(jī)房站。泵房子站負(fù)責(zé)提升泵房、粗格柵、細(xì)格柵和沉砂池數(shù)據(jù)處理，脫水機(jī)房站除負(fù)責(zé)脫水機(jī)房外，集泥池、濃縮池也歸該站內(nèi)，其余子站負(fù)責(zé)各自工藝單元。主站為變電所站，設(shè)變電所內(nèi)。各站配置控制點數(shù)量統(tǒng)計如下表：

工段名稱 控點類型及數(shù)量

DI DO AI AO

泵房子站 96 16 20 2

水解池子站 64 32 16

1號改進(jìn)SBR子站 160 64 32

2號改進(jìn)SBR子站 160 64 32

脫水機(jī)房子站 24 8 8

鼓風(fēng)機(jī)房子站 設(shè)備配套PLC并提供接口

各站所配置控制點數(shù)量，富余量均大于20%。

污水處理廠自控拓補(bǔ)圖

五、自控系統(tǒng)儀表選擇

儀表系統(tǒng)遵循“工藝必需、計量達(dá)標(biāo)、實用有效、免維護(hù)”原則進(jìn)行設(shè)計，儀表配置如下：

粗格柵渠配置超聲波液位差測量儀表1套;

集水池配置超聲波液位測量儀表1套;

細(xì)格柵進(jìn)水井：pH及溫度測量儀表1套;

細(xì)格柵渠配置超聲波液位差測量儀表1套;

AICS反應(yīng)池配置溶解氧測量儀表及懸浮物濃度測量儀表各4套;

AICS反應(yīng)池進(jìn)氣管路流量測量儀表3套;

鼓風(fēng)機(jī)房配置鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)管壓力測量儀表6套;

集泥池配置超聲波液位測量儀表1套;

脫水機(jī)房配置脫水機(jī)進(jìn)泥管路流量測量儀表2套(隨污泥脫水設(shè)備成套);

絮凝制藥裝置液位開關(guān)2套(隨污泥脫水設(shè)備成套);

變電所配置各出線回路電量測量儀表。

盡管上述儀表中部分儀表已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，精度和穩(wěn)定方面與進(jìn)口產(chǎn)品還有一定差距，上述儀表中除通用流量、溫度和壓力儀表外，其它均采用進(jìn)口產(chǎn)品。

六、自控系統(tǒng)功能設(shè)計

自動控制系統(tǒng)保證污水處理工藝正常運轉(zhuǎn)外，還有可以提高處理工藝整體優(yōu)化水平等，本工程功能設(shè)計主要歸納如下;

1、單體設(shè)備控制

對單體設(shè)備來說其控制分為三個層次，其優(yōu)先順序為現(xiàn)場手動控制、上位手動控制和PLC自動控制，這樣現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時可以最快速度切斷故障設(shè)備運行，最大程度降低設(shè)備損壞程度。整個系統(tǒng)中，單體設(shè)備損壞時保證系統(tǒng)其它無關(guān)聯(lián)設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

2、節(jié)能控制

本工程節(jié)能設(shè)計主要包括提升水泵變頻控制和好氧部分溶解氧自動調(diào)節(jié)控制兩部分。

變頻器與液位計形成閉環(huán)控制，保持集水井內(nèi)液面穩(wěn)定，這樣可以減少因提升泵啟動對處理系統(tǒng)造成沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，同時水量變化調(diào)節(jié)水泵頻率，降低了運行能耗。

為保持AICS反應(yīng)器曝氣部分溶解氧濃度穩(wěn)定2mg/l左右，控制鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度來實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目。

此外，液位差控制格柵按需運轉(zhuǎn)也是節(jié)能設(shè)計一部分。

3、信息處理設(shè)計

上位監(jiān)控軟件系統(tǒng)直接采集線儀表數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)報表和圖形顯示，還可處理工藝原理自動對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推導(dǎo)，提煉出對運行操作更有指導(dǎo)意義數(shù)據(jù)。如：

污泥負(fù)荷、 提升水泵運行效率、污泥齡、絮凝劑投加比例、鼓風(fēng)機(jī)運行效率、泵房提升單方水量電耗、鼓風(fēng)機(jī)每1000m3供風(fēng)電耗、單方污水污泥處理電耗、低壓總電量、附屬設(shè)施耗電量、工藝設(shè)施總耗電量、提升電耗、供風(fēng)電耗以及工藝其它各個工藝構(gòu)筑物電耗等等。

七、自控特點：

1、低投資：投資少

本工程除一些精度要求高線監(jiān)測儀表(污泥濃度計、溶解氧儀和液位計)為進(jìn)口儀表外，其余部分線儀表實現(xiàn)國產(chǎn)化，節(jié)省了一部分投資費用。

另外，從工藝控制角度看，省區(qū)了一些不影響工藝運行要求線儀表，如ORP計、氣體流量計等。不設(shè)現(xiàn)場監(jiān)視設(shè)備也是降低投資重要原因之一。

自控系統(tǒng)總線技術(shù)選取上、現(xiàn)場I/O控制設(shè)備和上位監(jiān)控設(shè)備選取上，均采用了性價比較高產(chǎn)品。如PLC采用西門子S7-300系列等。

本自控系統(tǒng)從以上幾點節(jié)約了大量費用。

2、低費用：運行費用低

占全廠能耗90%原水提升和鼓風(fēng)曝氣這兩個環(huán)節(jié)上，依托自動控制系統(tǒng)，進(jìn)水段實現(xiàn)恒液位、變流量控制，由大功率變頻裝置拖動大流量潛污泵，完全涵蓋了500—3000m3/h流量范圍，克服了多臺泵切換啟停，流量突變對后續(xù)工藝水力沖擊，也達(dá)到節(jié)能目，立式潛污泵提水電耗為4.75kwh/km3。

占全廠能耗75%以上鼓風(fēng)機(jī)選用單級高速離心風(fēng)機(jī)，控制進(jìn)口導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)風(fēng)量，降低能耗，具體作法是夜間小水量和過渡工序時自動減小供氣量。

3、管理操作簡便

本自控工程上位軟件二次開發(fā)過程從人性化角度出發(fā)，提高自控系統(tǒng)可操作性，使管理者任意時間和點可對工藝系統(tǒng)進(jìn)行全方面監(jiān)控，及時了解到處理系統(tǒng)運行優(yōu)劣狀態(tài)。

八、投資

本工程自控系統(tǒng)預(yù)算費用約占污水處理廠總投資5%左右。它污水處理廠相比，本工程自控系統(tǒng)投資是中等偏下，性價比較高。

九、結(jié)語

該污水處理廠自控系統(tǒng)是工藝要求確定設(shè)計原則下進(jìn)行設(shè)計，既保證污水處理系統(tǒng)正常運行，又盡可能降低了工程造價投資，其設(shè)計過程和結(jié)果對其它污水處理工程自控設(shè)計具有一定借鑒意義。