自控系統在秦皇島污水處理廠的應用

胡寶棋
中自控（北京）環境工程有限公司

　　摘要：本文通過秦皇島海港區污水處理廠工程實例，詳細介紹了自控系統的構成，主要工藝部分自動控制的實現方法和運行過程中的改進。
　　關鍵詞：自控系統，現場總線

1. 項目情況

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

　　秦皇島海港區污水處理廠的預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成。污水流經粗格柵后將大于40mm的柵渣物質截流下來，經除污機、輸送機的運行，將其雜物運送并處理，以保證后續水泵管線、設備的正常運行。粗格柵處設置超聲波液位差計2套，提升泵房設置超聲波液位計1套，細格柵處設置超聲波液位差計2套，進水水質儀表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。
　　秦皇島海港區污水處理廠的二級處理采用A/O工藝，即好氧，厭氧工藝。設置兩座生物反應池，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，以便進行后續的污泥處理工藝。設置輻流沉淀池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．自控系統的構成

　　本工程自動化系統的設計方案是采用以標準的、開放的現場總線為基礎的、以全廠集成自動化為概念的生產過程自動化系統。
　　全廠設一座中央控制室，三座PLC分控站。中央控制室內設通訊控制器，監控管理系統、數據服務器和動態模擬屏。各PLC分控站由PLC控制器，分布式I/O站，和現場總線適配/耦合器組成。各PLC站以控制分區為對象，具有獨立的的區域控制能力，能接受中央控制的調控，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以太網進行數據通信。工廠的管理操作站采用標準的以太網與中央控制系統連接，組成工廠計算機綜合管理控制系統。
2．1 自動化系統概況
　　控制系統遵循“集中管理、分散控制、數據共享”的原則，設計選型先進、安全可靠、價格合理，選用的儀器儀表、PLC控制器、計算機、通訊設備等保證能長期、穩定、高效地運行。本工程自動化系統的設計方案是采用S7-400，以標準的、開放的現場總線為基礎的、以全廠集成自動化和管控一體化為概念的生產過程自動化系統。
　　在本方案中的控制系統結構層次可分為3層，即
　　現場層；分布式控制層；集中管控層。
　　通訊網絡采用2種結構：
　　現場層采用國際標準的SIEMENS Profibus現場總線；
　　控制層采用100M的工業以太網；
　　集中管控層采用標準以太網
　　現場層的過程檢測儀表采用Profibus現場總線儀表，信號為總線信號；閥門控制器采用Profibus現場總線型電動閥門控制器，信號為總線信號。

控制系統配置圖

　　全廠共設3個分站和一個中央控制室，分別控制各自區域內的工藝設備，其位置：
　　PLC1為機械處理現場控制站，設置在變配電室內；
　　PLC2為生物處理現場控制站，設置在鼓風機房內；
　　PLC3為污泥處理現場控制站，設置在污泥脫水機房內；
2．1. 1 中央控制系統
　　在中控室設置兩臺操站計算機，即使當其中一臺出現故障，另一臺能夠完全獨立地運行。據此可保證控制和數據采集的高可靠性。另外必需保證系統中的每臺計算機能隨時獨立完成圖象管理控制、數據保存、系統再生、數據處理等的不同任務。
　　采用基于B/S的監控軟件WEBACCESS，客戶端的擴展非常容易，而且不需額外的費用。該廠內的化驗、生產等部門都可以通過局域網輕松地瀏覽工藝流程界面，實現了全廠的數據共享。
2．1．2 現場控制站
　　現場控制站采用的是SIEMENS的PLC，如“控制系統配置圖”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雜算法預留了空間，又降低了整個系統的造價。分布式的結構，還節省了電纜，降低了施工的費用。
2．1．3 網絡系統
　　工業以太網
　　一個為了工業應用而設計、符合 IEEE 802.3 國際標準的區域性單元式網絡（以太網）。
　　· 通過采用冗余的網絡拓撲結構，確保以太網具有極高的可用性。一側斷線后，300ms內自動切換到另一側進行數據通訊。
　　· 目前各大控制系統廠商在研發推出自己的基于工業以太網的網絡，如西門子的PROFINET，施耐德的MODTCP/IP。
　　現場總線PROFIBUS
　　PLC與智能化儀表，ET200M I/O站之間采用高效PROFIBUS DP/PA現場總線通訊。
　　· 采用符合IEC61158標準的總線協議
　　· PROFIBUS-DP使用了OSI模型的第一層和第二層，精簡的結構保證了數據的高速傳送
　　· PROFIBUS-PA使用擴展的DP協議進行數據傳輸，可以通過總線對現場設備供電并確保本質安全
　　· 網絡連接簡單、方便、靈活，且易于安裝調試及維護
2.1.4 控制方式：
　　主要設備控制方式采用就地控制、現場控制、中央控制的三層控制模式；其它設備采用現場控制、中央控制的兩層控制模式。
　　· 現場手動模式：設備的現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“就地”方式時，通過現場控制箱或MCC控制柜上的按鈕實現對設備的啟/停、開/關操作。
　　· 遙控模式：即遠程手動控制方式。現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程” 開關選擇“遠程”方式時，操作人員通過操作面板或中控系統操作站的監控畫面用鼠標器或鍵盤選擇“遙控”方式并對設備進行啟/停、開/關操作。
　　· 自動模式：現場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠程”開關選擇“遠程”方式，且現場控制站的“自動/遙控”設定為“自動”方式時，設備的運行完全由各PLC根據污水處理廠的工況及生產要求來完成對設備的運行或開/關控制，而不需要人工干預。
2.2 自動控制系統功能的實現
　　(1)粗、細格柵系統的控制
　　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，轉為時間控制。系統的啟動順序為：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整。
　　(2) 進水污水泵的自動控制及運行優化的調節
　　根據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，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。可以實現水泵的自動輪值，保證水泵總是處在最佳運行狀態。當干運轉保護水位開關動作時，所有的污水泵停止運行。優化：⑴盡量保持高水位運行，以節省提升泵電耗；⑵水泵輪值的平滑切換。
　　(3) 旋流沉砂池系統的控制
　　旋流沉砂池自動運行時，旋流沉砂池攪拌葉輪連續運行，由控制系統定時啟動排砂過程，同時控制砂水分離器等設備的聯動運行。排砂管道上設置固體濃度傳感器，檢測值作為控制排砂過程和排砂量的依據。排砂過程中，如果固體濃度傳感器顯示沉砂已基本排盡，則自動關閉排砂泵及順序關閉相關設備。
　　(4) A/O池曝氣量的自動調節
　　根據曝氣池溶解氧DO值自動調節曝氣量，并保證DO值的設定指標。
　　曝氣池的曝氣控制由工藝設計及水質狀況確定，根據工藝要求的溶解氧濃度，和溶解氧的現場測量值，利用查表法，由程序控制得到鼓風機的空氣流量設定值，PLC的PID調節跟蹤空氣流量，從而實現曝氣量的自動調節。把進水的水質參數和一些其他的運行經驗，放入經驗表中，修正空氣流量設定值，逐步達到最佳值。
　　（5）污泥回流量自動調節
　　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。根據生物池的進水量、回流污泥濃度控制回流污泥泵的運轉臺數、運轉時間，保證生物池微生物的需要量。通過監控管理系統，可以設定回流污泥比例。
　　(6) 脫水機房的控制
　　污泥脫水系統控制采用時間控制和手動控制。該系統中設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、系統中任何一臺設備發生故障時，系統停止運行。通過監控管理系統和現場控制系統的操作屏，可以設定每天允許的運行次數及每次運行的時間。

3．運行過程中的改進

　　經過半年多的運行，控制系統在原有基礎上根據運行的實際情況進行了一些改進。
　　· 化驗室的數據，由化驗人員在化驗室計算機及時錄入，通過WEBACCESS監控軟件實現與工程運行數據全廠共享。
　　· 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，有時會發生整個液位的抬升，導致污水溢出。所以把柵前液位設置了一個報警值，到達時啟動格柵并與提升泵的控制連鎖。
　　· 進水泵的控制。在進水泵連續運行幾個小時后，會發生現流量曲線會下降的情況，即水泵的輸出能力下降。發現通過重新啟動水泵可以恢復原來的流量曲線，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，達到生產的要求。
　　隨著更多的工程建設和運行的積累，我們希望能摸索出更多的經驗，使污水處理的自控水平上一個新臺階。