克拉瑪依石化工業園污水處理廠自動化控制系統

覃 麗，史勝波，張 帆

QIN Li1, SHI Sheng-bo1, ZHANG Fan2

（1.新疆克拉瑪依石化工業園污水處理廠，克拉瑪依 834000；2.北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

克拉瑪依石化工業園污水處理廠位于克拉瑪依城鎮體系的中部區域，金龍鎮和三坪鎮之間的交屆處，主要負責處理石化工業園區工業企業排放的工業廢水和白堿灘區排放的生活污水，采用曝氣生物濾池工藝作為污水廠主體工藝，設計出水水質達到國家一級A排放標準。為了保證石化工業園污水處理廠出水水質達到設計要求，同時提高運行過程中的安全性、可靠性和自動化水平，控制系統采用了集散型控制系統，按照“集中監控，分散控制”的原則，將全廠控制系統分為現場就地站級（設備網）、現場PLC控制站級（控制網）和中央調度管理級（管理網）的三級控制網絡。其中，現場PLC控制站與變電所控制室及綜合樓控制室計算機之間的通訊采用高速工業環網結構，通訊速率為10MB/S。通訊網絡采用開放式的結構及目前國際上主流的TCP/IP通訊協議，可以非常方便地與其他標準網絡相兼容。

各控制站劃分如下：

1）綜合樓中心控制室配置管理、監控計算機、模擬屏和DLP大屏幕。

2）2號變電所控制室配置管理、監控計算機

3）1號變電所低壓配電室設置PLC主站PLC1,紫外線消毒間設置PLC分站PLC1-1，加氯間設置PLC分站PLC1-2，污泥脫水間設置PLC分站PLC1-3（現場PLC控制站配有操作員面板。）

4）2號變電所低壓配電室設置PLC主站PLC2，砂渣處理間設置PLC分站PLC2-1

5）3號變電所低壓配電室設置PLC主站PLC3，預處理間設置PLC分站PLC3-1，加藥間設置PLC分站PLC3-2

在上述控制站中，各PLC分站和PLC主站組成星形網絡結構，通訊速率為100MB/S。三個PLC主站 PLC1、PLC2、PLC3構成同級控制站通過環形網絡與2號變電所控制室及綜合樓中心控制室計算機之間通訊，通訊速率為1000MB/S。

1 自動控制系統結構

克拉瑪依石化工業園污水處理廠控制自動控制系統結構主要包括：中央監控工作站、現場控制站、控制網絡。下面對其進行重點介紹。

1.1 中央監控工作站

綜合樓中控室及2號變電所SCADA系統包括監控所需的計算機網絡系統及實時多任務彩色監控系統。該系統通過接口將打印機、不間斷電源、顯示大屏幕聯系在一起并配置實時多任務彩色圖形系統監控軟件，主要用于集中監視、控制、操作、管理污水處理的全部生產過程。根據工藝需要，中控室設置工程師站與操作員站。其中，操作員站配有三臺顯示器以確保不同區域的工藝流程在三臺顯示器上隨意切換顯示，從而能夠有效監控整個廠區的工藝處理過程。

1.2 現場控制站

現場控制站主要對現場有關設備進行監控和為中央控制室數據采集，其中同級別PLC主站組成控制網絡。

根據工藝要求，每個PLC站主要用于：

1）對現場設備進行監視、控制、

2）和其它工藝設備PLC站進行通訊

3）作為中央工作站的一個現場控制單元，接收中央工作站命令并將現場運行信號反傳給中央工作站。

在本系統中，PLC站配備如下設備以滿足工藝要求：

1）PLC站配有帶有CPU、I/O模塊的PLC和相應的操作員終端，用于在現場觀察到重要的工況信息和有關參數，并能對設備進行現場設置和控制。

2）PLC站配有DP通訊模塊，用于和工藝設備PLC站進行通訊以及數據交換。

3）各PLC站通過以太網通訊模塊、交換機和中央工作站進行以太網通訊，從而達到通過中央工作站對各站設備進行監視、控制的目的。

1.3 控制網絡

控制網絡作為整個控制系統的系統總線，用于連接中央控制室內的各種設備（包括工程師站和操作員站）和各個現場控制站。現場總線用于連接各現場控制站中央處理器與各個遠程I/O單元和模塊以及遠程執行器等。克拉瑪依石化工業園污水處理廠網絡系統采用以電纜為傳輸介質的網絡結構，控制網絡的設備容量≥128臺，通訊波特率≥5MB，通訊距離≥2.0KM。在出現故障時，增加或刪除任意一個節點，都不會影響到其他設備的運行和通訊。在2.0 KM的通訊距離之間無須增加任何中繼設備。

1.4 軟件系統

克拉瑪依石化工業園污水處理廠采用先進的計算機控制系統，應用軟件包括廠級用戶監控軟件、現場分散控制應用軟件和工程控制軟件。每個控制站具有獨立完成本地控制任務，同時還應具有與其他控制站通訊的網絡能力，各控制站之間不會出現相互干擾。

2 控制系統典型自控運行方案描述

在本自動控制系統中，根據工藝設備以及工藝需求建有多個自控運行方案。這里重點介紹2個典型自控運行方案。

2.1 泵控運行方案

在克拉瑪依污水項目中，泵控運行方案主要運用在進水泵系統、應急泵系統、回流泵系統、排水泵系統中。泵控運行方案是通過對泵組進行起停控制（如控制設備為變頻泵需根據液位對泵的頻率進行調整）以實現池中液位恒定，從而最終實現泵控系統穩定自動運行。

要實現系統自控運行方案，需完成以下功能：

1）通過分段液位控制方式實現泵組自動啟停。

假設泵控系統有2臺泵，需設置4個分段液位參數。（按液位從低到高排列順序為：1切0，0切1，2切1，1切2。注：1切0代表實際液位如果低于此設定液位值，運行泵數由1臺變成0臺；0切1代表實際液位如果高于此設定液位值，運行泵數由0臺運行泵變成1臺；2切1代表實際液位如果低于此設定液位值，運行泵數由2臺減少為1臺；1切2代表實際液位如果高于此設定液位值，運行泵數由0臺運行泵變成1臺）。這樣通過實際液位值所處的液位段和設定值比較，判斷理論所啟動的泵數。通過理論泵數和實際泵數進行比較，對泵進行啟、止控制。當理論泵數>實際泵數時，增加運行泵數直到理論泵數增到和實際泵數相同；當理論泵數＜實際泵數時，減少運行泵數直到理論泵數減到和實際泵數相同。

2）在起停泵組時需遵守均衡原則。

在克拉瑪依污水控制系統中泵組采用備用原則，且絕大多數情況下不會出現滿載情況，所以在系統自動運行過程中需遵照啟、停泵的原則，以保證泵的相對均衡運行。當系統理論泵數>實際泵數時，需要篩選出“具備自動正常停止狀態”、“累計運行時間最短”的泵組，并對其進行啟動；當系統理論泵數＜實際泵數時，需要篩選出“具備自動正常停止狀態”、“累計運行時間最長”的泵組，并對其進行停止。

3）根據工藝要求，需對泵、閥進行聯動啟停。

由于克拉瑪依污水項目的泵組是由泵和閥門組成的，所以要啟、停泵組必須對泵、閥進行順序操作。根據泵的不同類型，實行不同的順序控制。當運行泵為潛污泵時，啟動泵組應先開閥、延時開泵；停止泵組應先關泵、延時關閥。當運行泵為離心泵時，啟動泵組應先開泵、延時開閥；停止泵組應先關閥、延時關泵。

4）系統自動運行過程中單臺泵組出現故障狀態時，系統能夠完成自動切泵功能。

當運行泵組出現非正常情況時，立即停止該泵組并啟動新泵組。在切泵過程中，系統能夠穩定運行而不受故障影響。

5）當系統有一個或多個變頻泵組時，除完成上述功能外，應對變頻泵進行特殊控制。

泵組開始運行時，要先篩選出1臺“具備正常停止狀態”、“累計運行時間最短”的變頻泵并對其進行啟動。在系統運行過程中，變頻泵根據實際液位進行頻率控制，頻率范圍控制在30～50HZ。當變頻泵增至50HZ且液位繼續增加，系統執行增泵程序；反之變頻泵減至30HZ且液位繼續減少系統執行停泵程序。

2.2 一、二級曝氣濾池和反硝化生物濾池自動運行方案

在污水廠控制系統中，曝氣生化系統為污水處理的核心工藝。和常規的A2O曝氣生化工藝不同，克拉瑪依污水廠采用三合一曝氣生物濾池對污水進行深度生化處理。三合一曝氣生物濾池分為30個濾池（包括10個一級曝氣濾池、10個一級曝氣濾池、10個反硝化濾池）

首先，反應沉淀池出水進入一級曝氣生物濾池進行有機的降解和硝化處理。在該級濾池中污水中的有機污染物成為生長在濾料上的好氧微生物及硝化菌的新陳代謝的營養物，其中有機污染物在有氧的條件下通過好氧微生物的代謝作用而得以去除，而污水中得氨氮則通過硝化菌得作用轉化成硝酸鹽或亞硝酸鹽。在去除有機物和硝化的過程中，多孔陶粒濾料內腔及微生物膜的內層存在著反硝化菌，并對硝酸鹽進行部分硝化。

一級曝氣生物濾池處理后的污水溢流至二級曝氣生物濾池進行進一步消化處理。二級曝氣生物濾池主要用來對污水中的氨氮進行硝化-即先將NH3被氧化成NO2，然后再進一步氧化成硝酸鹽。在二級曝氣生物濾池中，起硝化作用的細菌都以膜的形式附著生長在濾料的表面上，由于濾料的表面積很大，附著的微生物量也很大，所以硝化效率很高。

二級曝氣生物濾池處理后的污水最終進入反硝化生物濾池進行脫氮處理。在反硝化生物濾池中，濾料被分成兩層，下部為反硝化區，上部為好氧區。由于硝化菌產生的大部分硝酸鹽在下部反硝化區中反硝化菌的作用下轉化成氮氣，從水中逸出，最終從系統中去除掉。

經上述三級生物濾池處理后的出水進行消毒后即可達到國家排放標準進行排放或再利用。

要實現三合一曝氣濾池自動運行方案，需完成以下功能：

1）30個曝氣濾池獨立進行自動過濾運行。

當曝氣濾池各設備處于自動正常狀態，按“自動啟動鈕”，濾池進行自動過濾控制過程。當該濾池進入自動過濾時，進、出水閥門全開；鼓風閥門全開、鼓風機根據容氧量進行變頻調節。

2）濾池反沖洗過程必須滿足單獨運行原則

濾池長時間運行后，需要通過反沖洗對濾池進行全面清洗。由于濾池反沖洗設備（包括反沖洗氣沖鼓風機和反沖洗水泵）只有一套，所以在同一時間里只有1座濾池進行反沖洗處理。同時由于一級濾池和二級濾池為成套濾池，所以當一級（二級）濾池進行反沖洗過程時，成套對應的二級（一級）濾池停止過濾過程，直到反沖洗結束。

3）反沖洗時必須對反沖洗申請進行優先規劃和協調管理

當濾池提出反沖洗申請且系統不能同時對提出反沖洗要求的濾池進行反沖洗操作時，必須對反沖洗申請進行等級劃分以及排隊處理。PLC根據管理等級以及優先順序進行協調順序反沖洗。對于濾池的反沖洗申請可分為：高級申請（按“沖洗申請鈕”時或者壓力超過設定值時，濾池發出高級申請）和低級申請（當濾池運行時間到達設定時間時，濾池發出低級申請）。在同級申請中，根據發出請求時間進行排隊。當需對反沖洗申請濾池進行篩選時，先在高級申請隊列中進行挑選并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作；高級申請結束后再在高級申請隊列中進行挑選并并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作

3 自控系統的可靠性與先進性

控制系統能在嚴格的工業環境下長期、穩定的運行。系統組件的設計符合真正的工業等級，滿足國內、國際的安全標準。同時系統設計具有易配置、易接線、易維護、隔離性好、結構堅固、抗腐蝕、適應較寬的溫度變化范圍，能夠承受工業環境的嚴格要求。

控制系統具有自診斷功能，可以在運行中診斷出系統的部件是否出現故障，并在監控軟件中及時、準確地反映出故障狀態、故障時間、故障地點以及相關信息。在系統發生故障后，I/O的狀態返回到系統根據工藝要求預設置的狀態上。

控制系統具有良好的通訊性能和擴展性、兼容性。在關鍵部件如主機、電源及通訊網絡上均可進行擴展。

4 自控系統的運行特點

現場控制站負責設備的自動控制及狀態信號采集。中央管理工作站負責提供設備的控制方式，能進行單獨設備或系統的控制。全廠控制中心功能包括：

顯示所有工藝設備流程圖，實時設備運行參數狀態及故障信息；所有設備的啟動/手動方式選擇；使用/備用泵的順序選擇；手動形勢下的設備控制；全廠范圍的報警紀錄；被選擇設備的管理控制；過程變量的實時趨勢；歷史趨勢；報表。

診斷功能包括：

模板一般信息顯示，如板號、版本號、位置制定、模板狀態等；模板故障顯示，如I/O通道號，通訊地址號，故障信息等；故障緩沖區信息顯示；CPU失效原因顯示；CPU運行周期顯示；CPU負荷顯示；CPU性能顯示。

5 結束語

石化工業園污水處理廠自控系統的成功應用，極大的解決了曝氣生物濾池工藝設備的復雜控制，使污水處理運行實現了全自動化。在提高生產效率的同時，減輕了操作人員的工作強度。