化工園區污水處理廠自控系統設計及實現

陶勇

【摘要】介紹污水廠改造后總體自控系統組成，闡述各功能單元設計方案及其功能實現。

【關鍵詞】自控系統：選型；控制流程：化工污水

【中圖分類號】TU992.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0057-02

0 引言

江西樂平某化工園區污水處理廠規模20000噸/日，2008年建成投產，進水主要為化工園區企業排水，水質成分非常復雜，pH值、COD等常規指標經常嚴重超過設計進水標準，再加上附近電化廠時常產生酸性氣體泄漏，對污水廠運行帶來嚴峻考驗。儀表、電纜、室外控制箱、鍍鋅保護管、水下工藝設備、管道、甚至混凝土水池等設施均出現不同程度的腐蝕，污水廠的處理工藝已經很難正常運行。

為滿足污水廠處理出水長期穩定達標排放，2011年對工藝流程進行改造，主要是增加pH調整池、事故池、調節池等，并增強生化處理單元功能。為保證新增設備能高效、穩定的運行，相應新增配套自控系統。同時原有自控系統已不再發揮作用，本次改造考慮一并更換及改善。

改造后整個廠區自控系統分為上位機系統、PLC系統以及儀表系統，通過光纖以太網保持各站間數據通訊，并將數據送入上位機系統，實現廠區內局域網管理方式。

1 系統布置和組成

1.1系統概述

污水廠的自控系統由中央控制室統一管理，采用工業以太網將廠區內各PLC站連接起來，由各站內PLC對所負責區域內儀表參數、電力參數及設備運行狀態進行監控，并通過中央控制室內打印機進行各類報表的打印。

根據本廠工藝流程和總平面布置，結合動力控制中心的位置，以就近采集和控制儀表、設備信號為劃分區域的原則，設一座中央控制室、四座現場控制站。

1.2上位機系統

在綜合樓二樓中央控制室內設2臺監控計算機，一臺作為工程師站（做編程、操作、記錄用），另外一臺作為操作員站（僅作操作、記錄用），兩站均作數據備份。為保證監控計算機能穩定運行，并在掉電后能保存工藝參數數據，減少掉電對電腦的危害，設立一套UPS系統，容量為5KVA，掉電后能至少保持30分鐘工作時間。另外設一套數據服務器及兩臺打印機。室內還設置大型DLP無縫拼接大屏幕顯示系統（顯示面積2×2×70寸），用以直觀顯示全廠工藝流程、設備工況及主要參數值。大屏幕顯示系統通過與攝像監控管理計算機相連，實時監視全廠生產區域工況、主要生產設施的運行狀態。監控計算機主要實現以下功能。

人機界面：在顯示器上動態顯示全廠各工藝設備的實時運行工況，過程控制的運行趨勢，各處理環節的生產數據指標，使生產管理人員一目了然當前全廠生產運行情況。

故障登記表：監控管理計算機的顯示器，無論顯示何種畫面及操作人員在執行何種操作，均在畫面的下欄處顯示故障登記表，并實時彈出新生故障警示框，使得操作人員隨時隨地都能了解污水廠的故障實況，計算機會自動把現場發生的故障登記入“故障登記表”中的記錄。故障分一般故障和緊急故障，如水泵過載報警等屬于一般故障，液位達到高位而未有水泵啟動、進水水質參數超過進水標準等屬于緊急故障。故障時，顯示器上警示框紅閃，并伴有5秒時長間隔報警聲。要求操作人員在3分鐘內作出響應，3分鐘后均改為1秒時長間隔報警聲，報警在操作人員響應后解除。

系統控制：系統的控制方式，一般分“自動”、“手動”，“自動”還分為“自控”和“中控”。“手動”、“自動”由操作人員在現場控制箱上選擇，“手動”由操作人員在現場控制箱上啟動和停止設備。“自控”由現場PLC站根據事先設定的邏輯程序依據工藝參數狀況決定設備的啟停。“中控”由中控室內操作人員在上位機上實現對設備的啟停。在上位機單體構筑物界面圖上，設置設備“啟動”和“停止”按鈕，并設置“自控”、“中控”選擇按鈕，并在設備圖案旁顯示設備控制方式狀態。

工藝參數設定：功能參數設定有兩大類，第一類是連續回路控制中的控制值設定，如進水泵池液位值、生物池溶氧值、藥劑投加量等；第二類是報警極限設定，如泵池的高、低液位報警、主要設備的高電流報警等。可以利用計算機的先進功能，優化出污水處理的工藝參數，提供給廠長指揮調度生產。

生成各類報表：如設備編號登記、故障次數記錄、設備運行累計時間記錄、大修周期的倒計時，開啟次數記錄等。對污水廠進、出水流量、大功率電機的用電量、總用電量等主要參數進行累計。同時可生成班報表、日報表、月報表、年報表等，自動記錄生產設備及工藝控制過程中出現的故障現象和發生的時間、排除的時間，并能自動打印報表。

生成歷史曲線：歷史趨勢曲線包括全部模擬量曲線（工藝參數、電力參數、及大功率電機的電流等），趨勢曲線不少于20條。對于液位參數顯示和報警用棒圖方式，以便精確查閱某個時間內的趨勢。趨勢曲線可單條顯示，也可組合顯示，并用不同顏色表示。

1.3PLC系統

根據廠區分布，包含原有2個已布置站點，再加上新增2個站點，廠區一共設置4套PLC站點。分別位于原有變配電間、原有加藥間、新增變配電間和分控室內。

原有變配電間PLC站：本站負責進水泵房、沉砂池、原有水解酸化池、氧化溝、二沉池、脫水機房及原有變配電間內設備和儀表的信號采集與控制，點數為DI=210，DO=72，AI=16，AO=8。

原有加藥間PLC站：本站負責原有加藥間、混凝沉淀池、消毒池內設備和儀表的信號采集與控制，點數為DI=64，DO=32，AI=16，AO=4。

新增變配電間PLC站：本站負責初沉池及污泥井、新增水解酸化池、儲泥池、鼓風機房、新建變配電間、新增加藥間內設備和儀表的信號采集與控制，點數為DI=135，DO=55，AI=8，AO=3。

分控室PLC站：本站負責事故池、調節池內設備和儀表的信號采集與控制，點數為DI=128，DO=46，AI=8，AO=1。

另外，消毒池內紫外消毒系統、加藥間加藥系統以及脫水機房污泥脫水系統控制柜均由設備商配套，自帶小型PLC系統，通過以太網連接與主站通訊。廠區整個PLC系統的點數約為1100點，包含開關量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出。各站每套PLC系統配備電源模塊、CPU模塊、以太網通訊模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、接口模塊以及配套主機架、擴展機架及連接器等。每套系統各預留20%數字量及模擬量點位，以便后期擴容需要及點位故障候補需要。

每套PLC系統內編制針對所負責區域內設備運行的邏輯控制程序，根據儀表參數或者時間設定來控制設備啟停。要求控制邏輯嚴謹，并編制判斷設備誤動作及工藝參數超標等非正常情況報警程序，通過提供地址代碼與上位機監控系統進行通訊，接受上位機控制命令。

1.4儀表系統

在污水處理過程中，檢測儀表是必不可少的。這些儀表能直觀的反映當前水質參數、流量大小和物位狀態，并將這些數據傳送至各區域PLC系統，使PLC能根據參數和狀態通過邏輯程序來判斷和分析是否啟停設備。同時通過PLC傳送至上位機系統，使操作人員能實時了解各工藝環節狀態。

在進、出水水質監測房內各設置COD儀和氨氮儀各一套，用于檢測進、出水COD和氨氮含量。在進、出水總管上設置電磁流量計各一套，用于記錄進水水量和出水水量。在污泥井回流污泥管路上設置電磁流量計一套，用于檢測污泥回流量。在脫水機房總進泥管路上設置電磁流量計一套，用于檢測脫水污泥處理總量。在調節池出水口設置電磁流量計一套，用于檢測調節池出水，通過調節變頻泵均衡至初沉池水量。在進水泵房、事故池、調節池、污泥井、儲泥池設置超生波液位儀各一套，用于檢測各池體內液位值。在事故池和調節池以及消毒池出水設置pH儀各一套，用于檢測污水pH值，若進水pH超標，則提升至事故池。在兩個氧化溝內設置DO儀和MLSS儀各二套，用于檢測各池內溶解氧和污泥濃度值。在兩個水解酸化池內設置ORP儀各一套，用于檢測池體內氧化還原反應電位值。在鼓風機房空氣總管路上設置熱式氣體流量計和壓力儀各一套，用于檢測鼓風風量和總管壓力。加藥間加藥罐上設連桿式液位儀，帶攪拌機加藥罐上設磁翻板液位儀，均用于檢測罐體內液位。

2 設備選型

2.1上位機系統

監控計算機選用研華工控機IPC-610系列，配21DELL顯示器。上位組態軟件選用西門子W1NCC7.0，一套開發版，一套運行版。UPS電源選用施耐德APC系列，光纖交換機選用MOXA公司ED6008系列，打印機選用惠普HP CP5225系列。

2.2PLC系統

PLC選用西門子S7-300系列產品，其中CPU模塊選用6ES7315-2AGl0-0AB0，電源模塊選用6ES7 307.1KA01-OAAO，以太網通訊模塊選用6GK7 343-1EX21-0XE0，接口模塊選用6ES7365-0BA01-0AA0，數字量輸入模塊選用6ES7 321-1BL01-OAAO，數字量輸出模塊選用6ES7 322-1BLOI-OAAO，模擬量輸入模塊選用6ES7331-7KF02-OABO，模擬量輸出模塊選用6ES7 332-5HF00-OABO。

PLC柜設在廠區建筑物控制室內，但均靠近工藝池體，周圍環境較差，因此柜體采用304不銹鋼材質，在室內防護等級也要求IP55，柜體不設散熱風扇及百葉窗。PLC控制室內設大功率空調，保證夏天PLC系統恒溫運行環境。

2.3儀表系統

儀表的品質優劣會關系到整個工藝系統的穩定性。PLC系統根據儀表采集參數來確定設備開啟、調整設備運行時間，所以選擇性能穩定、數據精確的儀表至關重要，基本采用進口品牌產品。

COD儀、氨氮儀、pH分析儀、DO儀、MLSS儀、ORP儀均選擇美國HACH品牌，COD儀采用重鉻酸鉀解毒法，氨氮儀采用水楊酸鈉比色法，并配備采樣預處理系統，DO儀采用熒光法，MLSS儀采用雙光束紅外和散射光光度計檢測技術。超聲波液位儀、電磁流量計、壓力儀等物位、流量儀表采用德國E+H品牌。熱式氣體流量計采用德國Systcch品牌。同時考慮現場環境的惡劣，儀表傳感器和變送器防護等級均要求IP65或以上，在室外的儀表變送器加裝304不銹鋼保護箱。

3 控制流程

自控系統硬件設置完成后，需確立合適的控制流程，才能滿足工藝運行要求，體現比人工操作更加準確的優異性，減少設備故障及工藝事故的發生。

格柵根據時間來控制，開啟5分鐘停20分鐘。進水泵及一般提升泵根據液位來確定開啟臺數，高液位開啟一臺或兩臺，至超高液位再開啟一臺，低液位時停所有開啟水泵，要求根據每臺水泵的運行時間，自動輪換運行水泵，使水泵運行時間均等。調節池出水泵根據液位和流量確定開啟臺數并通過變頻來實現流量控制，保證在水位滿足條件的情況下出水流量恒定在833噸/小時，便于確定加藥量。初沉池及二沉池刮泥機、水解酸化池內攪拌機均連續運行。氧化溝內回流泵及攪拌機連續運行，鼓風機根據DO儀所測溶解氧數值以及出口管路壓力來進行變頻控制，并確定開啟臺數，調整曝氣量。回流污泥泵根據進水流量，按比例回流，根據曝氣池的MLSS數值調整比例系數，在監控管理計算機上可隨時調正設定值，確定泵的運行臺數。剩余污泥泵根據時間開停。污泥脫水系統可根據情況人工啟動，也可定時自動啟動，加藥按進泥比例投加。加藥間加藥系統根據進水流量或者進水pH值信號，變頻控制藥劑投加泵，按照事先設定的比例投加，并根據出水水質信號，實時修正投藥量。

4 結束語

通過選擇先進的儀表、PLC及監控計算機，結合光纖組成的以太網通訊網絡，完整的組合了污水廠自控系統。該系統滿足改造后污水廠整體工藝運行要求，并適應當前惡劣環境，穩定、高效、精確的保證了污水廠的日常生產。本系統自2012年投產以來，出水水質較以前有很大改善，滿足國家《污水綜合排放標準》一級標準。

參考文獻

[1]中國市政工程中南設計研究院.給水排水設計手冊（第8冊，電氣與自控2版）[z]北京：中國建筑工業出版社，2002

[2]王華忠.監控與數據采集（SCADA）系統及其應用[M]-北京：電子工業出版社，2010

[3]廖常初.s7 300/400應用技術[M]·北京：機械工業出版社，2005

[4]趙捷.污水處理廠自動控制系統設計[J].測控技術，2005（12）