再生水處理工程自動化控制系統應用探討

摘要：近年來，在環境污染及水資源緊缺的大背景下，城市生活污水經過深度處理，作為再生水回用越來越受到關注。膜處理作為最有前景的再生水處理工藝，涉及到較為復雜的處理工藝流程和大量的設施、設備，在其控制過程中自動化的應用尤為重要。文章對再生水處理工程自動化控制系統應用進行了探討。

關鍵詞：自動化控制系統；污水處理；再生水處理工程；雙膜法；環境污染；水資源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）22-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.041

1 概述

孝義市污水處理廠再生水處理工程旨在實現城市生活污水回用。其將經前期處理達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A類標準的處理水，通過再生水車間處理，使水質指標進一步提升，滿足再生水用戶的水質需求。

再生水處理工程采用超濾（UF）和反滲透（RO）結合的“雙膜法”處理工藝，經過反滲透膜處理后，可將原水電導率從2000?s/cm降至反滲透產水電導率30?s/cm左右，同時降低CODcr、NH3-N等其他指標。反滲透產水與原水或超濾產水混合配置后，將電導率控制在600?s/cm，供給再生水用戶使用。

為了保證再生水生產的穩定和高效，同時提高再生水車間的現代化生產管理水平，在充分考慮再生水處理工藝特性的基礎上，建設了完備的自動化控制系統。

2 再生水處理工藝

2.1 再生水處理流程

本再生水處理工程采用了“雙膜法”處理工藝，超濾作為反滲透的高級預處理設備，能有效去除大部分膠體、大分子化合物和微生物，確保了反滲透等設備的長期安全連續運行。反滲透系統可有效去除無機鹽類物質，系統回收率為75%以上，反滲透系統對無機離子的去除率可達98%以上。超濾系統和反滲透系統分別由進水系統、膜組系統、反沖洗系統、化學清洗系統和壓縮空氣系統等系統組成。其工藝流程圖如圖1所示：

2.2 再生水處理工藝概述

再生水處理工藝所用原水為污水處理廠一級A出水，原水一部分進入處理系統，作為超濾進水和配水；多余一級A出水排放水體。原水池作為超濾進水取水點，具有水量緩沖調節作用。UF進水系統包含超濾進水泵和自清洗過濾器，其作用是將原水過濾后進入UF膜組系統。UF膜組系統包括5組超濾膜，其主要去除水中的膠體、大分子化合物和微生物，超濾出水一部分用于配水，一部分補充中間水池水量。反滲透進水取自中間水池，其通過反滲透進水泵和反滲透高壓泵提升進入反滲透膜組，RO膜組系統包含4組反滲透膜，其主要去除原水中的無機鹽離子。RO出水經配制后，供給再生水用戶使用。

與處理工藝相配套的有超濾反沖洗系統、超濾化學清洗系統、反滲透化學清洗系統、反滲透藥劑投加系統、在線水質檢測系統等。超濾反沖洗系統每間隔設定時間進行一次沖洗，將膜上附著物清除；化學清洗系統主要是在膜元件發生堵塞情況下或定期進行清洗，用以恢復膜元件性能；反滲透加藥系統通過投加阻垢劑、還原劑、殺菌劑等防止膜污染的發生；在線水質檢測系統實時檢測水質情況，為運行參數調整提供參考。

3 計算機監控系統的構成

監控系統分三級控制系統，負責再生水處理生產過程監視、控制和數據采集。生產管理監控級是工業控制PC機，位于綜合樓中心控制室；現場監控級是工業控制PC機和可編程控制器，其位于再生水處理車間控制室；現場設備級為三套ET200分布式I/O控制柜，兩臺觸摸屏，MCC柜、就地電控柜和各種檢測儀表。兩套分布式I/O控制柜和兩臺觸摸屏分別安裝在超濾系統和反滲透系統附近，一套分布式I/O控制柜安裝在化洗間。自控系統結構圖如圖2所示。

4 系統的配置和功能

4.1 中央控制室監控管理級

本工程自控系統與孝義市污水處理廠自控系統通過基于光纖冗余網的工業以太網無縫連接，實現系統資源共享。中央控制室設置一臺工業控制計算機、一套工業以太網網絡設備，通過Windows XP操作平臺，配以系統軟件、應用軟件可實現以下功能：一是通過光纖以太網數據總線，可遠程監視再生水處理車間運行工況，建立各參數/狀態數據庫，儲存主要參數的歷史數據，顯示各操作畫面、工藝流程圖，進行事故和異常情況報警；二是可進行設備的參數設置及操作控制。

4.2 現場控制級

現場控制級位于再生水車間控制室，主要配置有一套工業控制計算機、一套PLC控制柜、兩套打印機（包括事件、圖表、報表打印機）、一套工業以太網網絡設備、一套UPS電源，主要功能為集中監視、管理、控制整個再生水處理的全部生產工藝流程：一是對生產過程的自動控制、自動保護、自動操作進行調節；二是對工藝流程中的各重要參數、設備工況等進行在線實時監控；三是進行數據管理、報警管理、事件處理、報表及打印輸出。

再生水處理車間監控站PLC控制柜下設三個ET200分布式I/O，分別對應超濾處理系統、反滲透處理系統、化學清洗系統。

4.2.1 I/O1控制柜位于超濾處理系統旁，負責原水池、UF產水池液位的檢測，超濾系統各設備的狀態檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC之間進行數據傳輸，同時現場裝有觸摸屏，用以就地觀察設備運行數據和參數設定。

第一，原水池：配置超聲波液位計，根據水池液位控制超濾系統的啟、停和待機，保護水泵和系統安全

運行。

第二，UF產水池：配置超聲波液位計，根據水池液位控制超濾系統及反滲透系統的啟停和待機，保護水泵和系統的安全運行。

第三，超濾進水泵：其出水管配置壓力表，根據超濾膜組進水壓力要求調節進水泵變頻器的頻率及進水泵啟動的數量。

第四，超濾膜組：膜組常規運行分為產水、氣洗、氣水洗、水洗、正洗幾個過程，通過PLC程序及設定的時間參數自動完成。

第五，超濾反洗泵：根據超濾膜組運行時間控制，當膜組反洗時自動啟停超濾反洗水泵。反洗總管上設有電磁流量計，用于監控和累積反洗流量。

第六，超濾反洗消毒泵：當超濾反洗次數達到設定的反洗加藥頻率時，超濾反洗消毒泵與超濾反洗泵聯動，在反洗過程中投加消毒劑。

4.2.2 I/O2控制柜位于反滲透處理系統旁，負責反滲透系統各設備的狀態檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC柜之間進行數據傳輸，同時本站還裝有觸摸屏，用于現場觀察設備運行數據和參數設置。

第一，反滲透進水泵：與反滲透膜組的運行聯動。

第二，反滲透高壓泵：當反滲透膜組進入產水過程時，該水泵開啟，同時根據膜組進水壓力要求調節高壓泵變頻器的頻率，實現反滲透膜組的恒壓進水方式。

第三，反滲透膜組：每個膜組上安裝有進水壓力變送器、濃水壓力變送器、產水壓力變送器、進水電磁流量計、濃水電磁流量計、進水電導儀、產水電導儀和進水ORP儀，可對膜組運行狀態進行監控和保護。膜組運行分為開機沖洗、產水、停機沖洗三個過程，通過PLC程序及設定的時間參數自動完成。各氣動閥門按設定時序動作。

4.2.3 I/O3控制柜位于化學清洗系統旁，負責化洗系統各設備的狀態檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC柜之間進行數據傳輸。

第一，超濾化洗泵：根據系統設定的化洗循環時間和次數，自動控制化洗泵的啟停，完成化洗循環過程。

第二，反滲透化洗泵：根據系統設定的化洗循環時間和次數，自動控制化洗泵的啟停，完成化洗循環

過程。

第三，CIP鹽酸泵、CIP氫氧化納泵、CIP次氯酸鈉泵：當需要化學清洗時，在加藥系統配電箱上手動控制啟停。

第四，CEB鹽酸泵、CEB次氯酸鈉泵：當超濾系統、反滲透系統進行維護性化學清洗時，根據程序設定的動作順序，自動啟停。

第五，空壓機及冷干機：僅在配電柜中進行配電，手動啟停。

4.3 報警和保護

系統中央控制室還設有各種工藝參數報警功能，如液位高低報警、水質參數報警、泵過載和高壓泵進出口高低壓力報警等，以實現系統的自我診斷能力，同時保證系統運行的安全性。MCC柜、MNS柜上主要有用電設備的缺相保護、過載保護、短路保護等。

5 設備的操作控制方式

5.1 系統設備控制方式的種類

系統設備的控制方式分為本地手動和遠程自動兩種方式，可通過就地按鈕箱上的“本地/停止/遠程”轉換開關進行切換。

5.1.1 本地狀態是由就地按鈕箱上的按鈕進行就地手動操作，一般只作為設備檢修或調試試車時使用。

5.1.2 遠程狀態是通過PLC控制器依據內部設定程序所進行的自動控制。

5.2 工藝設備的控制方式

工藝設備的控制方式按照處理工藝的要求與監測儀表構成連鎖控制。

5.2.1 超濾系統和反滲透系統采用液位控制。根據原水池液位控制超濾系統的啟停和待機，根據中間水池的液位控制反滲透系統的啟停和待機，保護水泵和系統安全。

5.2.2 超濾進水泵采用變頻調速閉環控制，通過調節進水泵轉速，實現超濾系統恒壓進水方式。

5.2.3 反滲透高壓泵采用變頻調速閉環控制，通過調節高壓水泵轉速，實現反滲透膜的恒壓進水方式。

5.3 保護控制

反滲透高壓泵的進出口分別設置了壓力開關，高壓泵前壓力過低或泵后壓力過高，都會聯鎖停車。RO機組上設置了進口水壓力傳感器，對反滲透系統的進口水壓力實時檢測，同時控制上增加了高壓聯鎖保護，防止壓力過高損壞RO膜組件。

6 結語

本工程硬件配置超前，選用了SIEMENS公司的S7-300系列可編程控制器、通訊模塊ET200I/O，ABB公司的變頻調速器。工藝設備采用了德國進口水泵，RO膜組系統采用了日本東麗公司TM抗污系列膜元件。儀表采用了哈希、E+H等品牌產品。系統可靠性高、擴展靈活、操作維護簡便，人機界面操作簡便、直觀，同時再生水處理車間自控系統通過工業以太網與孝義市污水處理廠自控系統融為一體，實現了資源共享，方便合理調度。

作者簡介：燕林斌（1970-），男，供職于孝義市公用事業管理局，研究方向：自動控制技術在公用事業行業中的應用。

（責任編輯：王 波）