化工园区污水处理厂自控系统设计及实现

 【摘要】介绍污水厂改造后总体自控系统组成，阐述各功能单元设计方案及其功能实现。 

　　【关键词】自控系统：选型；控制流程：化工污水 

　　0 引言 

　　江西乐平某化工园区污水处理厂规模20000吨/日，2008年建成投产，进水主要为化工园区企业排水，水质成分非常复杂，pH值、COD等常规指标经常严重超过设计进水标准，再加上附近电化厂时常产生酸性气体泄漏，对污水厂运行带来严峻考验。仪表、电缆、室外控制箱、镀锌保护管、水下工艺设备、管道、甚至混凝土水池等设施均出现不同程度的腐蚀，污水厂的处理工艺已经很难正常运行。 

　　为满足污水厂处理出水长期稳定达标排放，2011年对工艺流程进行改造，主要是增加pH调整池、事故池、调节池等，并增强生化处理单元功能。为保证新增设备能高效、稳定的运行，相应新增配套自控系统。同时原有自控系统已不再发挥作用，本次改造考虑一并更换及改善。 

　　改造后整个厂区自控系统分为上位机系统、PLC系统以及仪表系统，通过光纤以太网保持各站间数据通讯，并将数据送入上位机系统，实现厂区内局域网管理方式。 

　　1 系统布置和组成 

　　1.1系统概述 

　　污水厂的自控系统由中央控制室统一管理，采用工业以太网将厂区内各PLC站连接起来，由各站内PLC对所负责区域内仪表参数、电力参数及设备运行状态进行监控，并通过中央控制室内打印机进行各类报表的打印。 

　　根据本厂工艺流程和总平面布置，结合动力控制中心的位置，以就近采集和控制仪表、设备信号为划分区域的原则，设一座中央控制室、四座现场控制站。 

　　1.2上位机系统 

　　在综合楼二楼中央控制室内设2台监控计算机，一台作为工程师站（做编程、操作、记录用），另外一台作为操作员站（仅作操作、记录用），两站均作数据备份。为保证监控计算机能稳定运行，并在掉电后能保存工艺参数数据，减少掉电对电脑的危害，设立一套UPS系统，容量为5KVA，掉电后能至少保持30分钟工作时间。另外设一套数据服务器及两台打印机。室内还设置大型DLP无缝拼接大屏幕显示系统（显示面积2×2×70寸），用以直观显示全厂工艺流程、设备工况及主要参数值。大屏幕显示系统通过与摄像监控管理计算机相连，实时监视全厂生产区域工况、主要生产设施的运行状态。监控计算机主要实现以下功能。 

　　人机界面：在显示器上动态显示全厂各工艺设备的实时运行工况，过程控制的运行趋势，各处理环节的生产数据指标，使生产管理人员一目了然当前全厂生产运行情况。 

　　故障登记表：监控管理计算机的显示器，无论显示何种画面及操作人员在执行何种操作，均在画面的下栏处显示故障登记表，并实时弹出新生故障警示框，使得操作人员随时随地都能了解污水厂的故障实况，计算机会自动把现场发生的故障登记入“故障登记表”中的记录。故障分一般故障和紧急故障，如水泵过载报警等属于一般故障，液位达到高位而未有水泵启动、进水水质参数超过进水标准等属于紧急故障。故障时，显示器上警示框红闪，并伴有5秒时长间隔报警声。要求操作人员在3分钟内作出响应，3分钟后均改为1秒时长间隔报警声，报警在操作人员响应后解除。 

　　系统控制：系统的控制方式，一般分“自动”、“手动”，“自动”还分为“自控”和“中控”。“手动”、“自动”由操作人员在现场控制箱上选择，“手动”由操作人员在现场控制箱上启动和停止设备。“自控”由现场PLC站根据事先设定的逻辑程序依据工艺参数状况决定设备的启停。“中控”由中控室内操作人员在上位机上实现对设备的启停。在上位机单体构筑物界面图上，设置设备“启动”和“停止”按钮，并设置“自控”、“中控”选择按钮，并在设备图案旁显示设备控制方式状态。 

　　工艺参数设定：功能参数设定有两大类，第一类是连续回路控制中的控制值设定，如进水泵池液位值、生物池溶氧值、药剂投加量等；第二类是报警极限设定，如泵池的高、低液位报警、主要设备的高电流报警等。可以利用计算机的先进功能，优化出污水处理的工艺参数，提供给厂长指挥调度生产。 

　　生成各类报表：如设备编号登记、故障次数记录、设备运行累计时间记录、大修周期的倒计时，开启次数记录等。对污水厂进、出水流量、大功率电机的用电量、总用电量等主要参数进行累计。同时可生成班报表、日报表、月报表、年报表等，自动记录生产设备及工艺控制过程中出现的故障现象和发生的时间、排除的时间，并能自动打印报表。 

　　生成历史曲线：历史趋势曲线包括全部模拟量曲线（工艺参数、电力参数、及大功率电机的电流等），趋势曲线不少于20条。对于液位参数显示和报警用棒图方式，以便精确查阅某个时间内的趋势。趋势曲线可单条显示，也可组合显示，并用不同颜色表示。 

　　1.3PLC系统 

　　根据厂区分布，包含原有2个已布置站点，再加上新增2个站点，厂区一共设置4套PLC站点。分别位于原有变配电间、原有加药间、新增变配电间和分控室内。 

　　原有变配电间PLC站：本站负责进水泵房、沉砂池、原有水解酸化池、氧化沟、二沉池、脱水机房及原有变配电间内设备和仪表的信号采集与控制，点数为DI=210，DO=72，AI=16，AO=8。 

　　原有加药间PLC站：本站负责原有加药间、混凝沉淀池、消毒池内设备和仪表的信号采集与控制，点数为DI=64，DO=32，AI=16，AO=4。 

　　新增变配电间PLC站：本站负责初沉池及污泥井、新增水解酸化池、储泥池、鼓风机房、新建变配电间、新增加药间内设备和仪表的信号采集与控制，点数为DI=135，DO=55，AI=8，AO=3。 

　　分控室PLC站：本站负责事故池、调节池内设备和仪表的信号采集与控制，点数为DI=128，DO=46，AI=8，AO=1。 　　另外，消毒池内紫外消毒系统、加药间加药系统以及脱水机房污泥脱水系统控制柜均由设备商配套，自带小型PLC系统，通过以太网连接与主站通讯。厂区整个PLC系统的点数约为1100点，包含开关量输入、输出和模拟量输入、输出。各站每套PLC系统配备电源模块、CPU模块、以太网通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、接口模块以及配套主机架、扩展机架及连接器等。每套系统各预留20%数字量及模拟量点位，以便后期扩容需要及点位故障候补需要。 

　　每套PLC系统内编制针对所负责区域内设备运行的逻辑控制程序，根据仪表参数或者时间设定来控制设备启停。要求控制逻辑严谨，并编制判断设备误动作及工艺参数超标等非正常情况报警程序，通过提供地址代码与上位机监控系统进行通讯，接受上位机控制命令。 

　　1.4仪表系统 

　　在污水处理过程中，检测仪表是必不可少的。这些仪表能直观的反映当前水质参数、流量大小和物位状态，并将这些数据传送至各区域PLC系统，使PLC能根据参数和状态通过逻辑程序来判断和分析是否启停设备。同时通过PLC传送至上位机系统，使操作人员能实时了解各工艺环节状态。 

　　在进、出水水质监测房内各设置COD仪和氨氮仪各一套，用于检测进、出水COD和氨氮含量。在进、出水总管上设置电磁流量计各一套，用于记录进水水量和出水水量。在污泥井回流污泥管路上设置电磁流量计一套，用于检测污泥回流量。在脱水机房总进泥管路上设置电磁流量计一套，用于检测脱水污泥处理总量。在调节池出水口设置电磁流量计一套，用于检测调节池出水，通过调节变频泵均衡至初沉池水量。在进水泵房、事故池、调节池、污泥井、储泥池设置超生波液位仪各一套，用于检测各池体内液位值。在事故池和调节池以及消毒池出水设置pH仪各一套，用于检测污水pH值，若进水pH超标，则提升至事故池。在两个氧化沟内设置DO仪和MLSS仪各二套，用于检测各池内溶解氧和污泥浓度值。在两个水解酸化池内设置ORP仪各一套，用于检测池体内氧化还原反应电位值。在鼓风机房空气总管路上设置热式气体流量计和压力仪各一套，用于检测鼓风风量和总管压力。加药间加药罐上设连杆式液位仪，带搅拌机加药罐上设磁翻板液位仪，均用于检测罐体内液位。 

　　2 设备选型 

　　2.1上位机系统 

　　监控计算机选用研华工控机IPC-610系列，配21’DELL显示器。上位组态软件选用西门子W1NCC7.0，一套开发版，一套运行版。UPS电源选用施耐德APC系列，光纤交换机选用MOXA公司ED6008系列，打印机选用惠普HP CP5225系列。 

　　2.2PLC系统 

　　PLC选用西门子S7-300系列产品，其中CPU模块选用6ES7315-2AGl0-0AB0，电源模块选用6ES7 307.1KA01-OAAO，以太网通讯模块选用6GK7 343-1EX21-0XE0，接口模块选用6ES7365-0BA01-0AA0，数字量输入模块选用6ES7 321-1BL01-OAAO，数字量输出模块选用6ES7 322-1BLOI-OAAO，模拟量输入模块选用6ES7331-7KF02-OABO，模拟量输出模块选用6ES7 332-5HF00-OABO。 

　　PLC柜设在厂区建筑物控制室内，但均靠近工艺池体，周围环境较差，因此柜体采用304不锈钢材质，在室内防护等级也要求IP55，柜体不设散热风扇及百叶窗。PLC控制室内设大功率空调，保证夏天PLC系统恒温运行环境。 

　　2.3仪表系统 

　　仪表的品质优劣会关系到整个工艺系统的稳定性。PLC系统根据仪表采集参数来确定设备开启、调整设备运行时间，所以选择性能稳定、数据精确的仪表至关重要，基本采用进口品牌产品。 

　　COD仪、氨氮仪、pH分析仪、DO仪、MLSS仪、ORP仪均选择美国HACH品牌，COD仪采用重铬酸钾解毒法，氨氮仪采用水杨酸钠比色法，并配备采样预处理系统，DO仪采用荧光法，MLSS仪采用双光束红外和散射光光度计检测技术。超声波液位仪、电磁流量计、压力仪等物位、流量仪表采用德国E+H品牌。热式气体流量计采用德国Systcch品牌。同时考虑现场环境的恶劣，仪表传感器和变送器防护等级均要求IP65或以上，在室外的仪表变送器加装304不锈钢保护箱。 

　　3 控制流程 

　　自控系统硬件设置完成后，需确立合适的控制流程，才能满足工艺运行要求，体现比人工操作更加准确的优异性，减少设备故障及工艺事故的发生。 

　　格栅根据时间来控制，开启5分钟停20分钟。进水泵及一般提升泵根据液位来确定开启台数，高液位开启一台或两台，至超高液位再开启一台，低液位时停所有开启水泵，要求根据每台水泵的运行时间，自动轮换运行水泵，使水泵运行时间均等。调节池出水泵根据液位和流量确定开启台数并通过变频来实现流量控制，保证在水位满足条件的情况下出水流量恒定在833吨/小时，便于确定加药量。初沉池及二沉池刮泥机、水解酸化池内搅拌机均连续运行。氧化沟内回流泵及搅拌机连续运行，鼓风机根据DO仪所测溶解氧数值以及出口管路压力来进行变频控制，并确定开启台数，调整曝气量。回流污泥泵根据进水流量，按比例回流，根据曝气池的MLSS数值调整比例系数，在监控管理计算机上可随时调正设定值，确定泵的运行台数。剩余污泥泵根据时间开停。污泥脱水系统可根据情况人工启动，也可定时自动启动，加药按进泥比例投加。加药间加药系统根据进水流量或者进水pH值信号，变频控制药剂投加泵，按照事先设定的比例投加，并根据出水水质信号，实时修正投药量。 

　　4 结束语 

　　通过选择先进的仪表、PLC及监控计算机，结合光纤组成的以太网通讯网络，完整的组合了污水厂自控系统。该系统满足改造后污水厂整体工艺运行要求，并适应当前恶劣环境，稳定、高效、精确的保证了污水厂的日常生产。本系统自2012年投产以来，出水水质较以前有很大改善，满足国家《污水综合排放标准》一级标准。 

　　参考文献 

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　　[4]赵捷.污水处理厂自动控制系统设计[J].测控技术，2005（12）