化工園區(qū)污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

陶勇

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

【關(guān)鍵詞】自控系統(tǒng)：選型；控制流程：化工污水

【中圖分類號】TU992.3 【文獻標(biāo)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(qū)污水處理廠規(guī)模20000噸/日，2008年建成投產(chǎn)，進水主要為化工園區(qū)企業(yè)排水，水質(zhì)成分非常復(fù)雜，pH值、COD等常規(guī)指標(biāo)經(jīng)常嚴(yán)重超過設(shè)計進水標(biāo)準(zhǔn)，再加上附近電化廠時常產(chǎn)生酸性氣體泄漏，對污水廠運行帶來嚴(yán)峻考驗。儀表、電纜、室外控制箱、鍍鋅保護管、水下工藝設(shè)備、管道、甚至混凝土水池等設(shè)施均出現(xiàn)不同程度的腐蝕，污水廠的處理工藝已經(jīng)很難正常運行。

為滿足污水廠處理出水長期穩(wěn)定達標(biāo)排放，2011年對工藝流程進行改造，主要是增加pH調(diào)整池、事故池、調(diào)節(jié)池等，并增強生化處理單元功能。為保證新增設(shè)備能高效、穩(wěn)定的運行，相應(yīng)新增配套自控系統(tǒng)。同時原有自控系統(tǒng)已不再發(fā)揮作用，本次改造考慮一并更換及改善。

改造后整個廠區(qū)自控系統(tǒng)分為上位機系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)以及儀表系統(tǒng)，通過光纖以太網(wǎng)保持各站間數(shù)據(jù)通訊，并將數(shù)據(jù)送入上位機系統(tǒng)，實現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)局域網(wǎng)管理方式。

1 系統(tǒng)布置和組成

1.1系統(tǒng)概述

污水廠的自控系統(tǒng)由中央控制室統(tǒng)一管理，采用工業(yè)以太網(wǎng)將廠區(qū)內(nèi)各PLC站連接起來，由各站內(nèi)PLC對所負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)儀表參數(shù)、電力參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并通過中央控制室內(nèi)打印機進行各類報表的打印。

根據(jù)本廠工藝流程和總平面布置，結(jié)合動力控制中心的位置，以就近采集和控制儀表、設(shè)備信號為劃分區(qū)域的原則，設(shè)一座中央控制室、四座現(xiàn)場控制站。

1.2上位機系統(tǒng)

在綜合樓二樓中央控制室內(nèi)設(shè)2臺監(jiān)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(shù)據(jù)備份。為保證監(jiān)控計算機能穩(wěn)定運行，并在掉電后能保存工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，減少掉電對電腦的危害，設(shè)立一套UPS系統(tǒng)，容量為5KVA，掉電后能至少保持30分鐘工作時間。另外設(shè)一套數(shù)據(jù)服務(wù)器及兩臺打印機。室內(nèi)還設(shè)置大型DLP無縫拼接大屏幕顯示系統(tǒng)（顯示面積2×2×70寸），用以直觀顯示全廠工藝流程、設(shè)備工況及主要參數(shù)值。大屏幕顯示系統(tǒng)通過與攝像監(jiān)控管理計算機相連，實時監(jiān)視全廠生產(chǎn)區(qū)域工況、主要生產(chǎn)設(shè)施的運行狀態(tài)。監(jiān)控計算機主要實現(xiàn)以下功能。

人機界面：在顯示器上動態(tài)顯示全廠各工藝設(shè)備的實時運行工況，過程控制的運行趨勢，各處理環(huán)節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)，使生產(chǎn)管理人員一目了然當(dāng)前全廠生產(chǎn)運行情況。

故障登記表：監(jiān)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(zhí)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(xiàn)場發(fā)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(zhì)參數(shù)超過進水標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)作出響應(yīng)，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(yīng)后解除。

系統(tǒng)控制：系統(tǒng)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(xiàn)場控制箱上選擇，“手動”由操作人員在現(xiàn)場控制箱上啟動和停止設(shè)備。“自控”由現(xiàn)場PLC站根據(jù)事先設(shè)定的邏輯程序依據(jù)工藝參數(shù)狀況決定設(shè)備的啟停。“中控”由中控室內(nèi)操作人員在上位機上實現(xiàn)對設(shè)備的啟停。在上位機單體構(gòu)筑物界面圖上，設(shè)置設(shè)備“啟動”和“停止”按鈕，并設(shè)置“自控”、“中控”選擇按鈕，并在設(shè)備圖案旁顯示設(shè)備控制方式狀態(tài)。

工藝參數(shù)設(shè)定：功能參數(shù)設(shè)定有兩大類，第一類是連續(xù)回路控制中的控制值設(shè)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(shè)定，如泵池的高、低液位報警、主要設(shè)備的高電流報警等。可以利用計算機的先進功能，優(yōu)化出污水處理的工藝參數(shù)，提供給廠長指揮調(diào)度生產(chǎn)。

生成各類報表：如設(shè)備編號登記、故障次數(shù)記錄、設(shè)備運行累計時間記錄、大修周期的倒計時，開啟次數(shù)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(shù)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(chǎn)設(shè)備及工藝控制過程中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象和發(fā)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(shù)、電力參數(shù)、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(shù)顯示和報警用棒圖方式，以便精確查閱某個時間內(nèi)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(tǒng)

根據(jù)廠區(qū)分布，包含原有2個已布置站點，再加上新增2個站點，廠區(qū)一共設(shè)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(nèi)。

原有變配電間PLC站：本站負(fù)責(zé)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(nèi)設(shè)備和儀表的信號采集與控制，點數(shù)為DI=210，DO=72，AI=16，AO=8。

原有加藥間PLC站：本站負(fù)責(zé)原有加藥間、混凝沉淀池、消毒池內(nèi)設(shè)備和儀表的信號采集與控制，點數(shù)為DI=64，DO=32，AI=16，AO=4。

新增變配電間PLC站：本站負(fù)責(zé)初沉池及污泥井、新增水解酸化池、儲泥池、鼓風(fēng)機房、新建變配電間、新增加藥間內(nèi)設(shè)備和儀表的信號采集與控制，點數(shù)為DI=135，DO=55，AI=8，AO=3。

分控室PLC站：本站負(fù)責(zé)事故池、調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)備和儀表的信號采集與控制，點數(shù)為DI=128，DO=46，AI=8，AO=1。

另外，消毒池內(nèi)紫外消毒系統(tǒng)、加藥間加藥系統(tǒng)以及脫水機房污泥脫水系統(tǒng)控制柜均由設(shè)備商配套，自帶小型PLC系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)連接與主站通訊。廠區(qū)整個PLC系統(tǒng)的點數(shù)約為1100點，包含開關(guān)量輸入、輸出和模擬量輸入、輸出。各站每套PLC系統(tǒng)配備電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)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(tǒng)各預(yù)留20%數(shù)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(tǒng)內(nèi)編制針對所負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)設(shè)備運行的邏輯控制程序，根據(jù)儀表參數(shù)或者時間設(shè)定來控制設(shè)備啟停。要求控制邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，并編制判斷設(shè)備誤動作及工藝參數(shù)超標(biāo)等非正常情況報警程序，通過提供地址代碼與上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，接受上位機控制命令。

1.4儀表系統(tǒng)

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(dāng)前水質(zhì)參數(shù)、流量大小和物位狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至各區(qū)域PLC系統(tǒng)，使PLC能根據(jù)參數(shù)和狀態(tài)通過邏輯程序來判斷和分析是否啟停設(shè)備。同時通過PLC傳送至上位機系統(tǒng)，使操作人員能實時了解各工藝環(huán)節(jié)狀態(tài)。

在進、出水水質(zhì)監(jiān)測房內(nèi)各設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置電磁流量計一套，用于檢測脫水污泥處理總量。在調(diào)節(jié)池出水口設(shè)置電磁流量計一套，用于檢測調(diào)節(jié)池出水，通過調(diào)節(jié)變頻泵均衡至初沉池水量。在進水泵房、事故池、調(diào)節(jié)池、污泥井、儲泥池設(shè)置超生波液位儀各一套，用于檢測各池體內(nèi)液位值。在事故池和調(diào)節(jié)池以及消毒池出水設(shè)置pH儀各一套，用于檢測污水pH值，若進水pH超標(biāo)，則提升至事故池。在兩個氧化溝內(nèi)設(shè)置DO儀和MLSS儀各二套，用于檢測各池內(nèi)溶解氧和污泥濃度值。在兩個水解酸化池內(nèi)設(shè)置ORP儀各一套，用于檢測池體內(nèi)氧化還原反應(yīng)電位值。在鼓風(fēng)機房空氣總管路上設(shè)置熱式氣體流量計和壓力儀各一套，用于檢測鼓風(fēng)風(fēng)量和總管壓力。加藥間加藥罐上設(shè)連桿式液位儀，帶攪拌機加藥罐上設(shè)磁翻板液位儀，均用于檢測罐體內(nèi)液位。

2 設(shè)備選型

2.1上位機系統(tǒng)

監(jiān)控計算機選用研華工控機IPC-610系列，配21DELL顯示器。上位組態(tài)軟件選用西門子W1NCC7.0，一套開發(fā)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(tǒng)

PLC選用西門子S7-300系列產(chǎn)品，其中CPU模塊選用6ES7315-2AGl0-0AB0，電源模塊選用6ES7 307.1KA01-OAAO，以太網(wǎng)通訊模塊選用6GK7 343-1EX21-0XE0，接口模塊選用6ES7365-0BA01-0AA0，數(shù)字量輸入模塊選用6ES7 321-1BL01-OAAO，數(shù)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(shè)在廠區(qū)建筑物控制室內(nèi)，但均靠近工藝池體，周圍環(huán)境較差，因此柜體采用304不銹鋼材質(zhì)，在室內(nèi)防護等級也要求IP55，柜體不設(shè)散熱風(fēng)扇及百葉窗。PLC控制室內(nèi)設(shè)大功率空調(diào)，保證夏天PLC系統(tǒng)恒溫運行環(huán)境。

2.3儀表系統(tǒng)

儀表的品質(zhì)優(yōu)劣會關(guān)系到整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PLC系統(tǒng)根據(jù)儀表采集參數(shù)來確定設(shè)備開啟、調(diào)整設(shè)備運行時間，所以選擇性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精確的儀表至關(guān)重要，基本采用進口品牌產(chǎn)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(yù)處理系統(tǒng)，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(shù)。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(xiàn)場環(huán)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(tǒng)硬件設(shè)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(xiàn)比人工操作更加準(zhǔn)確的優(yōu)異性，減少設(shè)備故障及工藝事故的發(fā)生。

格柵根據(jù)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(jù)液位來確定開啟臺數(shù)，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(jù)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(diào)節(jié)池出水泵根據(jù)液位和流量確定開啟臺數(shù)并通過變頻來實現(xiàn)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(nèi)攪拌機均連續(xù)運行。氧化溝內(nèi)回流泵及攪拌機連續(xù)運行，鼓風(fēng)機根據(jù)DO儀所測溶解氧數(shù)值以及出口管路壓力來進行變頻控制，并確定開啟臺數(shù)，調(diào)整曝氣量。回流污泥泵根據(jù)進水流量，按比例回流，根據(jù)曝氣池的MLSS數(shù)值調(diào)整比例系數(shù)，在監(jiān)控管理計算機上可隨時調(diào)正設(shè)定值，確定泵的運行臺數(shù)。剩余污泥泵根據(jù)時間開停。污泥脫水系統(tǒng)可根據(jù)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(tǒng)根據(jù)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(shè)定的比例投加，并根據(jù)出水水質(zhì)信號，實時修正投藥量。

4 結(jié)束語

通過選擇先進的儀表、PLC及監(jiān)控計算機，結(jié)合光纖組成的以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，完整的組合了污水廠自控系統(tǒng)。該系統(tǒng)滿足改造后污水廠整體工藝運行要求，并適應(yīng)當(dāng)前惡劣環(huán)境，穩(wěn)定、高效、精確的保證了污水廠的日常生產(chǎn)。本系統(tǒng)自2012年投產(chǎn)以來，出水水質(zhì)較以前有很大改善，滿足國家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

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