污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施中應(yīng)注意的問(wèn)題

蘇 煒 岑 明 臧賓幫 張 彬

（1、山東博控機(jī)電有限公司，山東 濟(jì)南250100 2、濟(jì)南市知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心，山東 濟(jì)南250002）

在現(xiàn)代的污水處理系統(tǒng)中，自控系統(tǒng)正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著電子信息技術(shù)的進(jìn)步，污水處理工藝對(duì)于控制系統(tǒng)的依賴性也越來(lái)越大。由于污水處理的工藝特點(diǎn)，決定了其生化反應(yīng)的過(guò)程并不是一個(gè)精確的系統(tǒng)，因此在污水廠的自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)施中需要根據(jù)這些特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

一般的污水廠自控系統(tǒng)圖如圖所示。

工控機(jī)（工程師站或操作員站）可以監(jiān)控各站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)工控機(jī)發(fā)生故障或關(guān)閉時(shí)，各站點(diǎn)仍然可以按照設(shè)定的工作模式自動(dòng)保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保系統(tǒng)的高可靠性。同時(shí)，工控機(jī)之間也互為冗余。

運(yùn)行模式及工作狀態(tài)的選擇和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置既可以在主控室內(nèi)用工控機(jī)操作又可以在現(xiàn)場(chǎng)用各站點(diǎn)的觸摸屏操作。在現(xiàn)場(chǎng)的操作柜上設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕，可以實(shí)現(xiàn)所有控制點(diǎn)的手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行。（注：手動(dòng)和自動(dòng)應(yīng)當(dāng)是兩套相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)）。

為保證系統(tǒng)免遭過(guò)電壓侵害，所有來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的I/O 信號(hào)均要通過(guò)信號(hào)繼電器的隔離，所有遠(yuǎn)程模擬量均通過(guò)隔離裝置與系統(tǒng)接口，徹底保證在遭遇雷擊等過(guò)電壓情況下的系統(tǒng)安全。

針對(duì)于污水廠自控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，擁有著眾多類型的傳感器，其中具有代表性的有壓力計(jì)、流量計(jì)、ORP 儀、液位傳感器、COD 傳感器、DO 傳感器、pH 傳感器以及溫度傳感器等。為了獲得準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)作為工藝的控制參數(shù)，一些重要的傳感器（如：pH、DO（溶解氧）、流量計(jì)等）數(shù)據(jù)上傳通過(guò)通訊接口進(jìn)行，控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表的接口是通過(guò)這些智能接口來(lái)完成的，在此背景下運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)傳輸系統(tǒng)中重要的工藝參數(shù)儀表信號(hào)，這種傳輸模式不但有助于促進(jìn)信號(hào)傳輸精度的提升，而且還擁有減少電纜敷設(shè)、增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制靈活性以及易于擴(kuò)展與維護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)。

眾所周知，污水擁有腐蝕性，并且其成分是相對(duì)復(fù)雜的，因此運(yùn)用超聲波液位計(jì)來(lái)對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量是非常有必要的，不但可以有效的避免液位計(jì)與污水接觸，而且具有反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，直接輸送到PLC，將COD、pH 等傳感器分別安裝在出水總管與進(jìn)水總管，然后根據(jù)傳感器所收集得到的出水參數(shù)來(lái)對(duì)工藝的整體運(yùn)行效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)進(jìn)水參數(shù)來(lái)控制生化反應(yīng)，并可通過(guò)環(huán)保部門(mén)提供的的GPRS 等設(shè)備上傳至環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)。

同時(shí)，將ORP 計(jì)安裝在反應(yīng)池的厭氧區(qū)，進(jìn)而來(lái)對(duì)該區(qū)域的氧化還原電位進(jìn)行測(cè)量，可以將生物硝化脫氮的實(shí)際狀況呈現(xiàn)出來(lái)，并作出是否需要從好氧區(qū)進(jìn)行回流污泥的判斷。另外，為了能夠控制好氧池的曝氣量，還需要安裝DO 傳感器，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的溶解氧含量進(jìn)水水量等綜合因素決定羅茨風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及運(yùn)行頻率，從而控制曝氣量。在滿足工藝要求的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2 控制軟件設(shè)計(jì)

由于污水處理過(guò)程控制的復(fù)雜性，因此需要不斷的對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整理與歸納，在此基礎(chǔ)上來(lái)選擇更加合理、科學(xué)的控制方式。具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)基本上被認(rèn)為是不適合污水處理系統(tǒng)的控制的，一般均是人為的根據(jù)不同季節(jié)、不同的水情，固定一個(gè)運(yùn)行方式。因而，目前大部分的控制系統(tǒng)僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程遙控和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的靈魂，優(yōu)良的控制軟件不僅使系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行可靠，極大地減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，而且它還應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)情況的變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，而不應(yīng)當(dāng)僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程遙控和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)（這當(dāng)然應(yīng)當(dāng)是自控系統(tǒng)所應(yīng)當(dāng)具有的基本功能）。有鑒于此，我們集中優(yōu)勢(shì)力量結(jié)合工藝和控制兩方面的要求，在總結(jié)、分析大量工程實(shí)例及數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了具有智能配方功能的污水處理模糊控制思路，以此指導(dǎo)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，擺脫了污水處理廠的自控就是“遠(yuǎn)程遙控”的初級(jí)概念，使污水處理的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)控制得以成為真正意義上的自動(dòng)化系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)分為上位組態(tài)軟件和下位控制軟件兩大部分。

2.1 上位組態(tài)軟件性能

（1）數(shù)據(jù)管理。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)分析數(shù)據(jù)的方式得到一定的結(jié)論。另外，員工可定期將數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌鎯?chǔ)介質(zhì)，這對(duì)于促進(jìn)查詢歷史數(shù)據(jù)的便利性提高有著重要的意義。綜合的、全面的分析與對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到部分有價(jià)值的觀點(diǎn)與結(jié)論。

（2）實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示功能。將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行工況運(yùn)用圖形的方式實(shí)時(shí)的展現(xiàn)出來(lái)，并借助于曲線圖、趨勢(shì)圖、模擬儀表等多種方式呈現(xiàn)出設(shè)備的變化狀況，在此背景下生產(chǎn)管理人員可以實(shí)施的掌握與把控系統(tǒng)的具體運(yùn)行狀況。

（3）友好的人機(jī)界面，操作與控制方便。相關(guān)人員可在中心控制室來(lái)實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)中的各種設(shè)備，例如在線對(duì)PLC 中程序的部分工藝參數(shù)進(jìn)行配置、對(duì)設(shè)備的啟動(dòng)與暫?？刂频取?/p>

（4）報(bào)警功能。在系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，假如出現(xiàn)故障或者參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)范圍等問(wèn)題時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，例如打印機(jī)輸出報(bào)警信息、屏幕顯示報(bào)警信息等，此時(shí)管理人員可根據(jù)報(bào)警信息來(lái)做出相應(yīng)的措施。另外，報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)存儲(chǔ)全部的報(bào)警信息，主要用于事故分析，以避免事故的再次出現(xiàn)。

（5）報(bào)表打印功能。打印方式是由事件觸發(fā)打印、定時(shí)打印兩種類型構(gòu)成的，可進(jìn)行報(bào)警實(shí)時(shí)打印、事件打印、圖形與報(bào)表打印。

2.2 控制軟件的編程注意事項(xiàng)

控制軟件想要達(dá)到理想的狀態(tài)，除了需要保障工藝符合相關(guān)需求外，同時(shí)還應(yīng)該考慮到現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的各種類型情況，做到易修改、實(shí)用、可靠。

對(duì)于污水廠來(lái)說(shuō)，生化處理工藝流程控制是其自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，其主要控制規(guī)律：

污水處理工藝傳統(tǒng)的主要控制量為：MLSS 的PID 調(diào)節(jié)（回流比）、DO 值的PID 調(diào)節(jié)（進(jìn)氣量），全部都是對(duì)單一參數(shù)的單一對(duì)象控制。但是需注意的是，污水處理過(guò)程中包含著大量的參數(shù)，并且其滯后量是非常大的，因此想要憑借某個(gè)具體參數(shù)來(lái)控制整個(gè)污水處理過(guò)程是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。具體來(lái)說(shuō)，污流回流系統(tǒng)控制、生物池的曝氣系統(tǒng)控制都是尤為復(fù)雜的，意味著獨(dú)立的單一閉環(huán)控制方法是不可行的。近年來(lái)，在控制技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，再加上污水處理廠在運(yùn)行期間積累了規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)，因此模糊控制方式得到了廣泛的關(guān)注。

在實(shí)際操作期間，根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)與模糊控制方式，在此基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)專家數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建，并由計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)控制方案進(jìn)行制定，這種模式不但有助于實(shí)現(xiàn)工作量的減輕，而且還可保障出水水質(zhì)。與此同時(shí)，在減少能源消耗、提高設(shè)備運(yùn)行效率方面也會(huì)取得顯著的效果。

針對(duì)于軟件編程來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是根據(jù)生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況來(lái)對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行制定。需要根據(jù)進(jìn)水的水質(zhì)變化情況，來(lái)選擇與調(diào)節(jié)控制方法。由上位機(jī)設(shè)定沉淀時(shí)間、曝氣量、進(jìn)水流量、剩余污泥排泥間隔、濾池反洗間隔等參數(shù)。需根據(jù)預(yù)設(shè)值來(lái)控制生化反應(yīng)池的各段工藝執(zhí)行情況與時(shí)間，并可運(yùn)用電氣柜上的手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)設(shè)備狀態(tài)更改，但是預(yù)設(shè)值不可改變。在自動(dòng)狀態(tài)下，也能夠在中心控制室來(lái)遠(yuǎn)程操控。另外，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)均送上位機(jī)顯示。

在編制控制程序的過(guò)程中，需要將以下幾個(gè)問(wèn)題放在首位：

（1）編程軟件可監(jiān)視各個(gè)元件的狀態(tài)，并運(yùn)用顯示器呈現(xiàn)出來(lái)；（2）全部程控邏輯都在可編程控制器內(nèi)完成，且不需運(yùn)用硬接線；（3）全部邏輯程序與整定參數(shù)存儲(chǔ)在可編程序控制器的掉電保持存儲(chǔ)器內(nèi)，系統(tǒng)故障或失電恢復(fù)后無(wú)需對(duì)程序進(jìn)行重新裝載；（4）系統(tǒng)可輕松的程序段修改地址、增加與刪除元件、修改程序等；（5）注意編程的規(guī)范性和程序的擴(kuò)展性。

綜上所述，污水處理廠的自控系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中不僅需要緊密結(jié)合工藝流程，還需要對(duì)整個(gè)生化反應(yīng)系統(tǒng)有全面的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠、操作方便、出水達(dá)標(biāo)。

隨著智慧水務(wù)以及節(jié)能減排降耗等在污水處理行業(yè)的深入推廣，污水廠自控系統(tǒng)作為其核心基礎(chǔ)也必將會(huì)提出更高的要求。