污水處理廠自動化系統改造工程與實效評價
——云南景洪污水處理廠實例

韓詠梅 楊增華

（1.昆明維恒升自控技術有限公司，云南 昆明 650105；2.昆明科瑞琦科技有限公司，云南 昆明 650105）

0 引言

云南水務投資股份有限公司下屬的云南景洪江南污水處理廠，廠區地處熱帶地區，高溫多雨的特殊氣候條件，鼠患、蟲患情況較為嚴重。原設計對熱帶地區特殊情況考慮不周全，沒有設計專項設備保護措施，加之運行中維護保養不到位，導致設備生銹，老鼠啃咬電纜破裂短路，部分電路板爬滿昆蟲，設備故障非常頻繁。廠區自控系統分二期建設，建成時間較早，由于故障多發，已基本處于停運狀態。為了保證污水處理廠的正常運行，提高污水處理廠的運維管理水平，節能增效，需要進行自動化系統改造。

1 云南景洪江南污水處理廠自控系統情況

云南景洪江南污水處理廠是早期建成的污水處理廠，設計日處理量5 萬t。主工藝采用CASS 生化處理。該污水處理廠分二期建設，建成投產數十年。現在部分設備和線路老化，經常出現故障；一期、二期建設的自控系統分開設置，缺乏統一協調，控制范圍覆蓋不全，控制功能不完善，數據讀取不全，運行管理較亂，不能達到環保督查要求，急需進行提標改造。在改造實施前，全面摸底檢查污水處理廠自控系統情況。PLC 為西門子品牌，有S7-200、S7-300、S7-400多種系列。網絡結構是星型網絡連接，各PLC 主站通過光纖連接到中控室交換機，中控室計算機通過交換機與各PLC 主站連接。PLC 主站與子站之間，采用Profibus DP 總線連接。一期建設的自控系統控制站包括主站PLC1（S7-300），子站PLC11（S7-300）、PLC12（S7-200）、PLC13（S7-200），由一臺中控室計算機控制。二期建設的自控系統控制站包括主站PLC2（S7-400），子站PLC21（S7-300）、PLC22（S7-300）、P23LC（S7-200）；主站PLC3（S7-300），由1 臺中控室計算機控制，配一臺報表計算機。由于一期和二期自控系統相互獨立，現場設備和線路故障多；操作人員基本憑經驗現場手動操作。現場數據采集不全，數據不準確；設備無法遠程控制，設備運行狀態沒有監控；報表計算機停用。這些情況，影響了該污水處理廠的運行效率，管理工作困難較多。改造目標是將分期建設的自控系統整合成一個系統，消除現場故障，實現遠程控制，消除暴雨期間人員現場操作；通過設置合理參數，實現污水處理廠自動運行，提高全廠的運行管理水平。

2 自控系統改造總體方案

通過現場考察和協商，針對現場存在的問題，兼顧節約改造費用，確定了自動化改造的總體方案：不改變現有的網絡結構和現場控制站的進線結構；邊生產邊改造，不因改造停產[1]；更換、維修老化故障設備；室外控制箱增加防雨棚，或換室外為不銹鋼箱；用防火泥封堵線槽和控制柜底，防止老鼠進入；用玻璃膠封堵室內自控設備小孔，防止昆蟲進入；修理PLC 柜散熱風扇，保證散熱；增加新的數采控制設備，完善數據采集和控制功能；修改程序，重做監控畫面，新建報表趨勢圖；建立全廠統一監測和控制系統，中控室2 臺計算機設置為冗余，互為熱備；報表計算機，顯示一期、二期的全部數據報表；實現全廠自動化運行。

2.1 自動化系統改造內容

2.1.1 實現網絡通信的穩定

原自控系統通信經常中斷。經過檢查診斷，確認通信光纖沒有損壞，現場PLC1 柜內交換機的運行狀態不穩定，其尾纖插頭連接不穩；中控室交換機經常死機。找到故障點后，更換有問題的交換機，重新穩定連接尾纖插頭，實現系統網絡通信正常。

2.1.2 完善數據采集

2.1.2.1 主要設備的運行監測數據讀取和控制

2.1.2.1.1 5臺鼓風機，5臺提升泵

在配電柜中增加電流互感器和電流變送器，設備的電流值通過PLC 讀取，上傳計算機顯示；設備運行狀態，PLC讀取并上傳計算機；由PLC 通過程序計算，獲得這10 臺設備的單次運行時間、累計運行時間，在計算機上顯示，并依據設定，控制均衡設備運行時間；設備配套的10 臺變頻器，其頻率給定值和反饋值，能準確上傳下達。

2.1.2.1.2 2臺污泥脫水機

在控制柜中增加電流互感器和電流變送器，把設備的電流值上傳中控計算機；PLC 讀取設備運行狀態值，通過程序計算，在中控計算機顯示單次運行時間、累積運行時間。

2.1.2.1.3 紫外線消毒設備

在控制柜中增加一塊西門子CP243-1 以太網通信模塊，使其與主站通信，在中控計算機顯示消毒設備狀態及累計運行時間。

2.1.2.2 主要工藝參數的數據讀取

增加7 臺進、出水流量計的中控計算機累積流量顯示。原來PLC 讀取瞬時流量，再經過程序計算得到流量累計值，每0.1s 讀取一次瞬時流量，隨著時間不斷累加，得到流量累計值，但是0.1s 時間不夠精確，造成中控計算機與現場儀表累計流量值顯示差異較大。現改用儀表脈沖信號輸入PLC，儀表每10m3流量累計值發送一個脈沖信號給PLC，程序進行累積計算，得到的流量累計值與現場儀表顯示值相同。重新施放脈沖信號電纜，調校儀表，在中控計算機準確顯示每臺流量計的瞬時和累計流量，突出顯示全廠總進水流量和出水流量。

2.1.3 恢復設備遠程操控功能

現場設備不能在中控計算機遠程操控，操作人員需要到現場手動。在PLC 上對故障點位一一核對，對全廠有故障的電動閥、水泵、攪拌器、風機，逐一進行線路檢查，更換破損電纜；檢查現場電控箱，更換故障元件，箱內重新布線；現場故障點問題排除后，修改上下位程序，重新調試，實現這些設備的遠程操作，現場手動操作功能保留。重點核對了脫水機房PLC 控制站點位，對于缺失的狀態反饋和控制輸出點，施放電纜，接入PLC 備用通道，再進行組態、編程，實現脫水機遠程監控。

2.1.4 恢復CASS生化池自動控制功能

CASS 生化池的正常運行，是污水處理廠處理污水的關鍵，是本次自動化改造的重點和難點。主要做了以下幾個部分的修復。

2.1.4.1 潷水器不平衡修復

每套潷水設備帶二個潷水器，二者不平衡。潷水器下降潷水時，出現一個已經在潷水，另一個還沒有接觸水面，機械連接部分受力不均易損壞，出水帶渣，潷水速度慢。需操作人員到現場，人工操作潷水器下降潷水，潷水器不能投入自動運行。廠方請專業公司重做潷水器連接桿，調整連接桿長度，修復了潷水器不平衡問題。潷水器不平衡原來情況，如圖1 所示。

圖1 潷水器不平衡

2.1.4.2 CASS生化池液位計校準

CASS 生化池液位值，是自動啟動、停止潷水器的運行重要條件。水池液位檢測不準，無法準確判斷潷水器距離水面高度，潷水器就不能投入自動運行。原來靠操作人員經驗判斷，人工啟動、停止潷水器。逐一校準了各CASS 生化池的超聲波液位計。

2.1.4.3 修復潷水器現場控制箱和配套元件

潷水器現場控制箱，元件和線路老化，以前維修時，為了排除故障，多次改線，箱內線路混亂，連接不穩，潷水器的操控經常失效。潷水器上、下行程開關失效。行程開關是重要的物理保護裝置，可以避免潷水器上、下行程超過限位，發生潷水器拉脫或沖頂事故。潷水器現場控制箱原來情況，如圖2 所示。更換故障箱內電氣元件；更換潷水器上、下行程開關；重新整理和布線現場控制箱。

圖2 潷水器現場控制箱線路混亂

2.1.4.4 恢復CASS生化池公用設備控制

原來系統中1#～5#鼓風機，對應為1#～8#CASS 生化池進行曝氣提供氣源。這些鼓風機一直運行，靠進氣閥的切換，對各CASS 生化池分別曝氣。當進氣閥無法控制，將出現曝氣失控，出現有的CASS 生化池曝氣階段不能曝氣，而有的在靜置階段有空氣進入，導致CASS 生化池不能正常運行。排除鼓風機、進氣閥的控制故障，更換損壞的接觸器輔助觸點，閥門開關到位行程開關，保證閥門的有效控制。

2.1.4.5 CASS生化池自動運行

據工藝設計，每個CASS 生化池的運行周期有時間限制，曝氣時間、潷水時間都有相應要求。如果生化池液位低于設定高度，潷水器開始下降潷水，則潷水器下降空行程過長，需較長時間潷水器才能接觸到水面，按潷水行程時間規定，潷水器在水面停留時間較短，出水量會減少，污水處理量降低。如果生化池液位超過設定高度，潷水器下降潷水，則潷水器過早接觸水面，為了在規定時間內完成潷水行程，潷水器會淹沒在水下，機械連接部分承受增加更多阻力，易損壞，且出水帶渣，出水水質不達標。與操作人員充分溝通后，重新編制程序。將CASS 生化池上的超聲波液位計信號作為控制條件，高液位啟動潷水器，控制潷水器的下行速度，空行程快速下行，潷水時較慢速度下行；低液位停機，當潷水到低液位時，潷水器停止下行，停留至設定時間后，自動上行返回。連接現場行程開關，作為潷水器硬聯鎖保護停機，做軟聯鎖保護，程序設置增加高高、低低液位聯鎖停機，軟件、硬件雙保險聯鎖控制，確保潷水器運行安全。鼓風機、進氣閥、污泥回流泵，全部參與CASS 生化池系統的聯鎖控制。根據八個水池的設備情況，設置不同的運行時間和參數，分別聯機調試，實現全自動運行。污水處理廠最重要的CASS生化處理系統，實現了全自動運行。

2.1.5 恢復進水系統的自動化運行

該廠有5 臺進水提升泵，3 臺大功率泵，2 臺小功率泵。原來全部由人工操作控制進水量，操作人員根據現場視頻圖像，觀察進水水池液位，憑經驗啟、停止提升泵。修復了進水水池液位計，在中控計算機顯示液位，重新編制程序。高液位啟動大功率進水泵，運行一段時間后，出水量小，水池液位下降不能達到設定值，再依次啟動其他小功率水泵。液位降到設定低位，依次停泵。5 臺水泵，可單獨人工啟、停，也可以全自動運行。水泵各自有運行累計時間，先啟動的泵，先停止運行，水泵均衡運行時間，實現了進水系統自動運行。

2.1.6 恢復粗、細格柵系統的自動化運行

排除現場故障，恢復粗、細格柵遠程手動的功能；增加皮帶運輸機與粗、細格柵聯鎖；以格柵前后液位差為條件，液位差達到設定高值，格柵機啟動運行，據設定時間，皮帶運輸機啟動，運送垃圾到收集桶。液位差值到設定低值，格柵機停止運行，據設定時間，皮帶運輸機延后停止運行，保證皮帶機上沒有垃圾堆積。實現了格柵系統自動控制運行。

2.1.7 完善中控室計算機系統

中控室計算機系統，做成全廠統一的控制中心。全廠一期、二期的PLC，全部通過中控室的交換機，與中控室計算機通信。原有的3 臺計算機，其中2 臺做成冗余，互為備用，監控功能相同；另外一臺計算機，作為數據報表顯示監測使用。重做上位計算機操控監測畫面，顯示水質參數、工藝過程參數、設備運行狀態；設置監測數據趨勢圖、數據報表、報警界面；設置人性化的操作界面，操作人員可以根據工藝運行情況，遠程操控設備，也可在參數設置界面，設置運行參數，系統投入自動運行。重新制作組態的工藝流程圖、上位監控界面、操作界面。改造后自控系統結構圖，如圖3 所示。本次改造完成后，幫助廠方消除了一個嚴重的安全隱患，原來自控系統不能正常使用，操作人員需到現場操作。景洪屬熱帶氣候，時常暴雨傾盆，操作人員到CASS生化池走道上操作設備，有滑倒落水的危險，也有雷擊的危險，現在只需在中控室計算機上進行操作即可。改造完成后，協助廠方制定了操作維護規程，對全體人員做了技術和安全培訓。

圖3 自控系統結構圖

3 自動化系統改造經驗總結

景洪江南污水處理廠建成時間較早，項目分期建成，中間經過多次改造，設備線路老化，資料圖紙不全，電纜管線走向不清，設備品牌多樣。這是一次非常艱難的改造，憑借多年的污水處理廠工程經驗，克服困難，一步步解決了問題。

3.1 綜合改造經驗

前期充分調查，確定適用的方案，改造實施中不斷調整，是改造成功的關鍵。1）了解熟悉廠區設備情況，網上查找設備圖紙資料，向原設備供應商索取資料，分析故障原因，確定解決方案[2]。2）與廠方技術人員充分溝通，了解設備運行情況，該廠工藝運行特點，確定程序修改方案。3）與廠方操作人員交流，了解操作流程，操作習慣，確定操作界面和畫面顯示方案。4）與廠方管理人員交流，了解運營需求，設置合理報表顯示，設定運行維護規程。5）根據熱帶地區特點，防鼠、防蟲、防潮濕、防高溫，采取封堵、散熱、防銹處理。

3.2 上位計算機程序修改方面經驗

充分了解廠方需求，了解工藝運行規律，熟練運用上位軟件，實現自動化監控目標。1）上位運行畫面中，要調用項目外的另外一個程序，用ProgramExecute 函數來實現較方便。2）組態王中建立進、出水水質日報表，以分鐘為單位定時存儲歷史數據[3]。日報表每小時填充一次數值，把分鐘單位記錄的歷史數據，用GetHistAveData 取平均值得到填入，日報表數據較為準確。3）報表查詢數據時需用到標準日歷控件Microsoft Date and Time Picker Control 6.0，再用控件屬性CloseUp1 在命令語言編輯框中編寫腳本程序對選擇的日期進行處理[4]。4）組態王建立報表時，要注意判斷查詢時間，等于和小于當前時間2 種情況，避免出現查詢報表時未到的日期出現數據的情況。

4 結語

經過3 個月的艱苦工作，綜合應用電氣、儀表、自動化、計算機軟件等專業知識，根據長期的污水處理廠工程經驗，結合廠方的運行管理需求，分析廠方日常操作運行記錄，按照設定的改造原則、改造目標，在實施中，根據不斷出現的新問題，及時調整方案，改造過程精細管理，現場施工人員與公司后方支持協調運作，改造工作與生產同步進行，按廠方生產安排，合理安排停機、改造、調試時間。

自動化改造順利完成，該污水處理廠實現了自控系統集中統一監控運行，各項指標符合國家標準，改造達到了預期效果。