DCS 控制系統在某污水處理廠中的應用

李波

（中鐵建發展集團有限公司北京水務分公司，北京 100043）

0 引言

自動控制系統在工業生產中已經得到廣泛應用，其中分散控制系統（distributed control system, DCS）和現場總線控制系統（fieldbus control system, FCS）在大型電廠和化工廠等流程行業中比較普遍，PLC 在離散型制造業中比較流行。一般污水處理廠中，使用PLC 的比較多[1]。但位于西北某市的X 大型污水處理廠采用了常規循環活性污泥工藝法（cyclic activated sludge system,CASS）對生活污水進行處理，最大處理量為5 萬t/d。鑒于其規模比較大，對生產穩定性的要求較高，故采用了冗余的DCS 系統，對全廠生產進行監控。從污水廠投產以來，這套DCS 系統表現穩定，有效提高了全廠生產的自動化水平，降低了人員數量和勞動強度。

1 污水工藝介紹

生活污水處理主要是居民日常排出的污水，主要包括清潔污水、排泄污水和廚房污水，廢水中包含脂肪、尿素、蛋白質和碳水廢物等，處理方法為預處理+生化處理，常見工藝有上流式厭氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket, UASB）、缺氧/好氧（Anoxic/Oxic,A/O）工藝、序批式活性污泥法工藝法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process, SBR）、CASS、生物濾池、膜生物流花床、活性污泥、水解酸化+好氧池、微電解法等處理工藝，將廢水中有機污染物氧化降解成無害物質[2]。CASS 工藝是在間歇式活性污泥法的基礎上改進而來，主要過程分成曝氣、沉淀、排水、閑置四個階段，周期循環進行。污水連續進入預反應區，經隔墻底部進入主反應區，在保證充足供養的條件下，在分解池中將有機物降解。具有占地較小、運轉費用低、技術成熟、工藝穩定的特點，具體有格柵井、CASS 池、鼓風機房、加藥間、儲泥池、脫水機房、分解消毒池組成[3]。其四階段細節如下。

（1）曝氣階段：邊進水邊曝氣，活性污泥從主反應區回流，回流量約為污水量的20%。曝氣裝置向反應池中充氧，既滿足好氧生物的需求，又利于有機物與活性污泥混合與接觸。

（2）沉淀階段：停止曝氣，澄清上清液和濃縮污泥，微生物利用溶解氧（dissolved oxygen, DO）進行氧化分解，反應池也由好氧狀態轉向缺氧狀態，開始進行硝化反應?；钚晕勰喑恋剿祝蠈铀兦?。

（3）排水階段：沉淀結束后，反應池末端潷水器開始工作，從上到下逐漸排出清水。潷水器是整個CASS 工藝的關鍵設備。

（4）閑置階段：閑置階段是潷水器上升到原始位置階段。主要目的是周期結束轉為下個周期，為反應池提供時間以完成它的整個周期。

2 DCS 控制介紹

2.1 DCS 系統的選型

該DCS 系統是新華控制的Nexus，細節如下：①共4 對分布式控制單元（distributed processing unit, DPU）電源柜和網絡柜一共8 個柜子，總點數在1200 點內?？刂七壿嫴粡碗s，基本以單體設備操作為主，有簡單的邏輯關系。②上位控制站的畫面組態色彩豐富，組態便捷，控制器邏輯由可視化的模塊搭建，模塊功能強大，邏輯實現方便，可在線修改邏輯。③包含一個遠程輸入輸出（input output, IO）控制柜，方便就地安裝，節省了電纜敷設距離[4]。④系統價格比較優惠，是這個系列產品在大型污水處理中的首次使用。

與常規PLC 控制方案比較，此DCS 控制系統具有更強大的功能和穩定性，在滿足實際生產需求的同時，價格也比較優惠。

2.2 Nexus DCS 系統的特點

Nexus 是新華控制最新一代的DCS 控制傳統，由高速實時數據網絡和連接在網絡上的人機交互計算機（man machine interface, MMI）與DPU 三部分組成。DPU面向被控制對象，進行快速數據輸入和輸出處理，以及閉環控制計算，完成報警檢測、接收操作指令和邏輯修改指令[5]。

MMI 包括操作員站（operation unit, OPU）、工程師站（engineer station, ENG）、歷史數據站（historian unit,HSU）。面向操作員以流程圖、棒狀圖、曲線、表格、按鈕等方式提供數據，解釋操作指令并送到DPU 中進行執行。

Nexus 控制系統采用兩級網絡模式，包括連接全局的UDH 全局高速工業以太網和IO 總線，中央集控室設置3 臺操作員站，機房有7 個控制柜，包括電源柜、網絡柜以及5 個控制柜，在現場電氣配電間有1 個遠程IO 柜。

通過現場控制、集中監視的方式來實現信息的傳遞和交互，在現場實現了提升泵、CASS 池、鼓風機房、加藥間、儲泥池、脫水機房、分解消毒池的控制，控制范圍包括電氣設備的啟停及保護、生產參數監控等[6]。信息監控主要以集控室為主，實現了操作員站與大屏幕顯示信息的聯通與互動。

2.3 DCS 系統配置及構成

Nexus 系統具有冗余容錯的系統架構，包括冗余的網絡，冗余的控制器，冗余的電源，冗余的IO 總線；靈活分散的系統布置，強大的現場總線，先進的優化控制算法。其中，總體網絡結構如圖1 所示。

圖1 總體網絡結構

冗余高速全局網絡：包括A 網和B 網兩個冗余的實時以太網，將DPU 各控制器和MMI 站（包括操作員站、工程師站和歷史站）連接起來，網速為100/1000M自適應；A/B 兩個網絡同時工作，同步傳輸數據，當其中一個網絡發生故障后，系統會進行報警提示，同時不影響另一個網絡的安全運行。冗余DPU 控制器：所有控制器成對出現，互為備用，任何一個時間，其中一個為主控制器，另一個為備用控制器，兩個控制器同時接收網絡數據和操作指令，但同一時間，只執行其中的一個指令，當主控制器故障時，將備用控制器自動切換成主控制器。冗余電源則是在每個機柜同時輸入兩路220V 交流電源，同時機柜內安裝有兩套5V 和24V 的直流電源，冗余的電源間互為備用，當其中一路缺電或故障時，系統報警，但不影響系統使用。冗余IO 總線如圖2所示，每對控制器下可以掛多個工作站，A/B 控制器與工作站間的IO 模塊通信也是冗余的，通信接口的單一故障不影響系統通信[7]。

圖2 OC 6000e Nexus IO 通信系統

#1DPU 冗余控制單元主要負責控制范圍包括污水格柵井、提升泵、污水沉砂池、#1CASS 池、#2CASS 池、#3CASS 池、#4CASS 池等所有主要設備、附屬設備，以及各種測量參數。#2DPU 冗余控制單元主要負責控制范圍包括鼓風機房、污水儲泥池、流量井流量測量裝置、接觸消毒池等所有的主要設備和附屬設備，以及各種測量參數等。#3DPU 冗余控制單元主要負責控制范圍包括加藥間的電磁閥、隔膜泵、攪拌器、氣動門、電動執行機構，以及電流、電壓等測量參數[8]。遠程IO 站，實現遠離主控系統的所有外圍設備的監控。

3 DCS 系統軟件

DCS 軟件主要包括上位MMI 畫面組態軟件、DPU邏輯控制軟件，以及安全監控軟件。

3.1 邏輯控制軟件

圖形化邏輯工具SystCFG，具有豐富的控制算法庫（基本控制/高級控制/診斷），具有如下特點：①在線、自動維護系統數據庫；②增強的安全功能-邏輯加鎖、口令保護；③在線組態/調試，無須編譯/重啟控制器；④支持虛擬控制器及IO 通道仿真。

3.2 操作員軟件和趨勢顯示工具

過程控制畫面顯示工具FigView，具有人機工程學設計的過程顯示元素，結構化的流程框圖設計及菜單系統，優化設計的設備操作面板，豐富的過程狀態信息及操作指導。

趨勢顯示工具Trend，具有歷史、實時顯示能無縫銜接，多光標截取，可隨時隱藏或顯示選中的曲線，并且具有趨勢導出功能。

3.3 歷史收集及報表

Nexus 系統歷史收集功能強大，無點數的限制，將1000 多外接入的信號和系統中的中間信號點共計2500 多都成功收集；主要特點及功能：①可定義的采集死區和周期，有效控制數據采集量。②可選擇抽取、生成數據文本文件。③快速、高保真壓縮存儲，滿足長時間歷史數據收集需求。④支持周期性、事件型、觸發型等多種報表工具。⑤數據存儲功能，對生產過程中重要設備的工藝參數、設備狀態等進行儲存，需要時能及時調取查看。⑥操作記錄，對生產過程中操作人員的操作指令實時記錄，如調節設備操作，電機的啟停操作等等，并且支持實時按節點或設備查找及篩選[9]。⑦歷史數據記錄及展示，對所有保存記錄的歷史數據，支持以曲線或數據的方式展示或導出。⑧密碼保護，各操作員站、歷史站、工程師站、DPU 控制器等都有密碼設置，需要輸入密碼后才能獲得相應的權限。⑨打印功能，曲線打印、報表打印、圖形打印、操作記錄打印。

4 系統使用情況

該工程于2016 年3 月份運行以來，DCS 系統運行穩定無故障情況，此系統在污水廠的有效落地使用，大幅提升了全廠自動化水平，實現了操作遠程化，控制集中化，全廠所有的設備和生產過程在一個系統中得以全部監控，有效支撐了生產的持續性和高負荷。并且Nexus 系統上手方便，操作人員及工程技術人員無須經過復雜長期的培訓，即可勝任崗位。該污水廠生產以及工藝水平得到了各級領導部門的良好的評價。

5 結語

常規PLC 控制算法簡單，性價比高，污水生產工藝的要求不高，因此在污水處理廠中得到了廣泛應用。隨著污水處理廠的規模越來越大，工藝要求越來越高，對系統的穩定性和控制邏輯的完備性也提出了更高的要求，DCS 作為做成熟的，面向復雜流程的控制系統，網絡、控制器、電源等往往都采用一備一用的冗余技術，來保證控制的高效實時和系統穩定性。DCS 的這些特點，很好的契合了大型污水處理廠的自動化需求，同時工程造價相比PLC 也不貴，具有良好的應用前景。