污水处理厂自控系统的设计方案

污水处理厂自控系统的设计方案污水处理厂自控系统是整个污水处理工程重要组成部分，其设计好坏与控制设备选择是否适当，关系着自控系统性价比高低对以后整个污水处理厂运行维护难易有着重要影响。笔者以某市污水处理厂这个实际工程为例，对污水处理厂自控系统设计进行详细阐述。一、污水处理厂概况该污水处理厂位于市中区，为日处理能力为5万吨/天污水处理厂，出水排入黄海，水质达到国家一级排放标准。本工程采用水解－AICS处理工艺。其具体流程为：污水首先分别粗格栅去除粗大杂物，接着污水进入泵房及集水井，经泵提升后流经细格栅和沉砂池，然后进入水解池，。水解池出水自流入AICS进行好氧处理，出水达标提升排入黄海。AICS反应器为改进SBR一种。其工艺流程如下图1所示：污水处理厂处理工艺流程二、污水处理厂自控系统设计原则从污水处理厂工艺流程可以看出，该厂主要工艺AICS反应器是改进SBR一种，需要周期运行，AICS反应器进水方向调整、厌氧好氧状态交替、沉淀反应状态轮换都有电动设备支持，大量电动设备开关都需要自控系统来完成，自控系统对整个周期正确运行操作至关重要。好氧系统作为整个污水处理工艺能量消耗大户，它自控系统优化程度越高，整个污水处理工艺运行费用也会越低，这也说明了自控系统整个处理工艺中重要性。保证污水厂生产稳定和高效，减轻劳动强度，改善操作环境，同时提高污水厂现代化生产管理水平，充分考虑本污水处理工艺特性基础上，将建设现代化污水处理厂理念融入到自控系统设计当中，本自控系统设计遵循以下原则：先进合理、安全可靠、经济实惠、开放灵活。三、自控系统构建污水处理厂自控系统是由现场仪表和执行机构、信号采集控制和人机界面（监控）设备三部分组成。自控系统构建主指三部分系统形式和设备选择。本执行机构主工艺要求由工艺专业确定，预留自控系统接口，仪表选择将后面部分进行描述。信号采集控制部分主要包括基本控制系统选择以及系统确定后控制设备和必须通讯网络选择。人机界面主指中控室和现场值班室监视设备选择。1、基本系统选择目前用于污水处理厂自控系统基本形式主要有三种DCS系统、现场总线系统和基于PC控制系统。从规模来看三种系统所适用规模是不同。DCS系统和现场总线系统一般适用于控制点比较多厂区规模比较大系统，基于PC控制则用于小型控制点比较集中控制系统。基于PC控制系统属于高度集成控制系统，其人机界面和信号采集控制可能都处于同一个机器内，受机器性能和容量限制，本工程厂区比较大，控制点较多，采用基于PC控制系统是不太合适。DCS系统适用于模拟量多，闭环控制多系统。而现场总线系统主要优势是适用用于控制点相当较少特别分散系统。从施工和维护角度来看，传统DCS系统布线工作量要远远大于现场总线系统。此外，现场总线系统与DCS系统相比，还有最为重要一点是开发性好，扩展方便。本工程控制点700点左右，模拟量只占20％左右，属于规模比较小类型，这些控制点是以工艺处理单元为界线分散厂区各处，本工程采用现场总线作为基本控制系统。2、通讯网络选择现场总线系统最主要特点就是依赖网络通讯，分散控制和信号采集，最大程度减少布线，节省安装和维护费用。现场总线主指从现场控制器或IO模块到监控系统通讯网络。目前现场总线，通讯协议不同可以分为很多种，比如，ProfiBus、CAN、ControlNet、DeviceNetFFLon总线等。目前现场总线技术还没有统一标准，各自功能特点基本一致，本工程设计时选用中小型控制系统应用非常广泛ProfiBus总线。其性价比较高，且国内推广时间长，稳定性较高。ProfiBus总线有三种形式DP、PA和FMS。PA总线是与智能仪表结合一起安全性非常高一种ProfiBus总线形式，造价比较高，常用于石油化工冶金等行业；FMS总线适用于大范围和复杂通讯系统，旨解决通用性通讯任务，传速速度中等；DP总线是用于传感器和执行器级高速数据传速网络，不需要智能仪表配合，安全性略低于PA总线。本工程是污水处理工程，对通讯安全性要求并不太高，通信任务比较简单，对系统传输速度有一定要求。本工程采用ProfiBUS－DP网络，即用西门子S7系列PLC搭建整个系统。总线采用普通双绞作为传输介质，通讯速率可以达到12MBP。3、现场站设备配置选择ProfiBus－DP网络来说提供了一个从现场到监控层信息通道，但信号采集和执行命令下达仍然需要由控制器和现场IO模块组成站来完成。ProfiBus－DP网络是一种主从站网络结构。整个网络上最多可以有128个从站，但一个作为主站，所有通讯事务都由主站来管理。主站必须要有控制器（CPU），同时也可以安装IO采集模块。从站有两种方式：CPU＋IO模块和通讯模块＋IO模块。第一种方式每个从站都由CPU，每个站控制事务都由本站完成，与主站之间通讯量比较少。第二种方式是所有从站都没有CPU，所有控制事务都由主站CPU来完成，总线网络把命令结果传输到从站完成，从站远程IO。前述这两种从站组成方式各有自己特点。第一种方式，控制比较分散，通讯事务较小，对网络依赖不强，但每个站都有CPU，造价高。第二种方式，控制集中，控制事务对网络依赖性强，需要可靠网络来支撑，同时对主站CPU性能要求高，软件编程和调试方面具有很大优势。这两种方式对工程现场安装布线施工影响比较少。本工程控制点规模施工调试工期比较短，选用了性价比比较高第二种方式作为从站组成方式即由西门子IM153通讯模块和S7300系列IO模块组成，主战CPU选用S7315-2DP系列。4、人机界面设备选择人机界面设备是直接与操作管理人员进行交流监控视备，一般由两部分组成，即现场监视设备和中控室监视设备。现场监视设备可以是PC机或是触摸屏，中控室监视设备一般由工控机、模拟屏或投影仪等组成。监视设备应兼顾投资情况下，保证操作管理人员可以对整个污水处理厂全面直观监视与控制。现场监视设备一般比较重要单元或控制事务比较大从站中设置，操作人员及时对现场情况进行处理。本工程从站规模比较少，厂区大小从操作距离来看并不大，同时现场操作间内均设有有线电话，可不设不设现场监视系统情况下保证现场与中控室联络畅通。中控室监视设备是全厂指挥和信息处理中心，其作用不言而喻。中控室监视设备比较传统做法是模拟屏加工控机方式，这种方式造价比较高且复杂。多屏卡功能不断完善，现场又出现了工控机多屏显示加投影仪模式。多屏卡安装使一台工控机可以同时拖动多台显示器，并显示不同画面，不同工段可以同时显示，保证了操作人员监视全面性。投影仪可以把所需要任何画面进行放大显示，也可以供人参观。第二种方式造价要远低于传统做法。本工程选用APPinx一拖四多屏卡和东芝投影仪一台。5、其它成套设备耦合本工程中鼓风机为高速离心风机，脱水机为2000mm带宽脱水机，均为大型设备。这些大型设备是由许多辅助电动部分与主机共同工作完成鼓风机和脱水机正常工作。本工程设计要求大型设备都单独配有自己小型控制器，由供应商自己经验编制相关程序并预留ProfiBus－DP接口，最终成为整个自控系统一个从站。这样就其它大型设备自控系统与整个自控系统无缝连接，减少了不同供应商之间任务交叉重叠。监控软件选择监控软件是人机交流桥梁和翻译，是保证整个自动控制系统易操作、易维护最重要部分。应选用成熟、先进并应用广泛知名监控软件，本项目选用力控PCAUTO组态软件。自控控制系统与管理层衔接自控系统操作与污水处理厂管理层衔接主把自动控制系统收集到全厂信息可以顺利传输到管理层计算机，管理人员可以线查看污水处理厂运行状况并调用相关运行数据。监控软件供应商对INTERNET技术不断应用开发，监控软件都可以局域网或INTERNET广域网进行信息发布，管理层或授权用户任何可以上INTERNET网方便可浏览运行状况。而所使用MSIE浏览器安全性问题已经到解决。冗余问题本工程为污水处理厂工程，其安全性和可靠性要求并不严格，本设计没有对通讯网络和控制器进行冗余配置，只对上位工控机采用了双机热备配置。笔者认为资金允许情况下，应对主控制器进行冗余配置。四、自控系统站点划分污水处理工艺工作原理以空间分别特点，布线最小、功能完整情况下对全厂站点进行了划分，子站为泵房站、水解池站、1号改进SBR站、2号改进SBR站、脱水机房站和鼓风机房站。泵房子站负责提升泵房、粗格栅、细格栅和沉砂池数据处理，脱水机房站除负责脱水机房外，集泥池、浓缩池也归该站内，其余子站负责各自工艺单元。主站为变电所站，设变电所内。各站配置控制点数量统计如下表：工段名称控点类型及数量DIDOAIAO泵房子站9616202水解池子站6432161号改进SBR子站16064322号改进SBR子站1606432脱水机房子站2488鼓风机房子站设备配套PLC并提供接口各站所配置控制点数量，富余量均大于20%。本工程自控系统结构如图2所示：污水处理厂自控拓补图五、自控系统仪表选择仪表系统遵循“工艺必需、计量达标、实用有效、免维护”原则进行设计，仪表配置如下：粗格栅渠配置超声波液位差测量仪表1套；集水池配置超声波液位测量仪表1套；细格栅进水井：pH及温度测量仪表1套；细格栅渠配置超声波液位差测量仪表1套；AICS反应池配置溶解氧测量仪表及悬浮物浓度测量仪表各4套；AICS反应池进气管路流量测量仪表3套；鼓风机房配置鼓风机进出风管压力测量仪表6套；集泥池配置超声波液位测量仪表1套；脱水机房配置脱水机进泥管路流量测量仪表2套(随污泥脱水设备成套)；絮凝制药装置液位开关2套(随污泥脱水设备成套)；变电所配置各出线回路电量测量仪表。尽管上述仪表中部分仪表已经实现国产化，精度和稳定方面与进口产品还有一定差距，上述仪表中除通用流量、温度和压力仪表外，其它均采用进口产品。六、自控系统功能设计自动控制系统保证污水处理工艺正常运转外，还有可以提高处理工艺整体优化水平等，本工程功能设计主要归纳如下；1、单体设备控制对单体设备来说其控制分为三个层次，其优先顺序为现场手动控制、上位手动控制和PLC自动控制，这样现场发现设备故障时可以最快速度切断故障设备运行，最大程度降低设备损坏程度。整个系统中，单体设备损坏时保证系统其它无关联设备正常运转。2、节能控制本工程节能设计主要包括提升水泵变频控制和好氧部分溶解氧自动调节控制两部分。变频器与液位计形成闭环控制，保持集水井内液面稳定，这样可以减少因提升泵启动对处理系统造成冲击，保证系统稳定运行，同时水量变化调节水泵频率，降低了运行能耗。为保持AICS反应器曝气部分溶解氧浓度稳定2mg/l左右，控制鼓风机进口导叶角度来实现鼓风机流量调节，达到节能目。此外，液位差控制格栅按需运转也是节能设计一部分。3、信息处理设计上位监控软件系统直接采集线仪表数据，并以数据报表和图形显示，还可处理工艺原理自动对所采集数据进行分析和推导，提炼出对运行操作更有指导意义数据。如：污泥负荷、提升水泵运行效率、污泥龄、絮凝剂投加比例、鼓风机运行效率、泵房提升单方水量电耗、鼓风机每1000m3供风电耗、单方污水污泥处理电耗、低压总电量、附属设施耗电量、工艺设施总耗电量、提升电耗、供风电耗以及工艺其它各个工艺构筑物电耗等等。七、自控特点：1、低投资：投资少本工程除一些精度要求高线监测仪表(污泥浓度计、溶解氧仪和液位计)为进口仪表外，其余部分线仪表实现国产化，节省了一部分投资费用。另外，从工艺控制角度看，省区了一些不影响工艺运行要求线仪表，如ORP计、气体流量计等。不设现场监视设备也是降低投资重要原因之一。自控系统总线技术选取上、现场I/O控制设备和上位监控设备选取上，均采用了性价比较高产品。如PLC采用西门子S7-300系列等。本自控系统从以上几点节约了大量费用。2、低费用：运行费用低占全厂能耗90%原水提升和鼓风曝气这两个环节上，依托自动控制系统，进水段实现恒液位、变流量控制，由大功率变频装置拖动大流量潜污泵，完全涵盖了500—3000m3/h流量范围，克服了多台泵切换启停，流量突变对后续工艺水力冲击，也达到节能目，立式潜污泵提水电耗为4.75kwh/km3。占全厂能耗75%以上鼓风机选用单级高速离心