摘要：污水處理廠自控系統(tǒng)是整個(gè)污水處理工程的重要組成部分，其設(shè)計(jì)好壞與控制設(shè)備選擇是否適當(dāng)，不僅關(guān)系著自控系統(tǒng)的性價(jià)比的高低而且對(duì)以后整個(gè)污水處理廠運(yùn)行維護(hù)的難易有著重要影響。筆者以某市污水處理廠這個(gè)實(shí)際工程為例，對(duì)污水處理廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
一、污水處理廠概況
該污水處理廠位于市中區(qū)，為日處理能力為5萬(wàn)噸/天的污水處理廠，出水排入黃海，水質(zhì)達(dá)到*排放標(biāo)準(zhǔn)。
本工程采用水解－aics處理工藝。其具體流程為：污水首先分別經(jīng)過粗格柵去除粗大雜物，接著污水進(jìn)入泵房及集水井，經(jīng)泵提升后流經(jīng)細(xì)格柵和沉砂池，然后進(jìn)入水解池，。水解池出水自流入aics進(jìn)行好氧處理，出水達(dá)標(biāo)提升排入黃海。aics反應(yīng)器為改進(jìn)sbr的一種。其工藝流程如下圖1所示：
二、污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則
從污水處理廠的工藝流程可以看出，該廠的主要工藝aics反應(yīng)器是改進(jìn)sbr的一種，需要周期運(yùn)行，aics反應(yīng)器的進(jìn)水方向調(diào)整、厭氧好氧狀態(tài)交替、沉淀反應(yīng)狀態(tài)輪換都有電動(dòng)設(shè)備支持，大量的電動(dòng)設(shè)備的開關(guān)都需要自控系統(tǒng)來完成，因此自控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)周期的正確運(yùn)行操作至關(guān)重要。而且好氧系統(tǒng)作為整個(gè)污水處理工藝能量消耗的大戶，它的自控系統(tǒng)優(yōu)化程度越高，整個(gè)污水處理工藝的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)越低，這也說明了自控系統(tǒng)在整個(gè)處理工藝中的重要性。
為了保證污水廠生產(chǎn)的穩(wěn)定和，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，同時(shí)提高污水廠的現(xiàn)代化生產(chǎn)管理水平，在充分考慮本污水處理工藝特性的基礎(chǔ)上，將建設(shè)現(xiàn)代化污水處理廠的理念融入到自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，本自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下原則：先進(jìn)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、開放靈活。
三、自控系統(tǒng)的構(gòu)建
污水處理廠的自控系統(tǒng)是由現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集控制和人機(jī)界面（監(jiān)控）設(shè)備三部分組成。自控系統(tǒng)的構(gòu)建主要是指三部分系統(tǒng)形式和設(shè)備的選擇。本執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是根據(jù)工藝的要求由工藝專業(yè)確定，預(yù)留自控系統(tǒng)的接口，儀表的選擇將在后面的部分進(jìn)行描述。信號(hào)采集控制部分主要包括基本控制系統(tǒng)的選擇以及系統(tǒng)確定后控制設(shè)備和必須通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇。人機(jī)界面主要是指中控室和現(xiàn)場(chǎng)值班室監(jiān)視設(shè)備的選擇。
1、基本系統(tǒng)的選擇
目前用于污水處理廠自控系統(tǒng)的基本形式主要有三種dcs系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和基于pc控制的系統(tǒng)。從規(guī)模來看三種系統(tǒng)所適用的規(guī)模是不同。dcs系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)一般適用于控制點(diǎn)比較多而且廠區(qū)規(guī)模比較大的系統(tǒng)，基于pc的控制則用于小型而且控制點(diǎn)比較集中的控制系統(tǒng)。
基于pc的控制系統(tǒng)屬于高度集成的控制系統(tǒng)，其人機(jī)界面和信號(hào)采集控制可能都處于同一個(gè)機(jī)器內(nèi)，受機(jī)器性能和容量的限制，本工程廠區(qū)比較大，控制點(diǎn)較多，因此采用基于pc的控制系統(tǒng)是不太合適的。
dcs系統(tǒng)適用于模擬量多，閉環(huán)控制多的系統(tǒng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是適用用于控制點(diǎn)相當(dāng)較少而且特別分散的系統(tǒng)。從施工和維護(hù)的角度來看，傳統(tǒng)的dcs系統(tǒng)布線的工作量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。此外，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與dcs系統(tǒng)相比，還有zui為重要的一點(diǎn)是開發(fā)性好，擴(kuò)展方便。
本工程的控制點(diǎn)在700點(diǎn)左右，模擬量只占20％左右，屬于規(guī)模比較小的類型，而且這些控制點(diǎn)是以工藝處理單元為界線分散在廠區(qū)各處，因此本工程采用現(xiàn)場(chǎng)總線作為基本控制系統(tǒng)。
2、通訊網(wǎng)絡(luò)選擇
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)zui主要的特點(diǎn)就是依賴網(wǎng)絡(luò)通訊，分散控制和信號(hào)采集，zui大程度的減少布線，節(jié)省安裝和維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線主要是指從現(xiàn)場(chǎng)控制器或io模塊到監(jiān)控系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。目前現(xiàn)場(chǎng)總線，根據(jù)通訊協(xié)議的不同可以分為很多種，比如，profibus、can、controlnet、devicenetfflon總線等。目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各自的功能特點(diǎn)基本一致，因此本工程設(shè)計(jì)時(shí)選用在中小型控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛的profibus總線。其在性價(jià)比較高，且在國(guó)內(nèi)推廣的時(shí)間長(zhǎng)，穩(wěn)定性較高。
profibus總線有三種形式dp、pa和fms。pa總線是與智能儀表結(jié)合在一起安全性非常高的一種profibus總線形式，造價(jià)比較高，常用于石油化工冶金等行業(yè)；fms總線適用于大范圍和復(fù)雜的通訊系統(tǒng)，旨在解決通用性通訊任務(wù)，傳速速度中等；dp總線是用于傳感器和執(zhí)行器級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳速網(wǎng)絡(luò)，不需要智能儀表配合，安全性略低于pa總線。本工程是污水處理工程，對(duì)通訊安全性的要求并不太高，通信的任務(wù)比較簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)的傳輸速度有一定要求。因此本工程的采用profibus－dp網(wǎng)絡(luò)，即用西門子s7系列plc搭建整個(gè)系統(tǒng)?？偩€采用普通雙絞作為傳輸介質(zhì)，通訊速率可以達(dá)到12mbp。
3、現(xiàn)場(chǎng)站設(shè)備配置的選擇
對(duì)于profibus－dp網(wǎng)絡(luò)來說只是提供了一個(gè)從現(xiàn)場(chǎng)到監(jiān)控層的信息通道，但信號(hào)的采集和執(zhí)行命令的下達(dá)仍然需要由控制器和現(xiàn)場(chǎng)的io模塊組成的站來完成。profibus－dp網(wǎng)絡(luò)是一種主從站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上zui多可以有128個(gè)從站，但只有一個(gè)作為主站，所有的通訊事務(wù)都由主站來管理。主站必須要有控制器（cpu），同時(shí)也可以安裝io采集模塊。從站有兩種方式：cpu＋io模塊和通訊模塊＋io模塊。*種方式每個(gè)從站都由cpu，每個(gè)站的控制事務(wù)都由本站完成，與主站之間的通訊量比較少。第二種方式是所有的從站都沒有cpu，所有的控制事務(wù)都由主站cpu來完成，通過總線網(wǎng)絡(luò)把命令結(jié)果傳輸?shù)綇恼就瓿桑瑥恼局皇沁h(yuǎn)程io。
前述這兩種從站組成方式各有自己的特點(diǎn)。*種方式，控制比較分散，通訊事務(wù)較小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴不強(qiáng)，但每個(gè)站都有cpu，造價(jià)高。第二種方式，控制集中，控制事務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)，需要可靠的網(wǎng)絡(luò)來支撐，同時(shí)對(duì)主站cpu的性能要求高，在軟件編程和調(diào)試方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。這兩種方式對(duì)工程的現(xiàn)場(chǎng)安裝布線施工影響比較少。
本工程控制點(diǎn)的規(guī)模施工調(diào)試工期比較短，選用了性價(jià)比比較高的第二種方式作為從站的組成方式即由西門子im153通訊模塊和s7300系列io模塊組成，主戰(zhàn)cpu選用s7315-2dp系列。
4、人機(jī)界面設(shè)備的選擇
人機(jī)界面設(shè)備是直接與操作管理人員進(jìn)行交流的監(jiān)控視備，一般由兩部分組成，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備和中控室監(jiān)視設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備可以是pc機(jī)或是觸摸屏，中控室監(jiān)視設(shè)備一般由工控機(jī)、模擬屏或投影儀等組成。監(jiān)視設(shè)備應(yīng)在兼顧投資的情況下，保證操作管理人員可以對(duì)整個(gè)污水處理廠全面直觀的監(jiān)視與控制。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備一般在比較重要的單元或控制事務(wù)比較大的從站中設(shè)置，以便操作人員及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行處理。本工程的從站的規(guī)模比較少，廠區(qū)大小從操作距離來看并不大，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作間內(nèi)均設(shè)有，因此可在不設(shè)不設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)的情況下保證現(xiàn)場(chǎng)與中控室的聯(lián)絡(luò)暢通。
中控室監(jiān)視設(shè)備是全廠的指揮和信息處理中心，其作用不言而喻。中控室監(jiān)視設(shè)備比較傳統(tǒng)的做法是模擬屏加工控機(jī)的方式，這種方式造價(jià)比較高且復(fù)雜。隨著多屏卡功能的不斷完善，現(xiàn)場(chǎng)又出現(xiàn)了工控機(jī)多屏顯示加投影儀的模式。多屏卡的安裝使得一臺(tái)工控機(jī)可以同時(shí)拖動(dòng)多臺(tái)顯示器，并顯示不同畫面，不同的工段可以同時(shí)顯示，保證了操作人員監(jiān)視的全面性。投影儀可以把所需要的任何畫面進(jìn)行放大顯示，也可以供人參觀。第二種方式的造價(jià)要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)做法。本工程選用appinx一拖四的多屏卡和東芝投影儀一臺(tái)。
5、其它
成套設(shè)備的耦合
本工程中鼓風(fēng)機(jī)為高速離心風(fēng)機(jī)，脫水機(jī)為2000mm帶寬脫水機(jī)，均為大型設(shè)備。這些大型設(shè)備是由許多輔助電動(dòng)部分與主機(jī)共同工作完成鼓風(fēng)機(jī)和脫水機(jī)的正常工作。本工程設(shè)計(jì)要求大型設(shè)備都單獨(dú)配有自己小型的控制器，由供應(yīng)商根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)編制相關(guān)程序并預(yù)留profibus－dp接口，zui終成為整個(gè)自控系統(tǒng)的一個(gè)從站。這樣就其它大型設(shè)備自控系統(tǒng)與整個(gè)自控系統(tǒng)無縫連接，減少了不同供應(yīng)商之間任務(wù)的交叉重疊。
監(jiān)控軟件的選擇
監(jiān)控軟件是人機(jī)交流的橋梁和翻譯，是保證整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)易操作、易維護(hù)zui重要的部分。應(yīng)選用成熟、先進(jìn)并應(yīng)用廣泛的監(jiān)控軟件，本項(xiàng)目選用力控pcauto組態(tài)軟件。
自控控制系統(tǒng)與管理層的銜接
自控系統(tǒng)操作與污水處理廠管理層的銜接主要是把自動(dòng)控制系統(tǒng)收集到的全廠信息可以順利傳輸?shù)焦芾韺佑?jì)算機(jī)，管理人員可以在線查看污水處理廠的運(yùn)行狀況并調(diào)用相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。隨著監(jiān)控軟件的供應(yīng)商對(duì)internet技術(shù)的不斷應(yīng)用開發(fā)，監(jiān)控軟件都可以通過局域網(wǎng)或internet廣域網(wǎng)進(jìn)行信息發(fā)布，管理層或*用戶在任何可以上internet網(wǎng)的地方便可瀏覽運(yùn)行狀況。而所使用msie瀏覽器的安全性問題已經(jīng)得到解決。
冗余問題
由于本工程為污水處理廠工程，其安全性和可靠性要求并不嚴(yán)格，本設(shè)計(jì)沒有對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)和控制器進(jìn)行冗余配置，只對(duì)上位工控機(jī)采用了雙機(jī)熱備配置。筆者認(rèn)為在資金允許的情況下，應(yīng)對(duì)主控制器進(jìn)行冗余配置。
四、自控系統(tǒng)的站點(diǎn)劃分
根據(jù)污水處理工藝的工作原理以空間分別特點(diǎn)，在布線zui小、功能完整的情況下對(duì)全廠的站點(diǎn)進(jìn)行了劃分，子站為泵房站、水解池站、1號(hào)改進(jìn)sbr站、2號(hào)改進(jìn)sbr站、脫水機(jī)房站和鼓風(fēng)機(jī)房站。泵房子站負(fù)責(zé)提升泵房、粗格柵、細(xì)格柵和沉砂池的數(shù)據(jù)處理，脫水機(jī)房站除負(fù)責(zé)脫水機(jī)房外，集泥池、濃縮池也歸在該站內(nèi)，其余子站負(fù)責(zé)各自的工藝單元。主站為變電所站，設(shè)在變電所內(nèi)。各站配置控制點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)如下表：
各站所配置的控制點(diǎn)數(shù)量，富余量均大于20%。本工程自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：
五、自控系統(tǒng)的儀表選擇
儀表系統(tǒng)遵循“工藝必需、計(jì)量達(dá)標(biāo)、實(shí)用有效、免維護(hù)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，儀表配置如下：
粗格柵渠配置超聲波液位差測(cè)量?jī)x表1套；
集水池配置超聲波液位測(cè)量?jī)x表1套；
細(xì)格柵進(jìn)水井：ph及溫度測(cè)量?jī)x表1套；
細(xì)格柵渠配置超聲波液位差測(cè)量?jī)x表1套；
aics反應(yīng)池配置溶解氧測(cè)量?jī)x表及懸浮物濃度測(cè)量?jī)x表各4套；
aics反應(yīng)池進(jìn)氣管路流量測(cè)量?jī)x表3套；
鼓風(fēng)機(jī)房配置鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)管壓力測(cè)量?jī)x表6套；
集泥池配置超聲波液位測(cè)量?jī)x表1套；
脫水機(jī)房配置脫水機(jī)進(jìn)泥管路流量測(cè)量?jī)x表2套（隨污泥脫水設(shè)備成套）；
絮凝制藥裝置液位開關(guān)2套（隨污泥脫水設(shè)備成套）；
變電所配置各出線回路的電量測(cè)量?jī)x表。
盡管上述儀表中部分儀表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的國(guó)產(chǎn)化，但是在精度和穩(wěn)定方面與進(jìn)口產(chǎn)品還有一定的差距，因此上述儀表中除通用的流量、溫度和壓力儀表外，其它均采用進(jìn)口產(chǎn)品。
六、自控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
自動(dòng)控制系統(tǒng)除了保證污水處理工藝的正常運(yùn)轉(zhuǎn)外，還有可以提高處理工藝的整體優(yōu)化水平等，本工程的功能設(shè)計(jì)主要?dú)w納如下；
1、單體設(shè)備控制
對(duì)單體設(shè)備來說其控制分為三個(gè)層次，其優(yōu)先順序?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、上位手動(dòng)控制和plc自動(dòng)控制，這樣現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)可以zui快的速度切斷故障設(shè)備的運(yùn)行，zui大程度地降低設(shè)備的損壞程度。在整個(gè)系統(tǒng)中，單體設(shè)備的損壞時(shí)保證系統(tǒng)其它無關(guān)聯(lián)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、節(jié)能控制
本工程的節(jié)能設(shè)計(jì)主要包括提升水泵的變頻控制和好氧部分溶解氧自動(dòng)調(diào)節(jié)控制兩部分。
通過變頻器與液位計(jì)形成閉環(huán)控制，保持集水井內(nèi)液面的穩(wěn)定，這樣可以減少因提升泵的啟動(dòng)對(duì)處理系統(tǒng)造成的沖擊，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)水量變化調(diào)節(jié)水泵頻率，降低了運(yùn)行能耗。
為保持aics反應(yīng)器曝氣部分溶解氧濃度穩(wěn)定在2mg/l左右，通過控制鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉角度來實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的流量的調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。
此外，液位差控制的格柵的按需運(yùn)轉(zhuǎn)也是節(jié)能設(shè)計(jì)的一部分。
3、信息處理設(shè)計(jì)
通過上位監(jiān)控軟件系統(tǒng)直接采集的在線儀表數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)報(bào)表和圖形顯示，還可根據(jù)處理工藝原理自動(dòng)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推導(dǎo)，提煉出對(duì)運(yùn)行操作更有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)。如：
污泥負(fù)荷、提升水泵運(yùn)行效率、污泥齡、絮凝劑投加比例、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、泵房提升單方水量的電耗、鼓風(fēng)機(jī)每1000m3供風(fēng)的電耗、單方污水污泥處理的電耗、低壓總電量、附屬設(shè)施耗電量、工藝設(shè)施總耗電量、提升電耗、供風(fēng)電耗以及工藝其它各個(gè)工藝構(gòu)筑物的電耗等等。
七、自控特點(diǎn)：
1、低投資：投資少
本工程除一些精度要求高的在線監(jiān)測(cè)儀表（污泥濃度計(jì)、溶解氧儀和液位計(jì)）為進(jìn)口儀表外，其余部分在線儀表實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，節(jié)省了一部分投資費(fèi)用。
另外，從工藝控制角度看，省區(qū)了一些不影響工藝運(yùn)行要求的在線儀表，如orp計(jì)、氣體流量計(jì)等。不設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視設(shè)備的也是降低投資的重要原因之一。
在自控系統(tǒng)的總線技術(shù)選取上、現(xiàn)場(chǎng)i/o控制設(shè)備和上位監(jiān)控設(shè)備的選取上，均采用了性價(jià)比較高的產(chǎn)品。如plc采用西門子s7-300系列等。
本自控系統(tǒng)從以上幾點(diǎn)節(jié)約了大量的費(fèi)用。
2、低費(fèi)用：運(yùn)行費(fèi)用低
在占全廠能耗90%的原水提升和鼓風(fēng)曝氣這兩個(gè)環(huán)節(jié)上，依托自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)水段實(shí)現(xiàn)恒液位、變流量控制，由大功率變頻裝置拖動(dòng)大流量潛污泵，*涵蓋了500—3000m3/h的流量范圍，克服了多臺(tái)泵切換啟停，流量突變對(duì)后續(xù)工藝的水力沖擊，也達(dá)到節(jié)能的目的，立式潛污泵的提水電耗為4.75kwh/km3。
占全廠能耗75%以上的鼓風(fēng)機(jī)選用單級(jí)高速離心風(fēng)機(jī)，通過控制進(jìn)口導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而降低能耗，具體的作法是在夜間小水量和過渡工序時(shí)自動(dòng)減小供氣量。
3、管理操作簡(jiǎn)便
本自控工程在上位軟件二次開發(fā)過程從人性化角度出發(fā)，提高自控系統(tǒng)的可操作性，使管理者在任意時(shí)間和地點(diǎn)可對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行全方面的監(jiān)控，及時(shí)了解到處理系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣狀態(tài)。
八、投資
本工程自控系統(tǒng)的預(yù)算費(fèi)用約占污水處理廠總投資的5%左右。與其它污水處理廠相比，本工程的自控系統(tǒng)投資是中等偏下，性價(jià)比較高。
九、結(jié)語(yǔ)
該污水處理廠自控系統(tǒng)是根據(jù)工藝要求在確定的設(shè)計(jì)原則下進(jìn)行設(shè)計(jì)，既保證污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行，又盡可能的降低了工程的造價(jià)投資，其設(shè)計(jì)過程和結(jié)果對(duì)其它污水處理工程的自控設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。