自控系统在秦皇岛污水处理厂的应用

自控系统在秦皇岛污水处理厂的应用

胡宝棋
中自控（北京）环境工程有限公司

　　摘要：本文通过秦皇岛海港区污水处理厂工程实例，详细介绍了自控系统的构成，主要工艺部分自动控制的实现方法和运行过程中的改进。
　　关键词：自控系统，现场总线

1. 项目情况

　　秦皇岛海港区污水处理厂，工程投资1.2亿元人民币, 设计规模12万吨/日，位于秦皇岛市的东部, 厂区占地6.28公倾, 采用A/O工艺进行二级污水处理，服务面积36平方公里。采用BOT方式建设，2004年底正式投入运行。
　　秦皇岛市海港区污水处理厂采用了不设初沉池的A/O工艺，即厌氧、好氧工艺。流程如下：

　　秦皇岛海港区污水处理厂的预处理工艺单元是由两组粗格栅、进水泵房4台污水泵、两组细格栅和旋流沉砂池构成。污水流经粗格栅后将大于40mm的栅渣物质截流下来，经除污机、输送机的运行，将其杂物运送并处理，以保证后续水泵管线、设备的正常运行。粗格栅处设置超声波液位差计2套，提升泵房设置超声波液位计1套，细格栅处设置超声波液位差计2套，进水水质仪表PH计、浊度计、在线COD各1套，并在旋流沉砂池出水管道设置流量计井，安装电磁流量计1台，测量总进水流量。
　　秦皇岛海港区污水处理厂的二级处理采用A/O工艺，即好氧，厌氧工艺。设置两座生物反应池，每座生物池的前段为厌氧池，安装有2台水下推进器，后半段为好氧池，池底排列曝气头，由鼓风机房的4台鼓风机（两用两备）鼓风曝气。每个池中设有溶氧仪2台，ORP和MLSS各一台。
　　沉淀池通过工艺管道与生物池进行连接，经曝气处理后的活性污泥在二次沉淀池中不断地进行着自由沉淀、絮凝沉淀、成层沉淀等多种形式的沉淀，使得污泥不断产生并沉于池底，有效地使污染物与污水分离，从而完成污水的初步净化，在通过刮吸泥机定时地将沉积的污泥送入排泥管道，进入回流和剩余污泥泵房，以便进行后续的污泥处理工艺。设置辐流沉淀池4座，每座上安装超声波污泥界面计1台。
　　生物反应池的后端是回流和剩余污泥泵房，把沉淀池送过来的部分污泥通过回流泵打回生物池，另一部分由剩余污泥泵打到贮泥池，由污泥浓缩脱水机进行脱水处理。

2．自控系统的构成

　　本工程自动化系统的设计方案是采用以标准的、开放的现场总线为基础的、以全厂集成自动化为概念的生产过程自动化系统。
　　全厂设一座中央控制室，三座PLC分控站。中央控制室内设通讯控制器，监控管理系统、数据服务器和动态模拟屏。各PLC分控站由PLC控制器，分布式I/O站，和现场总线适配/耦合器组成。各PLC站以控制分区为对象，具有独立的的区域控制能力，能接受中央控制的调控，但不依赖中央控制的存在。各分控站与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信。工厂的管理操作站采用标准的以太网与中央控制系统连接，组成工厂计算机综合管理控制系统。
2．1 自动化系统概况
　　控制系统遵循“集中管理、分散控制、数据共享”的原则，设计选型先进、安全可靠、价格合理，选用的仪器仪表、PLC控制器、计算机、通讯设备等保证能长期、稳定、高效地运行。本工程自动化系统的设计方案是采用S7-400，以标准的、开放的现场总线为基础的、以全厂集成自动化和管控一体化为概念的生产过程自动化系统。
　　在本方案中的控制系统结构层次可分为3层，即
　　现场层；分布式控制层；集中管控层。
　　通讯网络采用2种结构：
　　现场层采用国际标准的SIEMENS Profibus现场总线；
　　控制层采用100M的工业以太网；
　　集中管控层采用标准以太网
　　现场层的过程检测仪表采用Profibus现场总线仪表，信号为总线信号；阀门控制器采用Profibus现场总线型电动阀门控制器，信号为总线信号。

控制系统配置图

　　全厂共设3个分站和一个中央控制室，分别控制各自区域内的工艺设备，其位置：
　　PLC1为机械处理现场控制站，设置在变配电室内；
　　PLC2为生物处理现场控制站，设置在鼓风机房内；
　　PLC3为污泥处理现场控制站，设置在污泥脱水机房内；
2．1. 1 中央控制系统
　　在中控室设置两台操站计算机，即使当其中一台出现故障，另一台能够完全独立地运行。据此可保证控制和数据采集的高可靠性。另外必需保证系统中的每台计算机能随时独立完成图象管理控制、数据保存、系统再生、数据处理等的不同任务。
　　采用基于B/S的监控软件WEBACCESS，客户端的扩展非常容易，而且不需额外的费用。该厂内的化验、生产等部门都可以通过局域网轻松地浏览工艺流程界面，实现了全厂的数据共享。
2．1．2 现场控制站
　　现场控制站采用的是SIEMENS的PLC，如“控制系统配置图”所示，控制器选的是S7-400 CPU，配ET200M分布式I/O。这样，既保证了运算速度和为一些复杂算法预留了空间，又降低了整个系统的造价。分布式的结构，还节省了电缆，降低了施工的费用。
2．1．3 网络系统
　　工业以太网
　　一个为了工业应用而设计、符合 IEEE 802.3 国际标准的区域性单元式网络（以太网）。
　　· 通过采用冗余的网络拓扑结构，确保以太网具有极高的可用性。一侧断线后，300ms内自动切换到另一侧进行数据通讯。
　　· 目前各大控制系统厂商在研发推出自己的基于工业以太网的网络，如西门子的PROFINET，施耐德的MODTCP/IP。
　　现场总线PROFIBUS
　　PLC与智能化仪表，ET200M I/O站之间采用高效PROFIBUS DP/PA现场总线通讯。
　　· 采用符合IEC61158标准的总线协议
　　· PROFIBUS-DP使用了OSI模型的第一层和第二层，精简的结构保证了数据的高速传送
　　· PROFIBUS-PA使用扩展的DP协议进行数据传输，可以通过总线对现场设备供电并确保本质安全
　　· 网络连接简单、方便、灵活，且易于安装调试及维护
2.1.4 控制方式：
　　主要设备控制方式采用就地控制、现场控制、中央控制的三层控制模式；其它设备采用现场控制、中央控制的两层控制模式。
　　· 现场手动模式：设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启/停、开/关操作。
　　· 遥控模式：即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程” 开关选择“远程”方式时，操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启/停、开/关操作。
　　· 自动模式：现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且现场控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各PLC根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
2.2 自动控制系统功能的实现
　　(1)粗、细格栅系统的控制
　　格栅的运行由格栅前后水位差△H值来自动控制，但运行间隔超过一定时间后，转为时间控制。系统的启动顺序为：先启动螺旋输送机，然后启动格栅。停止时先停格栅，待栅渣全部排进渣斗后再停止螺旋输送机。水位差设定值，格栅的运行时间及格栅运行周期可以在上位软件中调整。
　　(2) 进水污水泵的自动控制及运行优化的调节
　　根据集水池的水位值自动控制污水泵的启动和污水泵启动的台数，同时自动累积水泵运行时间，水泵的启动顺序按自动累计的水泵运行时间从小到大排列，停止时顺序与之相反。可以实现水泵的自动轮值，保证水泵总是处在最佳运行状态。当干运转保护水位开关动作时，所有的污水泵停止运行。优化：⑴尽量保持高水位运行，以节省提升泵电耗；⑵水泵轮值的平滑切换。
　　(3) 旋流沉砂池系统的控制
　　旋流沉砂池自动运行时，旋流沉砂池搅拌叶轮连续运行，由控制系统定时启动排砂过程，同时控制砂水分离器等设备的联动运行。排砂管道上设置固体浓度传感器，检测值作为控制排砂过程和排砂量的依据。排砂过程中，如果固体浓度传感器显示沉砂已基本排尽，则自动关闭排砂泵及顺序关闭相关设备。
　　(4) A/O池曝气量的自动调节
　　根据曝气池溶解氧DO值自动调节曝气量，并保证DO值的设定指标。
　　曝气池的曝气控制由工艺设计及水质状况确定，根据工艺要求的溶解氧浓度，和溶解氧的现场测量值，利用查表法，由程序控制得到鼓风机的空气流量设定值，PLC的PID调节跟踪空气流量，从而实现曝气量的自动调节。把进水的水质参数和一些其他的运行经验，放入经验表中，修正空气流量设定值，逐步达到最佳值。
　　（5）污泥回流量自动调节
　　回流污泥量的控制采用比例控制以保证污泥混合液浓度在一定的范围内。根据生物池的进水量、回流污泥浓度控制回流污泥泵的运转台数、运转时间，保证生物池微生物的需要量。通过监控管理系统，可以设定回流污泥比例。
　　(6) 脱水机房的控制
　　污泥脱水系统控制采用时间控制和手动控制。该系统中设备的启动顺序依次为倾斜式螺旋输送机、水平螺旋输送机、浓缩、脱水机、加药泵、进泥泵、污泥切割机，停止顺序与之相反。当药液制备段的溶液罐的液位低，进泥泵的进泥流量低、系统中任何一台设备发生故障时，系统停止运行。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏，可以设定每天允许的运行次数及每次运行的时间。

3．运行过程中的改进

　　经过半年多的运行，控制系统在原有基础上根据运行的实际情况进行了一些改进。
　　· 化验室的数据，由化验人员在化验室计算机及时录入，通过WEBACCESS监控软件实现与工程运行数据全厂共享。
　　· 细格栅的栅前液位报警。细格栅完全靠液位差控制格栅的运行，有时会发生整个液位的抬升，导致污水溢出。所以把栅前液位设置了一个报警值，到达时启动格栅并与提升泵的控制连锁。
　　· 进水泵的控制。在进水泵连续运行几个小时后，会发生现流量曲线会下降的情况，即水泵的输出能力下降。发现通过重新启动水泵可以恢复原来的流量曲线，这样在控制程序中加入了定时轮换。其中原因还有待于进一步分析。
　　· 关于电费的考虑。电费随使用的时段峰值和谷值波动很大，耗电的设备尽量多在谷时用，比如鼓风机，在谷时多鼓些空气使生物池中多储存一些溶解氧，峰时可以少给一些，达到生产的要求。
　　随着更多的工程建设和运行的积累，我们希望能摸索出更多的经验，使污水处理的自控水平上一个新台阶。