污水處理廠自控系統(tǒng)的設(shè)計方案
來源：北京瑞斯派克儀器儀表科技發(fā)展中心 閱讀：3530 更新時間：2009-07-02 10:09| 詳細(xì)信息 | |||||
| 項目名稱 | 污水處理廠自控系統(tǒng)的設(shè)計方案 | ||||
| 建設(shè)地點 | 建設(shè)起始時間 | 建設(shè)結(jié)束時間 | |||
| 建設(shè)性質(zhì) | 新建 | 工程投資 | 廢水性質(zhì) | ||
| 處理規(guī)模 | 進(jìn)水水質(zhì) | 出水水質(zhì) | |||
| 處理工藝 | 運行費用 | 承包范圍 | |||
工程說明
一、污水處理廠概況
污水處理廠位于市區(qū)或市郊，為日處理能力5萬噸/天的污水處理廠，出水排入河流，水質(zhì)達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)。
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)提升排入河流。AICS反應(yīng)器為改進(jìn)SBR的一種。其工藝流程如下圖1所示：
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二、污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計的原則
從污水處理廠的工藝流程可以看出，主要工藝AICS反應(yīng)器是改進(jìn)SBR的一種，需要周期運行，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)輪換都有電動設(shè)備支持，大量的電動設(shè)備的開關(guān)都需要自控系統(tǒng)來完成，因此自控系統(tǒng)對整個周期的正確運行操作至關(guān)重要。而且好氧系統(tǒng)作為整個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，整個污水處理工藝的運行費用也會越低，這也說明了自控系統(tǒng)在整個處理工藝中的重要性。
為了保證污水廠生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效，減輕勞動強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，同時提高污水廠的現(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)計當(dāng)中，本自控系統(tǒng)設(shè)計遵循以下原則：先進(jìn)合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實惠、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)場儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號采集控制和人機(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)場總線系統(tǒng)一般適用于控制點比較多而且廠區(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)界面和信號采集控制可能都處于同一個機(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)場總線系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是適用用于控制點相當(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)場總線系統(tǒng)。此外，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)相比，還有最為重要的一點是開發(fā)性好，擴(kuò)展方便。
本工程的控制點在700點左右，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)場總線作為基本控制系統(tǒng)。
2、通訊網(wǎng)絡(luò)選擇
現(xiàn)場總線系統(tǒng)最主要的特點就是依賴網(wǎng)絡(luò)通訊，分散控制和信號采集，最大程度的減少布線，節(jié)省安裝和維護(hù)費用。現(xiàn)場總線主要是指從現(xiàn)場控制器或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、DeviceNet FF Lon總線等。目前現(xiàn)場總線技術(shù)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各自的功能特點基本一致，因此本工程設(shè)計時選用在中小型控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛的ProfiBus總線。其在性價比較高，且在國內(nèi)推廣的時間長，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，對通訊安全性的要求并不太高，通信的任務(wù)比較簡單，對系統(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)場站設(shè)備配置的選擇
對于ProfiBus－DP網(wǎng)絡(luò)來說只是提供了一個從現(xiàn)場到監(jiān)控層的信息通道，但信號的采集和執(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)。整個網(wǎng)絡(luò)上最多可以有128個從站，但只有一個作為主站，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），同時也可以安裝IO采集模塊。從站有兩種方式：CPU＋I(xiàn)O模塊和通訊模塊＋I(xiàn)O模塊。第一種方式每個從站都由CPU，每個站的控制事務(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。第一種方式，控制比較分散，通訊事務(wù)較小，對網(wǎng)絡(luò)的依賴不強(qiáng)，但每個站都有CPU，造價高。第二種方式，控制集中，控制事務(wù)對網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)，需要可靠的網(wǎng)絡(luò)來支撐，同時對主站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。這兩種方式對工程的現(xiàn)場安裝布線施工影響比較少。
本工程控制點的規(guī)模施工調(diào)試工期比較短，選用了性價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S7 300系列IO模塊組成，主站CPU選用S7 315-2DP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)場監(jiān)視設(shè)備和中控室監(jiān)視設(shè)備，F(xiàn)場監(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整個污水處理廠全面直觀的監(jiān)視與控制。
現(xiàn)場監(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，以便操作人員及時對現(xiàn)場情況進(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，同時現(xiàn)場操作間內(nèi)均設(shè)有有線電話，因此可在不設(shè)不設(shè)現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)的情況下保證現(xiàn)場與中控室的聯(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，這種方式造價比較高且復(fù)雜。隨著多屏卡功能的不斷完善，現(xiàn)場又出現(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工控機(jī)可以同時拖動多臺顯示器，并顯示不同畫面，不同的工段可以同時顯示，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。
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)計要求大型設(shè)備都單獨配有自己小型的控制器，由供應(yīng)商根據(jù)自己的經(jīng)驗編制相關(guān)程序并預(yù)留ProfiBus－DP接口，最終成為整個自控系統(tǒng)的一個從站。這樣就其它大型設(shè)備自控系統(tǒng)與整個自控系統(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，是保證整個自動控制系統(tǒng)易操作、易維護(hù)最重要的部分。應(yīng)選用成熟、先進(jìn)并應(yīng)用廣泛的知名監(jiān)控軟件，本項目選用力控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控制系統(tǒng)收集到的全廠信息可以順利傳輸?shù)焦芾韺佑嬎銠C(jī)，管理人員可以在線查看污水處理廠的運行狀況并調(diào)用相關(guān)的運行數(shù)據(jù)。隨著監(jiān)控軟件的供應(yīng)商對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，管理層或授權(quán)用戶在任何可以上INTERNET網(wǎng)的地方便可瀏覽運行狀況。而所使用MS IE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)計沒有對通訊網(wǎng)絡(luò)和控制器進(jìn)行冗余配置，只對上位工控機(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)對主控制器進(jìn)行冗余配置。
四、自控系統(tǒng)的站點劃分
根據(jù)污水處理工藝的工作原理以空間分別特點，在布線最小、功能完整的情況下對全廠的站點進(jìn)行了劃分，子站為泵房站、水解池站、1號改進(jìn)SBR站、2號改進(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)。各站配置控制點數(shù)量統(tǒng)計如下表：
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自控特點：
1、低投資：投資少
本工程除一些精度要求高的在線監(jiān)測儀表(污泥濃度計、溶解氧儀和液位計)為進(jìn)口儀表外，其余部分在線儀表實現(xiàn)國產(chǎn)化，節(jié)省了一部分投資費用。
另外，從工藝控制角度看，省去了一些不影響工藝運行要求的在線儀表，如ORP計、氣體流量計等。不設(shè)現(xiàn)場監(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)從以上幾點節(jié)約了大量的費用。
2、低費用：運行費用低
在占全廠能耗90%的原水提升和鼓風(fēng)曝氣這兩個環(huán)節(jié)上，依托自動控制系統(tǒng)，進(jìn)水段實現(xiàn)恒液位、變流量控制，由大功率變頻裝置拖動大流量潛污泵，完全涵蓋了500-3000m3/h的流量范圍，克服了多臺泵切換啟停，流量突變對后續(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自動減小供氣量。
3、管理操作簡便
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，使管理者在任意時間和地點可對工藝系統(tǒng)進(jìn)行全方面的監(jiān)控，及時了解到處理系統(tǒng)運行的優(yōu)劣狀態(tài)。
八、投資
本工程自控系統(tǒng)的預(yù)算費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，性價比較高。
九、結(jié)束語
污水處理廠自控系統(tǒng)是根據(jù)工藝要求在確定的設(shè)計原則下進(jìn)行設(shè)計，既保證污水處理系統(tǒng)的正常運行，又盡可能的降低了工程的造價投資。
污水處理廠自控系統(tǒng)是整個污水處理工程的重要組成部分，其設(shè)計好壞與控制設(shè)備選擇是否適當(dāng)，不僅關(guān)系著自控系統(tǒng)的性價比的高低而且對以后整個污水處理廠運行維護(hù)的難易有著重要影響。以下對 污水處理廠自控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
