摘要：在MBR膜工艺的地下室污水处理厂，其有水量稳定、水质好、自动化程度高等特点，本文主要讲述了晋阳污水厂自动化控制系统的设计与实现，它的设计前瞻性和较强适应工业环境的能力保证了控制系统的高可靠性。为污水厂生产而提供可靠的现代化技术和系统集成度，提高劳动生产力。
关键词：自控系统；污水厂；设计与实现
引言
晋阳污水处理厂位于太原市姚村南侧，一期工程可用占地约为15.5公顷。工程规模32万m3/d；分采用改良A/A/O工艺（20万m³/d）和MBR工艺（12万m³/d）；为全地下式布置。出水达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。
随着自动化技术的不断发展、完善，污水处理厂的自动化水平也相应提高。在污水处理行业中多采用的系统集成方式，是通过下位PLC和上位SCADA系统进行污水厂的自动化控制。
一、设计依据、设计原则
本系统技术方案的设计依据是晋阳污水厂一期建设项目目标要求，结合MBR、A/A/O工艺的污水处理工程经验，针对晋阳污水厂的实际情况设计的。
根据全地埋式MBR膜处理工艺项目的特点，在系统中始终遵循以下原则：安全可靠、技术先进、性价比高、操作简单、易于维护、系统开放。
晋阳污水厂自控工程中可靠性原则是我们遵守的首要原则，我们从以下几个方面作了着重考虑。
1）安全第一
全地埋式水厂首先考虑安全第一，包括设备安全及人身安全，保护，此类控制方式建议采用最简单、最可靠、响应最快的控制方式。及时检测各处重要重要工艺段液位、流量、压力等，第一时间返回PLC系统，在中控室分级进行提醒操作人员生产状况，确保安全无事故。
2）出水流量稳定
由于MBR膜反应器属于单廊道间歇产水，产水时间短，对产水流量反馈控制要求高，必须在短时间内稳定产水，才能保证产水量。
◆ 硬件具体措施：
（1）管理层各节点通过交换机构成环型1000M工业以太网。
（2）控制层的控制网通过工业以太网1000M TCP/IP光纤环型网进行高速大容量数据交换，保证了厂内各控制站能及时和中心控制室通讯。
（3）现场PLC控制站与成套设备就地控制站通过以太网线、现场总线（MODBUS、Profibus-DP）进行数据通信。
二、工艺过程控制简述
设备的操作级别分为三级，即机侧（或就地）操作、现场控制站操作和在中央监控站进行操作控制。机侧操作是通过设备（盘上或现场）的就地按钮进行设备控制，现场控制站操作是通过操作员终端对设备进行手动控制，或由PLC程序自动控制。调度管理站操作是指通过监控计算机鼠标或键盘对现场设备进行操作。
2.1 粗格栅
1）功能：去除污水中较大的漂浮物。
2）监测仪表：每一组格栅前后的液位差测量。
3）控制方式：根据时间及格栅前后液位差控制。
•时间控制：在主站设定连续运行及间断运行方式，间断运行时设置运行时间及间隔时间。（根据设备技术要求可调、参数可设）
•液位差控制：设定高、低两液位差值，并与自动采集的实际液位差值比较，达到高值时，自动启动格栅运行，直至达到低值时，停止运行。（根据设备技术要求可调）PLC系统还将按软件程序自动控制栅渣输送机、机械格栅的顺序启动、运行、停车以及安全连锁保护。
2.2 进水泵房
1）功能：提升污水的水位。
2）监测仪表：泵房设置液位计和液位开关。
3）控制方式：根据厂区进水流量及进水井液位进行控制。
在主站设定超声波液位仪表，根据测得的液位值与设定值比较，自动增、减泵运行台数，并且自动累计每台泵运行时间，实现泵的自动轮换运行。当水位低于干运行保护设定时，禁止所有泵组的运行和启动。
2.3 细格栅
1）功能：细格栅用于去除污水中较小的漂浮物，特别是丝状、带状漂浮物，保证后续处理系统的正常运行。
2）监测仪表：每一套格栅前后的液位差计
3）控制方式：
·时间控制：在主站设定连续运行及间断运行方式，间断运行时设置运行时间及间隔时间。
·液位差控制：设定高、低两液位差值，并与自动采集的实际液位差值比较，达到高值时，自动启动格栅运行，直至达到低值时，停止运行。（根据设备技术要求可调）
PLC系统还将按软件程序自动控制栅渣输送机、机械格栅的顺序启动、运行、停车以及安全连锁保护。
2.4 曝气沉砂池
1）功能：去除污水中无机砂粒，以保证后续流程的正常运行。
2）监测仪表：成套控制
3）控制方式：根据时间控制。
·定时自动启动刮砂桥、吸砂泵及相关设备，对刮砂、排砂、砂水分离器等设备的联动控制
·桥式刮砂机及驱动装置正常状态下运行，检修时才停机。
·提砂泵根据设定时间提砂一次，每次5-15分钟（可调），砂水分离器及配套装置同步运行。
·罗茨风机定时切换运行。
2.5 生物池
1）功能：利用活性污泥法对污泥进行生物处理。
2）监测仪表：溶解氧（DO）、污泥浓度仪（MLSS）、氧化还原电位（ORP）氨氮（NH4-N）分析仪等
3）控制方式：
由于污水处理厂的实际运行中，进水负荷实时变化，DO串级控制策略可根据进水负荷实时调整DO的设定值，有效地消除进水扰动，在满足硝化反应完成和剩余碳有机物去除的情况下，最大程度上降低曝气量，节约能源。使得由好氧区到缺氧区DO的携带量尽可能少，为反硝化提供良好的缺氧环境并减少缺氧区可快速降解有机碳源的消耗。控制较低的DO浓度有利于同步硝化反硝化等现象的发生，从而提高生物池的脱氮效果。
·厌氧段
设置氧化还原电位（ORP）测量仪，监测厌氧运行状态；在厌氧段进口处设置氨氮（NH4-N）分析仪，监测生物池进水污染物--氨氮浓度；根据生产需要，控制管理厌氧段潜水搅拌器的运行。
·缺氧段
根据生产需要，自动控制管理缺氧段潜水搅拌器的运行。
·好氧段
在第一、第二好氧段曝气廊道设置溶解氧（DO）测量仪、并在第二好氧段曝气廊道设置混合液浓度（MLSS）测量仪。各个曝气廊道空气干管上设置空气流量计和电动调节阀，测量和调节各廊道曝气量，自动控制各廊道溶解氧（DO）值。
在生物池出水，设置溶解氧测量仪，监视生物池出水溶解氧，也为防止内回流溶解氧过高影响反硝化过程。
根据生产运行要求，自动控制潜水搅拌器、内回流泵的运行。
2.6 污泥泵房
1）功能：污泥泵房设置有回流污泥泵和剩余污泥泵。回流污泥泵将污泥提升到生物反应池的前端，调节生物反应池的污泥浓度；剩余污泥泵用于将剩余污泥提到污泥处理系统。
2）监测仪表：液位计、液位开关、电磁流量计
3）控制方式：
·设置回流污泥流量计。根据工艺需要的回流比，自动变频控制回流污泥量，维持生物池内活性污泥的浓度，保证其生物反应能力，最终实现生物池的优化运行。
·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控制回流污泥泵（工频泵）的运转台数或变频泵的转速，保证生物池微生物的需要量。
·在剩余污泥总管上设置电磁流量计，计量进入污泥处理系统的污泥流量。
2.7 MBR膜生物反应池
1）功能概述：
采用膜分离技术和生物技术的结合，同时利用膜的特性，使活性污泥不随出水流失，在生化池形成超高浓度的活性污泥浓度，使污染物分解彻底，保证良好水质。
2）监测仪表：流量计、压力计、产水浊度、液位计、音叉液位开关等
3）控制方式概述：
MBR控制系统主要有：产水控制系统、脉冲曝气系统、抽真空系统等。
产水系统由PLC控制自动变频恒流量控制运行，受时序控制，产水间歇运行，每7天进行在线小洗，每三个月进行在线大洗。但同时受膜池液位及跨膜压差控制。当膜池液位达高液位，中控室内报警，膜池低液位为产水泵停泵信号。
抽真空系统由PLC控制自动运行，受产水专用设备液位控制，当产水专用设备液位为低位时，自动开启产水专用设备抽真空气动阀，同时真空泵运行；当产水专用设备液位达到高位时，则自动关闭产水专用设备抽真空气动阀，同时真空泵停止运行；
2.8 二沉池
1）功能：将活性污泥法前段工序处理过的水进行再次沉淀。上清液溢流，污泥被沉降
2）监测仪表：
3）控制方式：
·二沉池的所有机械设备均设置现场控制箱，沉淀池的过程状态、所有机械设备的运行状况均由现场控制站直接监视与控制，并接受中控室的监视与控制。
·排泥控制方式：按定时实现自动排泥。
2.9 加药系统
1、膜清洗NaCLO隔膜计量泵
手动控制：现场控制箱手动、MCC柜手动。
中控室远程控制（软手动）。
自动控制：由膜组件供货方提供自动控制方式。次氯酸钠贮罐中液位到达低位时（数值可调），停止次氯酸钠加药泵。
2、膜清洗柠檬酸隔膜计量泵
手动控制：现场控制箱手动、MCC柜手动。
中控室远程控制（软手动）。
自动控制：由膜组件供货方提供自动控制方式。柠檬酸贮罐中液位到达低位时（数值可调），停止柠檬酸加药泵。
三、自控系统的实现
3.1 自控系统描述
晋阳污水厂自控系统采用“集中监视，分散控制”的计算机监控系统。系统包括中央监控系统、现场控制站、通讯网络、电力自动监控系统及检测仪表构成。中央监控系统设在厂区综合办公楼中心控制室，包括服务器、监控计算机、远程通讯工作站、激光打印机，UPS电源等。监服务器、管理工作站、工程师工作站连在1000M以太网上。
控制系统设有一个中心控制室和9个PLC现场控制站。现场控制站分别是：
LCS1控制站---位于二号变电站内，预处理及污泥处理工段PLC站，
LCS101控制站---位于一号变电站内，预处理工段PLC站。
LCS2控制站---位于三号变电站内，生物处理工段PLC站。
LCS3控制站---位于四号变电站内，生物处理工段PLC站。
LCS41控制站---位于MBR分控站，MBR工段PLC站。
QFX401-410控制箱---位于MBR设备间，是LCS41的远程IO站。
LCS42控制站---位于MBR分控站，MBR工段PLC站。
QFX411-420控制箱---位于MBR设备间，是LCS42的远程IO站。
LCS43控制站---位于加药间，加药间工段PLC站。
LCS5控制站---位于二沉池电控间，二沉池、滤池工段PLC站。
RIO501远程站---位于污泥泵房电控间，是LCS5的远程IO站。
LCS6控制站---位于二沉池电控间，二沉池、加药间工段PLC站。
RIO601远程站---是LCS6的远程IO站。
RIO602远程站---是LCS6的远程IO站。
以上9个PLC现场控制站和中心控制室通过1000M冗余环光纤工业以太网连接，组成全厂工业控制局域网。各控制站主要负责采集现场实时数据、根据工艺调度要求控制现场设备等。现场控制分站具备脱离控制中心独立运行的能力，以减少局部事故给整个控制系统造成的损失。现场PLC控制站与仪表之间通过工业现场总线（MODBUS/Profibus-DP）和4-20mA信号通讯；与部分成套设备之间通过工业以太网进行数据通信；
控制系统满足以下技术要求：
工业控制网采用TCP/IP 1000M工业以太网，应用层协议开放。
以太网光电耦合模块（交换机）是工业设计产品，有冗余电源和故障报警节点。
网络为冗余环光纤工业以太网。
设备为连续工作的工业及产品，其模板平均无故障间隔时间MBTF≥300000小时。
设备电源：220VAC，50HZ。
网络具有网管功能，便于诊断和纠错。
3.2 自控系统网络结构
晋阳污水厂自控系统由三层网络组成，即管理层、控制层和设备层。管理层各节点通过交换机构成环型1000M工业以太网。控制层的控制网通过工业以太网1000M TCP/IP光纤环型网进行高速大容量数据交换。现场PLC控制站与仪表通过工业现场总线和4-20mA信号两种方式通讯，与部分成套设备控制设备之间通过工业以太网进行数据通信。网络的这种结构，层次分明，分配合理。参见图1“晋阳污水厂自动化控制系统图”
图1 晋阳污水厂自动化控制系统图
3.2.1 管理层网络结构
晋阳污水厂自控工程系统管理层由2台服务器、1台中央监控工程师站、2台远程操作员站、2台打印机、网络机柜、防火墙等构成。
中央监控管理级由操作员站、工程师站、数据服务器、web服务器、通信系统、打印机、视频图像显示系统、UPS电源等组成----中央控制系统，对全厂实行集中管理。
全厂计算机系统采用客户/服务器模式，配置windows网络操作系统、组态式监控软件、实时数据库、Web发布、优化控制、设备管理等相关应用软件。
整体架构：
图2 污水处理厂SCADA系统架构图（示意图）
3.2.2 控制层网络结构
晋阳污水厂自控工程管理层和现场控制层之间由光纤交换机和通讯光缆组成工业光纤以太环网，通讯速率为1000Mbit/s。光纤环网具有如下特点：
◆ 通讯速率可达到1000M bit/sec的数据传输速率；
◆ 将I/O控制和编程置于同一物理介质链路进行；
◆ 数据发送具有确定性和可重复性；
◆ 多信道广播；
◆ 网络支持对PLC在线编程；
◆ 网上所有设备之间均可以自由地进行通讯；
◆ 支持广播、点对点、对等以及主从通讯方式；
◆ 采用光纤环网，增加了网络的可靠性；
◆ 网上增加或者减少任意一个站点都不会影响其它设备的正常运行。
3.2.3 设备层网络结构
现场PLC控制站与部分成套控制设备之间通过工业以太网进行数据通信，与大部分仪表通过4~20mA信号和现场总线（MODBUS/Profibus-DP）采集数据。
3.3 中心控制室
中央监控站主要完成对污水厂的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及打印、故障报警及打印等功能。通过管理终端可直观地显示全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，使操作人员及时掌握全厂运行情况。
中心控制室监控工作站的SCADA上位监控软件，其功能共包括三大类：
1）管理功能：即生成全厂工艺流程，显示现场工艺流程的参数和动态生产实时数据，提供清晰、良好的人机界面。在线提供操作员帮助，完成报警、历史数据、历史趋势曲线的储存、显示和查询。实时生成、打印各类生产运行管理报表。实时编程、组态修改。能够在线、离线修改并具有自诊断功能。
2）监视功能：即在基于图形和菜单的方式上，操作人员可以在调度室监视各工艺设备运行状态。
3）通讯功能：中心控制室的监控工作站能够和现场PLC站通过工业以太网通讯。
四、控制系统整体特点
4.1 技术先进
该控制系统采用先进的技术、成熟产品，是在丰富经验的技术上做出的本设计方案。
这种配置方案特点：
◆ 技术成熟；
◆ 保证网络通讯速率；
◆ 布线简单；
◆ 成本较低；
◆ 扩展灵活、方便；
◆ 抗干扰性强。
4.2 操作简单
晋阳污水厂自控系统的操作和监视包括设备现场手动操作、触摸屏显示和PLC自动控制。设备现场手动操作的优先级最高，当就地控制箱上的“远控/就地”转换开关处于“就地”时，PLC的控制被屏蔽，现场设备可在就地按钮箱或电机控制柜上实现开、停等人工操作。PLC自动控制主要通过PLC对现场各种参数的采集，分析、计算，实现对现场设备的自动控制。
4.3 易于维护
控制系统采用模块化结构。当某个模块故障时，可以方便地插拔模块，然后用新模块进行替换。所以，整个系统的硬件维护非常容易。用户操作人员经过培训后，可以对软、硬件进行定期维护和工艺参数的调整。
4.4 能力强大
系统能够完成调节控制，联锁逻辑，手动操作，由标准算法或用户程序组合而成的自动顺序。
调节控制功能包括各种PID算法（反馈、前馈、开关、比率、超前/滞后等）、标准计算（加、减、乘、除、符合运算等）、基本的控制功能（开关、限幅、高/低选择等）、自适应控制功能。
联锁控制功能包括用于调节控制的布尔逻辑和用于开关控制的梯形逻辑。
顺序控制功能可以执行启停顺序、批量处理或任何预先定义的程序步骤。
现场控制站可以支持来自现场设备的各种输入和输出信号，所有的输入和输出电路都能防止信号过载、瞬变和浪涌冲击。
4.5 自诊断及容错
控制系统具有完整的自诊断系统，在上位机操作站上显示自诊断状态和结果。自诊断系统包括全面的离线和在线诊断软件，诊断程序能对系统设备故障进行检查。
控制系统具有一定的容错能力，即当某些模块发生故障后，不影响整个系统的有效工作。
主控制器出现故障，系统输出也能保持在最后时刻的输出数值，或是预先设定的故障安全状态而不影响系统工作。
由软件设计对各个模块完好状态监视，通过上位机操作站就可以看到模块的工作状态是否正常，如果出现模块故障及时报警。
论文作者:潘会友
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：污泥论文; 系统论文; 现场论文; 液位论文; 污水论文; 设备论文; 操作论文; 《基层建设》2019年第17期论文;