摘 要: 本文介紹了朝陽(yáng)污水處理廠自控系統(tǒng)的構(gòu)成方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、工藝流程、網(wǎng)絡(luò)通信方式、系統(tǒng)運(yùn)行情況以及要解決的問(wèn)題。
關(guān)鍵字: 自動(dòng)控制 可編程邏輯控制器 網(wǎng)絡(luò) 工藝流程
1 引言
南昌市朝陽(yáng)污水處理廠工程于2000年底全部竣工并投產(chǎn)，同期被南昌水業(yè)集團(tuán)收購(gòu)，現(xiàn)已成為日處理污水8×104m3的現(xiàn)代化污水處理廠。工廠建立了計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)控制自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，極大的提高了生產(chǎn)效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。該套自控系統(tǒng)由上海市政工程設(shè)計(jì)院斯美自控公司設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，工廠技術(shù)人員給予了相當(dāng)大的技術(shù)支持，并在試運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合實(shí)際情況，提出了許多合理化建議。以下將對(duì)該系統(tǒng)各部分進(jìn)行介紹。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
工廠自控系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的模式�？刂葡到y(tǒng)分為兩級(jí):現(xiàn)場(chǎng)站和中央站。廠內(nèi)設(shè)一個(gè)中央控制站、兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站�，F(xiàn)場(chǎng)站獨(dú)立完成該區(qū)域有關(guān)工藝過(guò)程中參數(shù)檢測(cè)值的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制，中央站主要完成全廠的數(shù)據(jù)顯示、控制和管理。
(1) PLC控制系統(tǒng)
本廠設(shè)2個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)站，負(fù)責(zé)收集設(shè)備狀態(tài)信號(hào)及儀表測(cè)量值，并完成現(xiàn)場(chǎng)控制。1號(hào)PLC站設(shè)于進(jìn)水泵房，用于粗格柵及進(jìn)水泵站、細(xì)格柵及沉砂池的工藝過(guò)程參數(shù)采集和控制。2號(hào)PLC站設(shè)于配電間，用于對(duì)氧化溝、回流剩余污泥站、二沉池、排放泵站和脫水機(jī)房等主要設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、儀表參數(shù)、工藝過(guò)程參數(shù)進(jìn)行采集和控制。其硬件框圖如圖1所示。
圖1 PLC控制系統(tǒng)硬件框圖
(2) 上位機(jī)及模擬屏監(jiān)控系統(tǒng)
集中控制室配置互為熱備的集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作單元兩套、模擬屏一面。計(jì)算機(jī)與PLC采用了TCP/IP工業(yè)以太網(wǎng)通訊，構(gòu)成全廠的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。模擬屏采用鑲嵌式彩色馬賽克，用于反映全廠污水處理工藝過(guò)程和主要工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示。模擬屏與計(jì)算機(jī)采用RS232口通訊。上位機(jī)能完成各種數(shù)據(jù)的處理并將處理結(jié)果提交到中央數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集中管理，可打印日、月報(bào)表及報(bào)警值，還可在人機(jī)界面中顯示各組相關(guān)數(shù)據(jù)、工藝流程的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及歷史趨勢(shì)。
3 PLC控制方案
在介紹自控系統(tǒng)之前，先介紹一下朝陽(yáng)污水處理廠工藝流程(如圖2所示)。
圖2 工藝流程圖
現(xiàn)將根據(jù)工藝流程、系統(tǒng)各部分功能介紹如下：
3.1 進(jìn)水泵房
來(lái)自市政管網(wǎng)的污水先經(jīng)粗格柵去除較大的飄浮物后，再由潛污泵提升入污水處理廠。
泵房?jī)?nèi)設(shè)潛污泵8臺(tái)(其中2臺(tái)備用)，正常情況下水泵由PLC根據(jù)超聲波液位計(jì)顯示液位啟動(dòng)，采用先開(kāi)先停，輪換開(kāi)泵，使泵開(kāi)啟時(shí)間均衡。在非常情況下(如城市遭受大暴雨襲擊等)，PLC可以執(zhí)行應(yīng)急控制程序，該控制程序能在極端情況下最大限度的控制設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)保證泵和配電設(shè)備的安全運(yùn)行。由于進(jìn)水泵房是整座污水廠最重要的部分之一，故在現(xiàn)場(chǎng)控制箱二次回路中再增加低液位鎖定與高液位緊急啟動(dòng)，以確保在液位計(jì)故障的情況下，進(jìn)水泵房的設(shè)備能夠安全運(yùn)行。PLC的應(yīng)急控制程序與現(xiàn)場(chǎng)控制箱的高低液位鎖定構(gòu)成了進(jìn)水泵房的雙保險(xiǎn)。
以下是對(duì)進(jìn)水泵房各環(huán)節(jié)控制方案的簡(jiǎn)要介紹。
(1) 機(jī)械粗格柵控制方案
機(jī)械粗格柵正常情況下，每隔兩小時(shí)啟動(dòng)一次，但當(dāng)粗格柵前后液位差大于200mm時(shí)，立即啟動(dòng)除污機(jī)。當(dāng)液位差恢復(fù)正常時(shí)，除污機(jī)按正常程序工作。格柵與皮帶輸送機(jī)、壓榨機(jī)的聯(lián)動(dòng)由現(xiàn)場(chǎng)控制箱控制，格柵也可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。
(2) 進(jìn)水泵控制方案
進(jìn)水泵房?jī)?nèi)共設(shè)8臺(tái)潛污泵(其中兩臺(tái)備用)，工作泵根據(jù)PLC送來(lái)的液位信號(hào)逐臺(tái)開(kāi)停，并根據(jù)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)輪值，使各泵開(kāi)啟時(shí)間均衡，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制箱利用高、低液位開(kāi)關(guān)信號(hào)，低液位鎖定停泵及高液位緊急啟動(dòng)，并備有應(yīng)急控制程序;進(jìn)水泵房集水井設(shè)超聲波液位計(jì)一套，測(cè)量進(jìn)水液位值，測(cè)量信號(hào)送1#PLC;設(shè)浮球開(kāi)關(guān)兩套，信號(hào)送1#PLC及現(xiàn)場(chǎng)控制箱，作高液位報(bào)警和水泵干運(yùn)行保護(hù)。
最高報(bào)警液位 Hm=15.30 (33%)
高液位 H=14.75(23%)
低液位 L=14.45(17%)
最低報(bào)警液位 Lm=13.65(3%)
當(dāng)液位Y:
Y≥Hm:執(zhí)行應(yīng)急控制程序
Hm>Y>H:為開(kāi)泵區(qū)，當(dāng)液位再上升時(shí)增開(kāi)一臺(tái)泵
H>Y>L: 維持泵開(kāi)啟臺(tái)數(shù)不變
L>Y> Lm:為關(guān)泵區(qū)，當(dāng)液位再下降時(shí)關(guān)閉一臺(tái)泵
Lm≥Y: 關(guān)閉所有泵。
PLC執(zhí)行上述判別的時(shí)間為每5分鐘1次
(3) 細(xì)格柵除污機(jī)控制方案
機(jī)械細(xì)格柵正常情況下，每隔兩小時(shí)啟動(dòng)一次，但當(dāng)細(xì)格柵前后液位差大于200mm時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)除污機(jī)。當(dāng)液位差恢復(fù)正常時(shí)，除污機(jī)按正常程序工作。格柵與皮帶輸送機(jī)、壓榨機(jī)的聯(lián)動(dòng)由現(xiàn)場(chǎng)控制箱控制，格柵也可在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。細(xì)格柵前后各設(shè)超聲波液位計(jì)一套，測(cè)量細(xì)格柵前液位，測(cè)量信號(hào)送1#PLC。
(4) 沉砂池控制方案
沉砂池內(nèi)攪拌板為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，砂泵可根據(jù)PLC由時(shí)間程序控制開(kāi)停，以節(jié)約能耗。具體運(yùn)行時(shí)間根據(jù)進(jìn)水沙的含量來(lái)確定，砂水分離器的啟停與砂泵實(shí)行聯(lián)動(dòng)。
兩條沉砂池出水管各設(shè)一套電磁流量計(jì)，測(cè)量進(jìn)水流量，測(cè)量信號(hào)送1#PLC;沉砂池設(shè)pH測(cè)量?jī)x一套，測(cè)量進(jìn)水pH，測(cè)量信號(hào)送1#PLC。
3.2 氧化溝
沉砂池出水由底部進(jìn)入配水井，通過(guò)兩座調(diào)節(jié)堰門(mén)向回轉(zhuǎn)式氧化溝配水后與回流污泥一起進(jìn)入氧化溝。兩組氧化溝共設(shè)10臺(tái)葉輪表曝機(jī)。出水采用可調(diào)式堰板，每組氧化溝設(shè)2臺(tái)5m長(zhǎng)堰板。
每組氧化溝設(shè)4只溶解氧測(cè)定儀，氧化溝中溶解氧的分布是不均勻的，污水對(duì)氧的需求量與進(jìn)水流量、污水濃度等因素有關(guān)，因此僅僅靠溶解氧值控制表曝機(jī)不盡合理，上海市政工程設(shè)計(jì)院根據(jù)多年調(diào)試氧化溝的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了溶解氧與充氧量之間的關(guān)系，形成了“模糊技術(shù)自動(dòng)控制充氧量”的技術(shù)，該技術(shù)綜合了進(jìn)水流量、污水濃度、溶解氧的分布等情況來(lái)控制表曝機(jī)，使氧化溝出水水質(zhì)達(dá)到最佳狀態(tài)，同時(shí)使表曝機(jī)處于節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)。
兩座氧化溝各設(shè)四套DO測(cè)量?jī)x，測(cè)量DO值，測(cè)量信號(hào)送2#PLC;同時(shí)各設(shè)兩套MLSS測(cè)量?jī)x，測(cè)量懸浮固體濃度，測(cè)量信號(hào)送2#PLC。
(1) 表曝機(jī)控制方案
當(dāng)進(jìn)水流量大于1000m3/h時(shí)啟動(dòng)1#、2#、3#定速表曝機(jī)，1#變速表曝機(jī)由3#、4#溶氧儀控制，控制采用模糊控制技術(shù)，4#溶氧儀以2-3mg/l為最佳值，3#溶氧儀以3-4mg/l為最佳，2#變速表曝機(jī)由氧化溝溶解氧的平均值控制。
若溶解氧的平均值小于0.5mg/l，2#變速表曝機(jī)開(kāi)100%;
若溶解氧的平均值大于0.5mg/l，小于1mg/l:2#變速表曝機(jī)開(kāi)80%;
若溶解氧的平均值大于1mg/l，小于1.5mg/l:2#變速表曝機(jī)開(kāi)60%;
若溶解氧的平均值大于1.5mg/l，小于2mg/l:2#變速表曝機(jī)開(kāi)40%;
若溶解氧的平均值大于2mg/l，2#變速表曝機(jī)關(guān)閉。
(2) 堰門(mén)控制方案
根據(jù)氧化溝的運(yùn)行狀況，可以由手動(dòng)調(diào)節(jié)出水堰門(mén)的高度。
3.3 二沉池單元
二沉池采用周邊進(jìn)水、出水輻流式沉淀池，直徑36m，共四座。單池內(nèi)安裝周邊傳動(dòng)全橋雙臂式吸泥機(jī)一臺(tái)，沉淀污泥由吸泥機(jī)吸出后重力排至池邊污泥井，經(jīng)堰門(mén)調(diào)節(jié)后進(jìn)入回流污泥泵房。
兩座回流污泥泵房設(shè)浮球開(kāi)關(guān)兩套，作高低液位報(bào)警和水泵干運(yùn)行保護(hù)，測(cè)量信號(hào)送2#PLC;同時(shí)設(shè)浮球開(kāi)關(guān)兩套，作高低液位報(bào)警和水泵干運(yùn)行保護(hù)，測(cè)量信號(hào)送2#PLC;兩條回流污泥管各設(shè)一套電磁流量計(jì)，測(cè)量回流污泥量，測(cè)量信號(hào)送2#PLC;同時(shí)各設(shè)一套電磁流量計(jì)，測(cè)量剩余污泥量，測(cè)量信號(hào)送2#PLC。
該系統(tǒng)采用的控制方式為:連續(xù)運(yùn)行，由PLC自動(dòng)顯示工作狀況，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制開(kāi)停。
3.4 回流污泥泵站與剩余污泥泵站
兩座回流污泥泵站位于兩座沉淀池中間，每座泵站內(nèi)設(shè)置3臺(tái)潛污泵(其中1臺(tái)備用)，用于提升回流污泥至回轉(zhuǎn)式氧化溝，保持氧化溝內(nèi)微生物數(shù)量。
廠內(nèi)設(shè)二座剩余污泥泵站，每座泵站內(nèi)設(shè)置2臺(tái)潛污泵(其中1臺(tái)備用)，用于將剩余污泥提升至均質(zhì)池。當(dāng)液位小于液位下下限時(shí)，PLC送出聯(lián)鎖信號(hào)停泵(回流污泥泵和剩余污泥泵);當(dāng)液位大于液位上上限時(shí)，PLC送出聯(lián)鎖信號(hào)開(kāi)泵(回流污泥泵和剩余污泥泵)。
均質(zhì)池內(nèi)設(shè)超聲波液位計(jì)一套，測(cè)量泥位，測(cè)量信號(hào)送2#PLC。
(1) 回流污泥泵控制方案
根據(jù)回流污泥井液位由PLC自動(dòng)控制水泵開(kāi)停(常開(kāi)2臺(tái))，自動(dòng)切換，同時(shí)可采用遙控或現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。
(2) 剩余污泥泵控制方案
根據(jù)剩余污泥井液位由PLC自動(dòng)控制水泵開(kāi)停(常開(kāi)1臺(tái))，自動(dòng)切換，同時(shí)可采用遙控或現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。
3.5 均質(zhì)池
均質(zhì)池內(nèi)設(shè)水下攪拌器，為潛水葉輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)向手柄可在池內(nèi)任一角度進(jìn)行攪拌，使池內(nèi)污泥濃度均勻。
3.6 污泥脫水機(jī)
本工程采用一體化濃縮脫水機(jī)。經(jīng)過(guò)脫水后的污泥含水率低于80％，泥餅通過(guò)泥餅運(yùn)輸系統(tǒng)送至污泥堆棚，然后裝車(chē)外運(yùn)。濃縮脫水一體機(jī)共兩套，控制柜由設(shè)備供應(yīng)商成套提供。
3.7 出水泵房
為減少污水廠日常運(yùn)行費(fèi)用，降低流程標(biāo)高，在污水處理流程末端增設(shè)出水泵房。根據(jù)撫河水位，污水廠出水采用高水位泵排，低水位重力排放的運(yùn)行方式，以達(dá)到節(jié)能的目的。泵房?jī)?nèi)設(shè)潛污泵6臺(tái)(其中兩臺(tái)備用)。水泵由PLC根據(jù)液位啟動(dòng)，先開(kāi)先停，采用輪換開(kāi)泵，使各泵開(kāi)啟時(shí)間均衡。
4 運(yùn)行情況總結(jié)
整套系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，基本上能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，特別是對(duì)于運(yùn)行班組的成員，可以更加全面及時(shí)的了解全廠設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)處理運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
在氧化溝單元，由于對(duì)變速曝氣機(jī)實(shí)行了“模糊技術(shù)自動(dòng)控制充氧量”方案，根據(jù)溶氧值及進(jìn)水流量等參數(shù)對(duì)曝氣機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，使溶解氧值平穩(wěn)地保持在一定范圍內(nèi)，在較大程度上節(jié)省了電能，降低運(yùn)行成本，取得了令人滿意的效果。
當(dāng)然，在運(yùn)行過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)存在的不足之處，例如:
(1) 在進(jìn)水泵房單元，由于市政管網(wǎng)的污水中含有大量泥砂和浮渣，泵在自動(dòng)運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)被堵塞，必須強(qiáng)制停止一段時(shí)間后再繼續(xù)運(yùn)行，這給自動(dòng)控制進(jìn)水泵的開(kāi)啟增加了一定的麻煩，建議在PLC程序中增加限制條件，使之運(yùn)行一段時(shí)間后可強(qiáng)制停止水泵延時(shí)幾分鐘再繼續(xù)運(yùn)行。
(2) 由于我廠剩余污泥泵房日排泥量有限，氧化溝內(nèi)的濁度(MLSS)儀數(shù)值偏高，而溶氧值偏低，在此情況下，曝氣機(jī)處于全部啟動(dòng)狀態(tài)，從而使變配電間變電器的負(fù)荷較大。
(3) 由于我廠人員大多數(shù)來(lái)自水廠，對(duì)污水處理的工藝也是第一次接觸，且沒(méi)有接觸過(guò)PLC系統(tǒng)，這就要求生產(chǎn)技術(shù)人員除了要掌握自控操作的一般要求外，還必須掌握PLC的程序，熟悉程序設(shè)計(jì)思路，以便及時(shí)更改參數(shù)，并根據(jù)我廠實(shí)際工作需要修改程序，使之符合我廠工藝的要求。
5 污水廠自控系統(tǒng)建設(shè)的幾點(diǎn)建議
(1) 現(xiàn)代化污水處理廠應(yīng)建立完整的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)
工廠雖然建立了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但它僅僅是一個(gè)對(duì)基層現(xiàn)場(chǎng)控制、管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并沒(méi)有建立生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，廠長(zhǎng)室、生產(chǎn)技術(shù)科、化驗(yàn)室、中控室和機(jī)修車(chē)間的數(shù)據(jù)不能共享。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)把生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)作為污水處理廠重要的硬件設(shè)施加以考慮。建立企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)各部門(mén)的工作，提高企業(yè)勞動(dòng)效率和企業(yè)的管理水平，并可實(shí)現(xiàn)辦公的無(wú)紙化。其次在建立了現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)后，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)系統(tǒng)的管理，重點(diǎn)是建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，積累工藝參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)、化驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)度指令，它是運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)的積累，也是科學(xué)研究的重要資料。
(2) 加強(qiáng)自控系統(tǒng)管理人員的培訓(xùn)
污水處理廠調(diào)試結(jié)束投人運(yùn)行，意味著一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的控制模式已經(jīng)建立和調(diào)試人員的撤離，但是污水廠的水質(zhì)水量不是一成不變的，隨著水質(zhì)水量的變化，就應(yīng)當(dāng)建立一套與之相適應(yīng)的控制模式，要求系統(tǒng)管理人員具備PLC編程的能力。另外目前的上值機(jī)往往與因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)或充當(dāng)辦公設(shè)備，也會(huì)有感染病毒的可能，會(huì)造成死機(jī)或文件丟失，系統(tǒng)管理人員應(yīng)當(dāng)具備處理這類問(wèn)題的能力。這些都對(duì)系統(tǒng)管理人員的業(yè)務(wù)水平提出很高的要求，筆者認(rèn)為這些人員培訓(xùn)的最佳機(jī)會(huì)是自控系統(tǒng)的調(diào)試階段，這個(gè)過(guò)程是最具針對(duì)性的，應(yīng)當(dāng)充分利用這一機(jī)會(huì)提高系統(tǒng)管理人員的業(yè)務(wù)水平。
(3) 加強(qiáng)儀表的維護(hù)和保養(yǎng)工作
污水處理廠自控系統(tǒng)的運(yùn)作首先依賴于儀表，沒(méi)有正確的儀表指示，PLC無(wú)法進(jìn)行有效正確的自動(dòng)控制。儀表的維護(hù)和保養(yǎng)往往是污水處理廠管理的弱項(xiàng)。另外由于資金原因，過(guò)期的探頭得不到及時(shí)的更換，這些都是自動(dòng)控制系統(tǒng)的污水處理廠應(yīng)當(dāng)注意的。
6 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)一年多的試運(yùn)行，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并且取得了令人滿意的效果，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理自動(dòng)化，使生產(chǎn)率大大提高。但該系統(tǒng)還存在一定的不足，需要工程設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)管理人員在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中不斷的探索。
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