污水處理廠自控系統(tǒng)是整個污水處理工程重要組成部分，其設計好壞與控制設備選擇是否適當，關系著自控系統(tǒng)性價比高低對以后整個污水處理廠運行維護難易有著重要影響。筆者以某市污水處理廠這個實際工程為例，對污水處理廠自控系統(tǒng)設計進行詳細闡述。

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5萬噸/天污水處理廠，出水排入黃海，水質達到國家一級排放標準。

本工程采用水解-AICS處理工藝。其具體流程為：污水首先分別粗格柵去除粗大雜物，接著污水進入泵房及集水井，經泵提升后流經細格柵和沉砂池，然后進入水解池，。水解池出水自流入AICS進行好氧處理，出水達標提升排入黃海。AICS反應器為改進SBR一種。其工藝流程

污水處理廠處理工藝流程

二、污水處理廠自控系統(tǒng)設計原則

從污水處理廠工藝流程可以看出，該廠主要工藝AICS反應器是改進SBR一種，需要周期運行，AICS反應器進水方向調整、厭氧好氧狀態(tài)交替、沉淀反應狀態(tài)輪換都有電動設備支持，大量電動設備開關都需要自控系統(tǒng)來完成，自控系統(tǒng)對整個周期正確運行操作至關重要。好氧系統(tǒng)作為整個污水處理工藝能量消耗大戶，它自控系統(tǒng)優(yōu)化程度越高，整個污水處理工藝運行費用也會越低，這也說明了自控系統(tǒng)整個處理工藝中重要性。

保證污水廠生產穩(wěn)定和高效，減輕勞動強度，改善操作環(huán)境，同時提高污水廠現(xiàn)代化生產管理水平，充分考慮本污水處理工藝特性基礎上，將建設現(xiàn)代化污水處理廠理念融入到自控系統(tǒng)設計當中，本自控系統(tǒng)設計遵循以下原則：先進合理、安全可靠、經濟實惠、開放靈活。

三、自控系統(tǒng)構建

污水處理廠自控系統(tǒng)是由現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構、信號采集控制和人機界面(監(jiān)控)設備三部分組成。自控系統(tǒng)構建主指三部分系統(tǒng)形式和設備選擇。本執(zhí)行機構主工藝要求由工藝專業(yè)確定，預留自控系統(tǒng)接口，儀表選擇將后面部分進行描述。信號采集控制部分主要包括基本控制系統(tǒng)選擇以及系統(tǒng)確定后控制設備和必須通訊網絡選擇。人機界面主指中控室和現(xiàn)場值班室監(jiān)視設備選擇。

1、 基本系統(tǒng)選擇

目前用于污水處理廠自控系統(tǒng)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控制系統(tǒng)。從規(guī)模來看三種系統(tǒng)所適用規(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廠區(qū)規(guī)模比較大系統(tǒng)，基于PC控制則用于小型控制點比較集中控制系統(tǒng)。

基于PC控制系統(tǒng)屬于高度集成控制系統(tǒng)，其人機界面和信號采集控制可能都處于同一個機器內，受機器性能和容量限制，本工程廠區(qū)比較大，控制點較多，采用基于PC控制系統(tǒng)是不太合適。

DCS系統(tǒng)適用于模擬量多，閉環(huán)控制多系統(tǒng)。而現(xiàn)場總線系統(tǒng)主要優(yōu)勢是適用用于控制點相當較少特別分散系統(tǒng)。從施工和維護角度來看，傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)布線工作量要遠遠大于現(xiàn)場總線系統(tǒng)。此外，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)相比，還有最為重要一點是開發(fā)性好，擴展方便。

本工程控制點700點左右，模擬量只占20%左右，屬于規(guī)模比較小類型，這些控制點是以工藝處理單元為界線分散廠區(qū)各處，本工程采用現(xiàn)場總線作為基本控制系統(tǒng)。

2、通訊網絡選擇

現(xiàn)場總線系統(tǒng)最主要特點就是依賴網絡通訊，分散控制和信號采集，最大程度減少布線，節(jié)省安裝和維護費用。現(xiàn)場總線主指從現(xiàn)場控制器或IO模塊到監(jiān)控系統(tǒng)通訊網絡。目前現(xiàn)場總線，通訊協(xié)議不同可以分為很多種，比如，ProfiBus、CAN、ControlNet、DeviceNet FF Lon總線等。目前現(xiàn)場總線技術還沒有統(tǒng)一標準，各自功能特點基本一致，本工程設計時選用中小型控制系統(tǒng)應用非常廣泛ProfiBus總線。其性價比較高，且國內推廣時間長，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合一起安全性非常高一種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雜通訊系統(tǒng)，旨解決通用性通訊任務，傳速速度中等;DP總線是用于傳感器和執(zhí)行器級高速數據傳速網絡，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，對通訊安全性要求并不太高，通信任務比較簡單，對系統(tǒng)傳輸速度有一定要求。本工程采用ProfiBUS-DP網絡，即用西門子S7系列PLC搭建整個系統(tǒng)。總線采用普通雙絞作為傳輸介質，通訊速率可以達到12MBP。

3、現(xiàn)場站設備配置選擇

ProfiBus-DP網絡來說提供了一個從現(xiàn)場到監(jiān)控層信息通道，但信號采集和執(zhí)行命令下達仍然需要由控制器和現(xiàn)場IO模塊組成站來完成。ProfiBus-DP網絡是一種主從站網絡結構。整個網絡上最多可以有128個從站，但一個作為主站，所有通訊事務都由主站來管理。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+IO模塊和通訊模塊+IO模塊。第一種方式每個從站都由CPU，每個站控制事務都由本站完成，與主站之間通訊量比較少。第二種方式是所有從站都沒有CPU，所有控制事務都由主站CPU來完成，總線網絡把命令結果傳輸到從站完成，從站遠程IO。

前述這兩種從站組成方式各有自己特點。第一種方式，控制比較分散，通訊事務較小，對網絡依賴不強，但每個站都有CPU，造價高。第二種方式，控制集中，控制事務對網絡依賴性強，需要可靠網絡來支撐，同時對主站CPU性能要求高，軟件編程和調試方面具有很大優(yōu)勢。這兩種方式對工程現(xiàn)場安裝布線施工影響比較少。

本工程控制點規(guī)模施工調試工期比較短，選用了性價比比較高第二種方式作為從站組成方式即由西門子IM153通訊模塊和S7 300系列IO模塊組成，主戰(zhàn)CPU選用S7 315-2DP系列。

4、人機界面設備選擇

人機界面設備是直接與操作管理人員進行交流監(jiān)控視備，一般由兩部分組成，即現(xiàn)場監(jiān)視設備和中控室監(jiān)視設備。現(xiàn)場監(jiān)視設備可以是PC機或是觸摸屏，中控室監(jiān)視設備一般由工控機、模擬屏或投影儀等組成。監(jiān)視設備應兼顧投資情況下，保證操作管理人員可以對整個污水處理廠全面直觀監(jiān)視與控制。

現(xiàn)場監(jiān)視設備一般比較重要單元或控制事務比較大從站中設置，操作人員及時對現(xiàn)場情況進行處理。本工程從站規(guī)模比較少，廠區(qū)大小從操作距離來看并不大，同時現(xiàn)場操作間內均設有有線電話，可不設不設現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)情況下保證現(xiàn)場與中控室聯(lián)絡暢通。

中控室監(jiān)視設備是全廠指揮和信息處理中心，其作用不言而喻。中控室監(jiān)視設備比較傳統(tǒng)做法是模擬屏加工控機方式，這種方式造價比較高且復雜。多屏卡功能不斷完善，現(xiàn)場又出現(xiàn)了工控機多屏顯示加投影儀模式。多屏卡安裝使一臺工控機可以同時拖動多臺顯示器，并顯示不同畫面，不同工段可以同時顯示，保證了操作人員監(jiān)視全面性。投影儀可以把所需要任何畫面進行放大顯示，也可以供人參觀。第二種方式造價要遠低于傳統(tǒng)做法。本工程選用APPinx一拖四多屏卡和東芝投影儀一臺。

5、其它

成套設備耦合

本工程中鼓風機為高速離心風機，脫水機為2000mm帶寬脫水機，均為大型設備。這些大型設備是由許多輔助電動部分與主機共同工作完成鼓風機和脫水機正常工作。本工程設計要求大型設備都單獨配有自己小型控制器，由供應商自己經驗編制相關程序并預留ProfiBus-DP接口，最終成為整個自控系統(tǒng)一個從站。這樣就其它大型設備自控系統(tǒng)與整個自控系統(tǒng)無縫連接，減少了不同供應商之間任務交叉重疊。

監(jiān)控軟件選擇

監(jiān)控軟件是人機交流橋梁和翻譯，是保證整個自動控制系統(tǒng)易操作、易維護最重要部分。應選用成熟、先進并應用廣泛知名監(jiān)控軟件，本項目選用力控PCAUTO組態(tài)軟件。

自控控制系統(tǒng)與管理層銜接

自控系統(tǒng)操作與污水處理廠管理層銜接主把自動控制系統(tǒng)收集到全廠信息可以順利傳輸到管理層計算機，管理人員可以線查看污水處理廠運行狀況并調用相關運行數據。監(jiān)控軟件供應商對INTERNET技術不斷應用開發(fā)，監(jiān)控軟件都可以局域網或INTERNET廣域網進行信息發(fā)布，管理層或授權用戶任何可以上INTERNET網方便可瀏覽運行狀況。而所使用MS IE瀏覽器安全性問題已經到解決。

冗余問題

本工程為污水處理廠工程，其安全性和可靠性要求并不嚴格，本設計沒有對通訊網絡和控制器進行冗余配置，只對上位工控機采用了雙機熱備配置。筆者認為資金允許情況下，應對主控制器進行冗余配置。

四、自控系統(tǒng)站點劃分

污水處理工藝工作原理以空間分別特點，布線最小、功能完整情況下對全廠站點進行了劃分，子站為泵房站、水解池站、1號改進SBR站、2號改進SBR站、脫水機房站和鼓風機房站。泵房子站負責提升泵房、粗格柵、細格柵和沉砂池數據處理，脫水機房站除負責脫水機房外，集泥池、濃縮池也歸該站內，其余子站負責各自工藝單元。主站為變電所站，設變電所內。各站配置控制點數量統(tǒng)計如下表：

工段名稱 控點類型及數量

DI DO AI AO

泵房子站 96 16 20 2

水解池子站 64 32 16

1號改進SBR子站 160 64 32

2號改進SBR子站 160 64 32

脫水機房子站 24 8 8

鼓風機房子站 設備配套PLC并提供接口

各站所配置控制點數量，富余量均大于20%。

污水處理廠自控拓補圖

五、自控系統(tǒng)儀表選擇

儀表系統(tǒng)遵循“工藝必需、計量達標、實用有效、免維護”原則進行設計，儀表配置如下：

粗格柵渠配置超聲波液位差測量儀表1套;

集水池配置超聲波液位測量儀表1套;

細格柵進水井：pH及溫度測量儀表1套;

細格柵渠配置超聲波液位差測量儀表1套;

AICS反應池配置溶解氧測量儀表及懸浮物濃度測量儀表各4套;

AICS反應池進氣管路流量測量儀表3套;

鼓風機房配置鼓風機進出風管壓力測量儀表6套;

集泥池配置超聲波液位測量儀表1套;

脫水機房配置脫水機進泥管路流量測量儀表2套(隨污泥脫水設備成套);

絮凝制藥裝置液位開關2套(隨污泥脫水設備成套);

變電所配置各出線回路電量測量儀表。

盡管上述儀表中部分儀表已經實現(xiàn)國產化，精度和穩(wěn)定方面與進口產品還有一定差距，上述儀表中除通用流量、溫度和壓力儀表外，其它均采用進口產品。

六、自控系統(tǒng)功能設計

自動控制系統(tǒng)保證污水處理工藝正常運轉外，還有可以提高處理工藝整體優(yōu)化水平等，本工程功能設計主要歸納如下;

1、單體設備控制

對單體設備來說其控制分為三個層次，其優(yōu)先順序為現(xiàn)場手動控制、上位手動控制和PLC自動控制，這樣現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)設備故障時可以最快速度切斷故障設備運行，最大程度降低設備損壞程度。整個系統(tǒng)中，單體設備損壞時保證系統(tǒng)其它無關聯(lián)設備正常運轉。

2、節(jié)能控制

本工程節(jié)能設計主要包括提升水泵變頻控制和好氧部分溶解氧自動調節(jié)控制兩部分。

變頻器與液位計形成閉環(huán)控制，保持集水井內液面穩(wěn)定，這樣可以減少因提升泵啟動對處理系統(tǒng)造成沖擊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，同時水量變化調節(jié)水泵頻率，降低了運行能耗。

為保持AICS反應器曝氣部分溶解氧濃度穩(wěn)定2mg/l左右，控制鼓風機進口導葉角度來實現(xiàn)鼓風機流量調節(jié)，達到節(jié)能目。

此外，液位差控制格柵按需運轉也是節(jié)能設計一部分。

3、信息處理設計

上位監(jiān)控軟件系統(tǒng)直接采集線儀表數據，并以數據報表和圖形顯示，還可處理工藝原理自動對所采集數據進行分析和推導，提煉出對運行操作更有指導意義數據。如：

污泥負荷、 提升水泵運行效率、污泥齡、絮凝劑投加比例、鼓風機運行效率、泵房提升單方水量電耗、鼓風機每1000m3供風電耗、單方污水污泥處理電耗、低壓總電量、附屬設施耗電量、工藝設施總耗電量、提升電耗、供風電耗以及工藝其它各個工藝構筑物電耗等等。

七、自控特點：

1、低投資：投資少

本工程除一些精度要求高線監(jiān)測儀表(污泥濃度計、溶解氧儀和液位計)為進口儀表外，其余部分線儀表實現(xiàn)國產化，節(jié)省了一部分投資費用。

另外，從工藝控制角度看，省區(qū)了一些不影響工藝運行要求線儀表，如ORP計、氣體流量計等。不設現(xiàn)場監(jiān)視設備也是降低投資重要原因之一。

自控系統(tǒng)總線技術選取上、現(xiàn)場I/O控制設備和上位監(jiān)控設備選取上，均采用了性價比較高產品。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)約了大量費用。

2、低費用：運行費用低

占全廠能耗90%原水提升和鼓風曝氣這兩個環(huán)節(jié)上，依托自動控制系統(tǒng)，進水段實現(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流量范圍，克服了多臺泵切換啟停，流量突變對后續(xù)工藝水力沖擊，也達到節(jié)能目，立式潛污泵提水電耗為4.75kwh/km3。

占全廠能耗75%以上鼓風機選用單級高速離心風機，控制進口導葉開度調節(jié)風量，降低能耗，具體作法是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)可操作性，使管理者任意時間和點可對工藝系統(tǒng)進行全方面監(jiān)控，及時了解到處理系統(tǒng)運行優(yōu)劣狀態(tài)。

八、投資

本工程自控系統(tǒng)預算費用約占污水處理廠總投資5%左右。它污水處理廠相比，本工程自控系統(tǒng)投資是中等偏下，性價比較高。

九、結語

該污水處理廠自控系統(tǒng)是工藝要求確定設計原則下進行設計，既保證污水處理系統(tǒng)正常運行，又盡可能降低了工程造價投資，其設計過程和結果對其它污水處理工程自控設計具有一定借鑒意義。