1、XX县污水处理厂自控系统方案设计山东XX电子工程有限公司20XX-1-91、工程概述XX县污水处理厂位于XX县北郊，一期工程日处理规模4万m3/d，二期工程设计日处理规模也是4万m3/d，目前开工建设第一期工程，并考虑与第二期留有接口。XX县污水处理厂采用百乐克工艺，百乐克工艺是一种具有除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统。它是由最初采用天然土池作反应池而发展起来的污水处理系统。自1972年以来，经多年研究形成了采用土池结构、利用浮在水面的移动式曝气链、底部挂有微孔曝气头的一种具有一定特色的活性污泥处理系统。整个工艺流程处理设施由粗格栅、提升泵房、细格栅、旋留式沉砂池、百乐克生化池、脱水机房
2、等单位组成。为了更好的保证污水的处理质量，增设自动控制系统来控制污水处理流程高效运行是十分必要的。基于同样的理由，自动控制系统的控制过程也必须依靠检测仪表来提供相应的控制指标。所以检测仪表和控制设备是相辅相成的，两者只有选择得当才能保证工程达到预期的效果。根据XX县污水处理厂招标文件的要求，参考相关的水、电等机电设备的相关资料，自动控制及仪表系统需监控的内容有： 系统设备监控：包括粗格栅系统、进水污水泵自控及运行优化调节、细格栅、钟式沉砂池系统、曝汽量和污泥回流量的自动调节、电动闸门的控制、脱水机房的控制、电力监控等。 重要设备的监控：粗格栅、进水泵、细格栅、水下推进器、水下搅拌器、污泥沟回流
3、泵、启闭机、刮沫机等的运行状态。 水的监测：温度、PH值、水流量、水位、水的溶解氧、水的污泥浓度、硫化氢含量、氧化还原电位以及COD、TP、NH4-N等其他参数。 系统中需要的各种监测仪表 系统集成：集中控制的显示及系统管理软件 提供与环保系统的通讯与接口。山东XX电子工程有限公司本着科学合理、认真负责的态度，针对XX县污水处理厂招标要求，以及将来正常运营的综合考虑，对污水处理厂的自动控制系统进行了设计，选用高精度、高稳定性、免维护或低维护量的智能化现场仪表，积极稳妥的采用先进技术、可靠、高效运行，管理方便、维修维护简便的控制设备。设计建成一个可靠、开放的自动化应用系统。2、工程范围：针对XX
4、县污水处理厂的处理工艺，此次投标工程的工作范围为：1）根据XX县污水处理厂工程建设项目图纸等文件的要求，完成自控仪表系统的设计、制造、运输、安装、安装指导、调试、试运行、验收及售后服务工作，并向业主移交与上述工作有关的、必要的资料。2）负责该系统的深化设计，并保证上述工作完全符合招标文件的要求，同时也满足设备正常、有效运行的需求。3）我方对投标内容所涉及的专利承担完全的责任，并负责业主利益不受侵害。4）我们公司承诺业主若根据情况对招标图纸作局部修改，我方将根据修改后的图纸对施工图和施工方案作相应的修改。5）我们公司的工作还包括以下的内容： 系统的深化设计 设备的制造和供货 设备及部件的检查、检
5、验、测试 设备及部件的包装、运输 设计交底 设备及设备安装部件的安装指导 设备及系统调试 整改工作 与其它分包商的协调配合 竣工验收 保修期及售后服务3、系统设计说明系统采用先进的、集散型网络结构实现污水处理自动控制系统的实时集中监控管理功能。作为集散性控制分站的控制器通信网络，应能实现各分站间，分站与中央站之间使用专用设备接口的数据通信。XX县污水处理厂百乐克处理工艺，某些设备之间距离较远，属不同的控制器控制，控制分站间的通信可实现这些距离较远设备间可靠的数据传输。监控的界面应为全中文Windows界面，便于操作员的学习和掌握，监控界面直观形象。系统采用灵活的模块化现场控制器，对于不同的现场
6、设备分布配置相应的输入/输出模块，保证系统良好的集散性和以后的扩展性。系统尽量采用同一厂家，高可靠性和高性能价格比的设备，以保证各设备间良好的协调性和长期运行稳定性。为客户带来物有所值的经济效益。系统采用优化的控制方案，实现节能控制。污水进水、百乐克生化处理系统是污水处理的能源消耗的大户，采用良好的控制方案不但可为污水处理提供一个优化的量化控制，且能大大节约能源。为污水处理工艺带来以下优点：1. 节能一般而言，污水处理控制系统的能量消耗几乎大部分在污水进水、百乐克生化处理系统，特别是各种水泵，如何使这些设备高效运行，是自控系统必须考虑的问题。因此，采用最优化的控制模式来满足系统的功能要求，就会
7、为XX县污水处理厂带来很大经济效益。2. 节约人力，提高工作效率XX县污水处理厂百乐克工艺，厂内机电设备数量和型号众多，并且分布于工厂的各个角落，采用自控系统统一管理这些设备，只需在工作站上就可监控所有设备的运行情况，并且可以通过设定时间让DCS系统自动对设备定时控制或通过优化算法实现闭环控制，不仅可大大节省人力，还可大大提高工厂的管理效益。3. 延长设备寿命利用自控系统的软件功能，自动累计各种机电设备的运行时间，在可以利用备用设备的情况下，自动循环使用常用设备和备用设备。如水泵和阀门等，这样可以延长它们的使用寿命。污水处理自动控制系统本着安全、可靠、实用性与先进性相结合的原则进行设计。仪表系
8、统关键参数的检测选用进口设备,在满足检测要求的前提下选择极少的国产检测设备，系统的安装与调试应严格按照国家有关的规范和ISO9000系列的要求去做。在认真阅读招标文件的要求之后，综合考虑系统设计的实用性、科学性、经济合理等因素，对于各分站的布置以及以太网的组网设计作了调整，同时兼顾了闭路电视系统的组网要求，以及现代闭路电视的发展趋势。因此，本设计减少模拟屏PLC控制站，直接用监控计算机作为显示的驱动，其他三站的以太网络交换机也不做配置，直接通过总线结构进行组网，与监控计算机进行通讯。监控计算机作为污水处理厂局域网的接点设置在中央控制室内，与厂长办公室、总工室、化验室、数字硬盘录像机等组成以太网
9、共享资源。这样能够做到节能、降耗、易于维护和增加了网络的稳定性；节省建设资金，降低造价；具有良好的性价比，应用本工程具有先进性、合理性。3、1系统设备控制点数表（不含中控室部分）本系统设计前端采用PLC控制器，主要用采集现场设备的数字量和模拟量，对机电设备运行控制，根据现场的设备配置，自控系统的布点如下：XX污水处理厂自动控制系统点表序号位置监测内容DIDOAIAO备注粗格栅池1粗隔栅电机手动/自动切换22粗隔栅电机运行/停止23粗隔栅电机正常/故障224粗隔栅电机故障报警15粗隔栅电机启停输出165台电动闸门手动/自动575台电动闸门开阀到位585台电动闸门关阀到位595台电动闸门开关阀过转
10、矩5105台电动闸门正常/故障55115台电动闸门开闭命令512进水井液位113粗隔栅液位114粗隔栅前液位液位差115粗隔栅液位开关116硫化氢检测报警器1细格栅池17细隔栅电机手动/自动切换63(二期)18细隔栅电机运行/停止63(二期)19细隔栅电机正常/故障63(二期)20细隔栅电机故障报警63(二期)21细隔栅电机启停输出63(二期)22细隔栅液位差123进水流量1进水泵房243台进水泵手动/自动63(二期)253台进水泵运行/停止63(二期)263台进水泵正常/故障63(二期)273台进水泵故障报警63(二期)283台进水泵启停输出63(二期)29进水泵房液位130进水PH值131
11、温度1鼓风机房323台鼓风机手动/自动63(二期)333台鼓风机运行/停止63(二期)343台鼓风机正常/故障63(二期)353台鼓风机启停输出63(二期)364台鼓风机故障报警63(二期)脱水机房372台脱水机手动/自动2382台脱水机运行/停止2392台脱水机正常/故障2402台脱水机故障报警2412台脱水机启停输出2422台运送机手动/自动2432台运送机运行/停止2442台运送机正常/故障2452台运送机故障报警2462台运送机启停输出2472台污泥搅拌机手动/自动2482台污泥搅拌机运行/停止2492台污泥搅拌机正常/故障2502台污泥搅拌机故障报警2512台污泥搅拌机启停输出252
12、2台加药机手动/自动2532台加药机运行/停止2542台加药机正常/故障2552台加药机故障报警2562台加药机启停输出2571台加药装置手动/自动1581台加药装置运行/停止1591台加药装置正常/故障1601台加药装置故障报警1611台加药装置启停输出1621台清水泵手动/自动1631台清水泵运行/停止1641台清水泵正常/故障1651台清水泵故障报警1661台清水泵启停输出1672台潜水搅拌器手动/自动2682台潜水搅拌器运行/停止2692台潜水搅拌器正常/故障2702台潜水搅拌器故障报警2712台潜水搅拌器启停输出272超声波液位计373电磁流量计174电导率仪1计量渠75PH+T计2
13、76SS仪177流量178生物池79PH+T计280溶解氧澄清池81出水流量1总控制点数：122742102173、2自动化管理信息系统功能描述自动控制系统是一个典型的DCS系统，由监控级和现场控制级两级组成，随着目前因特网技术的飞速发展，且厂区监控系统的存在，因此从整个污水处理厂信息管理角度看又可以分为三层，在DCS之上还有一个信息集成系统，所以将其称为自动化管理信息系统。下面首先描述自动化控制系统的功能，控制原理图如下所示：自动控制系统主要完成粗格栅系统、进水污水泵自控及运行优化调节、细格栅、钟式沉砂池系统、百乐克生化反应池曝汽量的自动调节、电动闸门的控制、脱水机房的控制、电力监控、水质检
14、测等的监测，根据各种测试仪表的检测结果，调整闸门的开启，控制设备的等。除了完成上述顺序逻辑控制外，更为重要的是从污水处理的整个系统流程角度实现节能与运行成本降低的目的，做到管、控一体化。按照标书要求，1#PLC站安装在进水泵房间，主要用于粗格栅、进水泵等处机电设备的控制，以及进水水质等的测量，根据液位、运行时间的变化控制粗格栅的启停、以及进水泵的启停运行，同时将运行状态、模拟量数值等数据通过系统通讯电缆上传至中央控制室进行显示；2#PLC站安装在百乐克生化反应池，用于水下推进器、搅拌器和曝气等的监控，以及模拟量的采集；3#PLC站安装在脱水机房用于脱水设备、回流泵、变配电室设备的监控，以及模拟
15、量的采集。PLC现场部分的控制原理如图所示：3.2.11#PLC站1#PLC站控制模式。通过安装在集水井、隔栅前后，提升泵的液位检测值来开启或关闭电机的运行。主要的控制策略为：检测隔栅两边的液位差，当达到一定的值后（出现阻塞现象），启动隔栅电机和相关的输送设备将大的污物从污水中清出，当差值降低后，停止隔栅的运转。同时也可以采取定时开启的方式来实现上述功能，但从节能的角度，利用液位差的方式更有效些。对于提升水泵，根据液位变化率决定水泵开启的台数、同时在集水池底部安装液位开关，防止干抽现象发生。为提高设备运行质量，还利用累计的运行时间来自动控制电机的启停、互为备用等工作。监控内容： 对进水泵机组的
16、运行状态、故障报警进行监测。 监测污水进水液位，根据液位变化控制机电设备运行。 对水泵的运行状态、故障报警进行监测，并进行最优启停控制。 自动运行模式下，水泵机组的开启与对应的水阀的开关进行连锁控制。 累计运行时间，通过联网将报告直接传送至有关部门。 正确上传PH值、温度计等模拟量的数值。 水泵的机电回路二次盘处于自动状态时，可通过PLC控制器自动控制运行，并反映运行情况。控制方法设计：此部分所要控制的设备主要有粗格栅、进水泵、钟式沉沙系统等，本着既能保证合理运行，又能保证节能的原则，在粗格栅前后安装液位计，根据液位差的变化来决定粗格栅的运行。自动运行开启后，粗格栅运行一次，十G五分钟之后，粗
17、格栅停止，螺旋输送机继续运行1小时，已保证有足够的时间将污物输送到固定地点，PLC控制器将当前液位差值作为比较液位（一般粗格栅前后有0.15米左右的固定差值）存储，当液位差值上升100mm（可设定）后，再次启动粗格栅，同样运行15分钟后停止，PLC控制器再将当前液位差值作为比较液位存储，重复以上控制规律。当在较长时间内如果没有差值变化时，粗格栅如果不启动极有可能造成下次启动的故障，因此在粗格栅停止一段时间后（可设定为5小时）进行启动运行，运行规律与液位差控制时相同。细格栅部分的控制规律与粗格栅相同。提升泵的自动控制主要取决于液位的变化，自动控制开启后，提升泵液位的数值传入PLC控制器，PLC控
18、制器便根据液位控制3台提升泵的开启数量、运行时间等的组合，并可根据现场变频器的安装情况进行变频控制或鲁棒控制以达到节省能源的需求。同时考虑每个进水泵的累计时间，超过一定时间自动切换另一台进水泵，以保证各台泵的运行时间均等。为确保提升泵运行安全性，在距集水池相应安装液位开关，以确保提升泵的保护性停机。沉砂系统根据时间设定启动排沙过程，用PLC设定空压机、砂水分离器等的启动顺序，并设定顺序停机。将运行情况上传中控室。3.2.22#PLC站2#PLC站控制。它主要完成百乐克生化反应池的控制。其控制策略为：根据溶解氧含量控制曝气量，根据其它的控制参数控制污泥的回流。以达到节省能源降低成本的效果。监控内
19、容： 对水下搅拌器的运行状态、故障报警进行监测。若发生异常，则报警。 对阀门的启闭状态、故障报警进行监测，并进行最优启闭控制。 对水下搅拌器的运行状态、故障报警进行监测。若发生异常，则报警。 累计运行时间，通过联网将报告直接传送至有关部门。 正确上传溶氧仪的数值，设置报警信息。 正确上传氧化还原电位计的数值，设置报警信息。 水下推进器、电动阀门、水下搅拌器的机电回路二次盘处于自动状态时，可通过PLC控制器自动控制运行，并反映运行情况。控制方法设计：此部分所要控制的设备主要有水下搅拌器、鼓风机、回流泵、电动阀门等，是污水处理工艺重要的环节，其控制尤为重要，直接影响到处理效果和节能问题。根据进水情
20、况控制电动阀门的开启，将水放入生化池内，根据溶解氧的数值，通过PLC控制鼓风机的开启数量，或根据变频器的有无通过变频调节鼓风机的运行，此部分由进水的水质来决定，一般城市污水可设定在溶解氧2-4mg/l左右，依此为界，根据实际处理情况进行加减曝汽转盘和水下推进器的数量，做到即能保证水处理要求，又要节省能源。根据污泥浓度计的数值显示，控制污水回流泵的开启，使池内浓度更趋合理，确保菌群的培养，保证水处理质量的同时保证节能降耗。同时根据污泥浓度计的的数值，控制污泥的回流量和排泥控制，使生化池内保持合理浓度状态。保证资源的合理利用。3.2.33#PLC站3#PLC站控制。在脱水机房设置，主要完成对脱水工
21、序控制以及电力设备运行监控。监控内容： 对氧化沟回流泵的运行状态、故障报警进行监测。若发生异常，则报警。 对启闭机的运行状态、故障报警进行监测。若发生异常，则报警。 对刮沫机的运行状态、故障报警进行监测。若发生异常，则报警。 正确上传污泥浓度计的数值，设置报警信息。 正确上传污泥界面计的数值，设置报警信息。 正确上传电磁流量计的数值，设置报警信息。 采集配电设备运行的数据，对配电设备的运行状态进行监控。控制方法设计：污水脱水机房为成套设备控制，包括脱水压滤机组、加药系统、螺旋输送机等根据污泥界面的数值，当污泥界面上升至一定位置（根据现场情况确定）时启动提升泵将泥输送到脱水设备，由脱水机房的自动
22、絮凝机设备自动分配脱水机组；自动加药混合；自动脱水；自动螺旋输送；自动排泥。现场PLC控制根据需要控制脱水压滤机的开关机及相关设备的联动，并累计设备的运行时间，保证每台脱水机运行时间均匀的同时，将累计时间上传至中央控制室显示，或设置报警，以提醒检修。3.2.4中央控制室中央控制室：设置在污水处理厂综合楼内，是DCS系统的管理层，整个自控系统的核心部分，DCS的现场层（PLC）能够完成对现场的控制与优化，但对于涉及全局性的控制问题，现场层就无法胜任了，需要从管理层协调现场层的工作，以达到优化控制的目的，因此对中央监控主要工作是有一个良好的人机交互界面，便于操作人员使用，除要反映出各种控制点状态信
23、息，对信息进行记录、备份等信息处理外，还要对分控制站进行协调，使整个控制网络形成一个有机的控制体系。控制系统除了通过惯性环节控制、鲁棒控制和逻辑控制完成上述与检测仪表参数有关的控制过程外，其它的控制点就只剩下数字输入输出。他们的主要作用是检测电机和电动闸门的工作状态，根据程序的运行控制电机的启停和闸门的开关。引发此控制动作可以是时间，也可以是事件。控制系统除了上述的硬件系统外，要构成一个完整的控制系统还必须要有中央监控系统。中央监控系统提供良好的人机工作界面和系统的数据管理功能，因此必须安全、可靠的运行。为达到此要求我们选用基于Internet组态软件开发中央监控系统，除能满足标书要求外，还有
24、强大的实时数据库支持，这样即使将来需要将控制系统的信息接入工厂集成管理系统也能够支持。监控程序的结构框图如下所示：除了PLC系统前端的软件功能外，要达到整个系统的高效运行，从全局观点来协调控制每个部分的运行就由为重要，为此我们需要从中央控制角度完成全局的优化协调和控制，下面就整个系统的优化控制方案叙述如下：上图为百乐克的工艺流程图，系统主要的运行成本表现为能耗的成本，能耗的产生主要存在以下几个方面：提升泵、曝汽、污泥回流、污泥处理，其中提升泵的能耗只与进水量有关，基本上无法通过优化的控制策略进一步降低能源损耗，而剩余的三项处理过程则是相互关联，因此如何在保证污水处理效果的前提下使能耗最低是自动
25、化控制系统成功的重要标志。首先确定保证污水处理效果的标志是什么?从出水角度看当然是符合国家排放标准的水，但用它作为控制参数却并不十分合适，因为达标排放的水是各个环节综合作用的结果，所以从各个工艺环节入手获取控制参数才是合适的。从工艺流程分析看污水处理的关键在于生化处理，虽然在工艺上侧重点有所不同，但都是利用细菌分解污水中的有机物。参与生化反应的细菌由两部分组成，一部分是生化池中的，另一部分则是从沉淀池中回流来的，生化池中的细菌需要足够的氧气才能完成有机物的分解，氧气越多，有机物分解的就越快；但如果没有足够的细菌，送入水中的氧气就会浪费。细菌在分解有机物时需要氧气，随着污水水质的改善（有机物的减
26、少），耗氧量减少，所以在生化池中按照水流的方向溶解氧（DO）的浓度是增加的。污泥回流的主要目的是增加生化池中的菌群数量，以便于更快的分解有机物，更多的细菌生化反应需要的氧气就越多。同样道理当以排放水达标作为约束条件，且进水水量发生变化时，就可以通过调节菌群总数，或增加曝气量加快细菌生化反应速度，以及保持较低的通气量增加菌群数这三种方式达到分解有机物的目的。菌群总数的调节通过回流污水实现的，DO是通过通风量的多少实现的，因此通过调节回流污水泵以及鼓风机的运行就有可能满足排放水达标条件下的节能控制。从上述分析可以得出以下结论：(1)J：生化反应池中的菌群总数；J1：已经在生化池中存在的菌群总数；J2：通过污泥回流送回的菌群总数。(2)W：曝气池所需的总能耗；W1：曝气池鼓风机消耗的能量；W2：污泥回流消耗的能量。以排放水达标作为约束条件，由于进水的水质和进水量的不同，虽然W2和J2之间存在线形关系，但W和J之间就不是简单的线形关系，而是复杂的非线形关系，很难找到一种数学模型能比较准确的表达出它
