摘要：本文以某市污水處理廠為例，給出了在目前的技術條件下污水處理廠自控系統的設計原則、設計過程，分析了不同可選設備的優缺點，并對污水處理廠自控系統的經濟指標進行了簡單評價。
關鍵詞：污水處理 自控系統 設計 力控組態軟件
污水處理廠自控系統是整個污水處理工程的重要組成部分，其設計好壞與控制設備選擇是否適當，不僅關系著自控系統的性價比的高低而且對以后整個污水處理廠運行維護的難易有著重要影響。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的設計進行詳細闡述。
一、污水處理廠概況
該污水處理廠位于市中區，為日處理能力為5萬噸/天的污水處理廠，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：污水首先分別經過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的一種。其工藝流程如下圖1所示：
圖1 污水處理廠處理工藝流程
二、污水處理廠自控系統設計的原則
從污水處理廠的工藝流程可以看出，該廠的主要工藝AICS反應器是改進SBR的一種，需要周期運行，AICS反應器的進水方向調整、厭氧好氧狀態交替、沉淀反應狀態輪換都有電動設備支持，大量的電動設備的開關都需要自控系統來完成，因此自控系統對整個周期的正確運行操作至關重要。而且好氧系統作為整個污水處理工藝能量消耗的大戶，它的自控系統優化程度越高，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在整個處理工藝中的重要性。
為了保證污水廠生產的穩定和高效，減輕勞動強度，改善操作環境，同時提高污水廠的現代化生產管理水平，在充分考慮本污水處理工藝特性的基礎上，將建設現代化污水處理廠的理念融入到自控系統設計當中，本自控系統設計遵循以下原則：先進合理、安全可靠、經濟實惠、開放靈活。
三、自控系統的構建
污水處理廠的自控系統是由現場儀表和執行機構、信號采集控制和人機界面（監控）設備三部分組成。自控系統的構建主要是指三部分系統形式和設備的選擇。本執行機構主要是根據工藝的要求由工藝專業確定，預留自控系統的接口，儀表的選擇將在后面的部分進行描述。信號采集控制部分主要包括基本控制系統的選擇以及系統確定后控制設備和必須通訊網絡的選擇。人機界面主要是指中控室和現場值班室監視設備的選擇。
1、 基本系統的選擇
目前用于污水處理廠自控系統的基本形式主要有三種DCS系統、現場總線系統和基于PC控制的系統。從規模來看三種系統所適用的規模是不同。DCS系統和現場總線系統一般適用于控制點比較多而且廠區規模比較大的系統，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。
基于PC的控制系統屬于高度集成的控制系統，其人機界面和信號采集控制可能都處于同一個機器內，受機器性能和容量的限制，本工程廠區比較大，控制點較多，因此采用基于PC的控制系統是不太合適的。
DCS系統適用于模擬量多，閉環控制多的系統。而現場總線系統的主要優勢是適用用于控制點相當較少而且特別分散的系統。從施工和維護的角度來看，傳統的DCS系統布線的工作量要遠遠大于現場總線系統。此外，現場總線系統與DCS系統相比，還有最為重要的一點是開發性好，擴展方便。
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各處，因此本工程采用現場總線作為基本控制系統。
2、通訊網絡選擇
現場總線系統最主要的特點就是依賴網絡通訊，分散控制和信號采集，最大程度的減少布線，節省安裝和維護費用。現場總線主要是指從現場控制器或IO模塊到監控系統的通訊網絡。目前現場總線，根據通訊協議的不同可以分為很多種，比如，ProfiBus、CAN、ControlNet、DeviceNet FF Lon總線等。目前現場總線技術還沒有統一的標準，各自的功能特點基本一致，因此本工程設計時選用在中小型控制系統應用非常廣泛的ProfiBus總線。其在性價比較高，且在國內推廣的時間長，穩定性較高。
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；FMS總線適用于大范圍和復雜的通訊系統，旨在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行器級的高速數據傳速網絡，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，對通訊安全性的要求并不太高，通信的任務比較簡單，對系統的傳輸速度有一定要求。因此本工程的采用ProfiBUS－DP網絡，即用西門子S7系列PLC搭建整個系統。總線采用普通雙絞作為傳輸介質，通訊速率可以達到12MBP。
3、現場站設備配置的選擇
對于ProfiBus－DP網絡來說只是提供了一個從現場到監控層的信息通道，但信號的采集和執行命令的下達仍然需要由控制器和現場的IO模塊組成的站來完成。ProfiBus－DP網絡是一種主從站的網絡結構。整個網絡上最多可以有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，每個站的控制事務都由本站完成，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，所有的控制事務都由主站CPU來完成，通過總線網絡把命令結果傳輸到從站完成，從站只是遠程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，通訊事務較小，對網絡的依賴不強，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，需要可靠的網絡來支撐，同時對主站CPU的性能要求高，在軟件編程和調試方面具有很大的優勢。這兩種方式對工程的現場安裝布線施工影響比較少。
本工程控制點的規模施工調試工期比較短，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，主戰CPU選用S7 315-2DP系列。
4、人機界面設備的選擇
人機界面設備是直接與操作管理人員進行交流的監控視備，一般由兩部分組成，即現場監視設備和中控室監視設備。現場監視設備可以是PC機或是觸摸屏，中控室監視設備一般由工控機、模擬屏或投影儀等組成。監視設備應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視與控制。
現場監視設備一般在比較重要的單元或控制事務比較大的從站中設置，以便操作人員及時對現場情況進行處理。本工程的從站的規模比較少，廠區大小從操作距離來看并不大，同時現場操作間內均設有有線電話，因此可在不設不設現場監視系統的情況下保證現場與中控室的聯絡暢通。
中控室監視設備是全廠的指揮和信息處理中心，其作用不言而喻。中控室監視設備比較傳統的做法是模擬屏加工控機的方式，這種方式造價比較高且復雜。隨著多屏卡功能的不斷完善，現場又出現了工控機多屏顯示加投影儀的模式。多屏卡的安裝使得一臺工控機可以同時拖動多臺顯示器，并顯示不同畫面，不同的工段可以同時顯示，保證了操作人員監視的全面性。投影儀可以把所需要的任何畫面進行放大顯示，也可以供人參觀。第二種方式的造價要遠低于傳統做法。本工程選用APPinx一拖四的多屏卡和東芝投影儀一臺。
5、其它
成套設備的耦合
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的正常工作。本工程設計要求大型設備都單獨配有自己小型的控制器，由供應商根據自己的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的一個從站。這樣就其它大型設備自控系統與整個自控系統無縫連接，減少了不同供應商之間任務的交叉重疊。
監控軟件的選擇
監控軟件是人機交流的橋梁和翻譯，是保證整個自動控制系統易操作、易維護最重要的部分。應選用成熟、先進并應用廣泛的知名監控軟件，本項目選用力控PCAUTO組態軟件。
自控控制系統與管理層的銜接
自控系統操作與污水處理廠管理層的銜接主要是把自動控制系統收集到的全廠信息可以順利傳輸到管理層計算機，管理人員可以在線查看污水處理廠的運行狀況并調用相關的運行數據。隨著監控軟件的供應商對INTERNET技術的不斷應用開發，監控軟件都可以通過局域網或INTERNET廣域網進行信息發布，管理層或授權用戶在任何可以上INTERNET網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。筆者認為在資金允許的情況下，應對主控制器進行冗余配置。四、自控系統的站點劃分
根據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、細格柵和沉砂池的數據處理，脫水機房站除負責脫水機房外，集泥池、濃縮池也歸在該站內，其余子站負責各自的工藝單元。主站為變電所站，設在變電所內。各站配置控制點數量統計如下表：
| 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 |
各站所配置的控制點數量，富余量均大于20%。本工程自控系統的結構如圖2所示：
圖2 污水處理廠自控拓補圖
五、自控系統的儀表選擇
儀表系統遵循“工藝必需、計量達標、實用有效、免維護”的原則進行設計，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的電量測量儀表。
盡管上述儀表中部分儀表已經實現的國產化，但是在精度和穩定方面與進口產品還有一定的差距，因此上述儀表中除通用的流量、溫度和壓力儀表外，其它均采用進口產品。
六、自控系統的功能設計
自動控制系統除了保證污水處理工藝的正常運轉外，還有可以提高處理工藝的整體優化水平等，本工程的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，其優先順序為現場手動控制、上位手動控制和PLC自動控制，這樣現場發現設備故障時可以最快的速度切斷故障設備的運行，最大程度地降低設備的損壞程度。在整個系統中，單體設備的損壞時保證系統其它無關聯設備的正常運轉。
2、節能控制
本工程的節能設計主要包括提升水泵的變頻控制和好氧部分溶解氧自動調節控制兩部分。
通過變頻器與液位計形成閉環控制，保持集水井內液面的穩定，這樣可以減少因提升泵的啟動對處理系統造成的沖擊，保證系統的穩定運行，同時根據水量變化調節水泵頻率，降低了運行能耗。
為保持AICS反應器曝氣部分溶解氧濃度穩定在2mg/l左右，通過控制鼓風機進口導葉角度來實現鼓風機的流量的調節，達到節能的目的。
此外，液位差控制的格柵的按需運轉也是節能設計的一部分。
3、信息處理設計
通過上位監控軟件系統直接采集的在線儀表數據，并以數據報表和圖形顯示，還可根據處理工藝原理自動對所采集的數據進行分析和推導，提煉出對運行操作更有指導意義的數據。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、泵房提升單方水量的電耗、鼓風機每1000m3供風的電耗、單方污水污泥處理的電耗、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的電耗等等。
七、自控特點：
1、低投資：投資少
本工程除一些精度要求高的在線監測儀表(污泥濃度計、溶解氧儀和液位計)為進口儀表外，其余部分在線儀表實現國產化，節省了一部分投資費用。
另外，從工藝控制角度看，省區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。不設現場監視設備的也是降低投資的重要原因之一。
在自控系統的總線技術選取上、現場I/O控制設備和上位監控設備的選取上，均采用了性價比較高的產品。如PLC采用西門子S7-300系列等。
本自控系統從以上幾點節約了大量的費用。
2、低費用：運行費用低
在占全廠能耗90%的原水提升和鼓風曝氣這兩個環節上，依托自動控制系統，進水段實現恒液位、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，流量突變對后續工藝的水力沖擊，也達到節能的目的，立式潛污泵的提水電耗為4.75kwh/km3。
占全廠能耗75%以上的鼓風機選用單級高速離心風機，通過控制進口導葉開度調節風量，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過程從人性化角度出發，提高自控系統的可操作性，使管理者在任意時間和地點可對工藝系統進行全方面的監控，及時了解到處理系統運行的優劣狀態。
八、投資
本工程自控系統的預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是根據工藝要求在確定的設計原則下進行設計，既保證污水處理系統的正常運行，又盡可能的降低了工程的造價投資，其設計過程和結果對其它污水處理工程的自控設計具有一定的借鑒意義。
