污水處理中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場(chǎng)控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。

　　處于底層的過(guò)程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來(lái)自過(guò)程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉(cāng)儲(chǔ)管理、能源管理等。

　　結(jié)構(gòu)

　　從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過(guò)程級(jí)主要由過(guò)程控制站、I/O單元和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級(jí)包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級(jí)主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)紙行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。

　　DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過(guò)程控制站完成的，所以控制程序是由過(guò)程控制站執(zhí)行的。

　　過(guò)程控制站的組成：

　　DCS的過(guò)程控制站是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成

　　I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個(gè)I/O模塊上有一個(gè)或多個(gè)I/O通道，用來(lái)連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。

　　I/O單元：通常，一個(gè)過(guò)程控制站是有幾個(gè)機(jī)架組成，每個(gè)機(jī)架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機(jī)架被稱為CPU單元，同一個(gè)過(guò)程站中只能有一個(gè)CPU單元，其他只用來(lái)擺放I/O模塊的機(jī)架就是I/O單元。

　　DCS在污水處理過(guò)程中的應(yīng)用

　　原有的污水處理控制系統(tǒng)由SBR反應(yīng)池PLC和現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表組成，其中PLC由于使用的時(shí)間較長(zhǎng)，故障率明顯增高，以至于控制主要由工藝人員手動(dòng)完成，并且因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣，現(xiàn)場(chǎng)儀表多被腐蝕，運(yùn)行不穩(wěn)定，已經(jīng)影響了污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最終選用了浙大中控JX300X DCS來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，并更換了現(xiàn)場(chǎng)變送器。

　　一、工藝流程

　　整個(gè)污水處理的流程由以下五道工序組成：

　　（一）預(yù)處理工序

　　來(lái)自各生產(chǎn)車間的工業(yè)污水排入調(diào)節(jié)池內(nèi)，由于水溫較高，不利于后面工序分解有機(jī)物的菌類生長(zhǎng)，需自然冷卻后方可排出。池內(nèi)設(shè)一溫度節(jié)點(diǎn)，待水溫降至設(shè)定值時(shí)，打開閥門使污水流入絮凝沉淀池內(nèi)。在廢水管道中安裝電磁流量計(jì)以完成對(duì)污水計(jì)量結(jié)算的功能。

　　沉淀池定時(shí)打開石灰泵及閥門，加入按照比值控制配比好的熟石灰溶液，以加強(qiáng)污泥的脫水能力及改善污水的PH值，在若干時(shí)段內(nèi)離線采集池內(nèi)廢水，測(cè)量其酸堿度。沉淀池底部的刮泥機(jī)定時(shí)工作，將沉淀下來(lái)的污泥刮入絮渣沉淀池，再定時(shí)控制每日排出定量的濃縮污泥進(jìn)入污泥脫水工序。沉淀池中的上清液體經(jīng)加水稀釋后排入均質(zhì)池，定時(shí)排入下一道工序。

　　（二）水解酸化工序

　　水解酸化的主要設(shè)備是四座厭氧脫硫塔，分別接受四個(gè)均質(zhì)池中的污水原液，各加一電磁流量計(jì)做成本結(jié)算之用。脫硫塔中培養(yǎng)的厭氧菌可以去處一部分污水原液的BOD、COD，達(dá)到污水脫硫的處理目的。根據(jù)工藝要求，塔中溫度對(duì)厭氧菌的生長(zhǎng)最為關(guān)鍵，塔頂及塔釜溫度作為參考量。由于靠蒸汽閥門的開度來(lái)控制溫度恒定，而蒸汽流量干擾對(duì)溫度影響最大，所以設(shè)計(jì)以塔中溫度為主控制點(diǎn)，蒸汽流量控制為副回路的溫度—流量串級(jí)控制系統(tǒng)，保證了塔內(nèi)溫度的穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)脫硫的污水排入SBR池中。

　?。ㄈ㏒BR工序

　　SBR是序列間歇式活性污泥法（Sequncing Batch Reactor Activated Sludge Process）的簡(jiǎn)稱，是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)。SBR反應(yīng)池是整個(gè)污水處理車間的核心，污水中的大分子有機(jī)物在此被分解為小分子有機(jī)物，進(jìn)而被分解為二氧化碳和水。所以，SBR反應(yīng)池的自控對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

　　SBR池底部有大量活性污泥，其主要組成部分為好氧菌。好氧菌對(duì)于污水中的有機(jī)污染物有著極強(qiáng)的降解作用，其種群的多少與SBR池的污水處理能力有著直接的關(guān)系。從反應(yīng)池內(nèi)一直進(jìn)行的硝化反應(yīng)方程式來(lái)看：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量

　　只有有著足夠的氧分子，硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行，降解有機(jī)物的好氧菌才能存活；但氧氣過(guò)多又會(huì)導(dǎo)致大量泡沫產(chǎn)生，污泥沉降性能下降，能耗增加，所以對(duì) SBR池的通氣量的控制最為關(guān)鍵。通氣量為定時(shí)控制，當(dāng)在線溶氧儀濃度示值偏差過(guò)大時(shí)，改變?cè)O(shè)定值調(diào)整進(jìn)氣量時(shí)長(zhǎng)。污水進(jìn)料閥以及排泥閥也均為定時(shí)控制。 SBR池加裝投入式液位計(jì)控制閥門以防止污水溢出，安裝超聲波流量計(jì)對(duì)污水進(jìn)行計(jì)量，設(shè)溫度節(jié)點(diǎn)加熱水實(shí)現(xiàn)反應(yīng)池內(nèi)恒溫。

　?。ㄋ模┙佑|氧化工序

　　本工序內(nèi)的一級(jí)、二級(jí)接觸氧化池可以看作曝氣池的繼續(xù)，經(jīng)過(guò)充分的氧化后，定時(shí)排入相應(yīng)的沉淀池中，通過(guò)重力沉淀的原理，去除污泥等懸浮物，定時(shí)驅(qū)動(dòng)吸泥機(jī)將污泥刮入污泥濃縮池中。二沉池中處理過(guò)的水經(jīng)過(guò)濾消毒后已符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接排放或者進(jìn)入回水系統(tǒng)再次利用。

　?。ㄎ澹┪勰嗝撍ば?/p>

　　在以上工序中通過(guò)刮泥機(jī)將污泥排入濃縮池中經(jīng)脫水機(jī)脫水后形成含水量較低的污泥濾餅，送入回轉(zhuǎn)窯燃燒，最終以無(wú)害的二氧化碳和水的形式排放，其灰渣則做深埋處理。

　　圖1 污水處理工藝流程圖

　　二、控制系統(tǒng)

　?。ㄒ唬?a target="_blank">硬件配置

　　本系統(tǒng)由1個(gè)工程師站、1個(gè)操作員站、1個(gè)I/O站和過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)組成，并通過(guò)以太網(wǎng)和車間主任的管理計(jì)算機(jī)相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢遙控。工程師站內(nèi)裝有組態(tài)軟件平臺(tái)可完成修改參數(shù)和系統(tǒng)維護(hù)的任務(wù)；操作員站是操作人員完成生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控管理的平臺(tái)；I/O站完成整個(gè)工業(yè)過(guò)程的實(shí)施監(jiān)控，由主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、 I/O卡、供電單元等組成，為了確保系統(tǒng)的可靠性，主控卡件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡為冗余配置。

　　備有SP243X主控制卡2個(gè)；SP313 4路模擬量信號(hào)輸入卡30個(gè)；SP322 4路模擬量輸出卡3個(gè)；SP363 7路觸點(diǎn)型開關(guān)量輸入卡8個(gè)；SP364 7路繼電器輸出卡10個(gè)。總共擁有AI信號(hào)108個(gè)；AO信號(hào)8個(gè)；DI信號(hào)40個(gè)；DO信號(hào)50個(gè)。

　?。ǘ┚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　圖2 污水處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　?。ㄈ┸浖M態(tài)

　　1．人機(jī)界面

　　顯示數(shù)據(jù)總貌、各檢測(cè)點(diǎn)歷史曲線、各工序工藝流程圖以及現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)閥門狀態(tài)等畫面，并設(shè)置了不同的權(quán)限以保證系統(tǒng)的安全性。

　　2．報(bào)表

　　于8:30、16:30、0:30時(shí)出班報(bào)，形式為：顯示當(dāng)前班溫度、流量的整點(diǎn)數(shù)據(jù)，流量累計(jì)，閥門開、關(guān)時(shí)刻記錄，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；每月出月報(bào)，形式為：以每天為記錄單位，顯示流量的日均值（每日各正點(diǎn)記錄之和/24），月累計(jì)值，溫度的日均值（每日各正點(diǎn)記錄之和/24），同時(shí)能輸入其它數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

　　3．SBR反應(yīng)池閥門控制：如圖3所示。

　　圖3 閥門控制算法流程圖

　　4．SBR反應(yīng)池閥門狀態(tài)報(bào)警：

　　如果曝氣池中的閥門出現(xiàn)故障而未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就會(huì)使污水在無(wú)充分降解的情況下排入下一道工序，無(wú)法達(dá)到污水凈化的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，造成較大損失，所以借助于智能閥門的反饋信號(hào)設(shè)計(jì)出閥門報(bào)警程序，以便發(fā)生故障后及時(shí)處理，減少損失。

　　報(bào)警定義為：閥門開啟/關(guān)閉動(dòng)作后，12秒內(nèi)無(wú)反饋信號(hào)便視為閥門故障，用聲光報(bào)警方式提醒維護(hù)人員前去排除故障恢復(fù)生產(chǎn)。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　在浙大中控JX300X系統(tǒng)投入使用以來(lái)，其穩(wěn)定性以及人機(jī)界面的友好和豐富的控制功能均比原來(lái)的控制系統(tǒng)提高很多，得到了工藝人員和自控維護(hù)人員的好評(píng)，為實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和周邊環(huán)境的改善提供了保障。但在這期間也發(fā)現(xiàn)了某些問(wèn)題，以期在資金以及后期維護(hù)手段跟上的時(shí)候進(jìn)行對(duì)此進(jìn)一步的完善。其一，在線分析儀器使用較少。只有在SBR反應(yīng)池有溶氧在線監(jiān)控，絮凝沉淀池中酸堿度是離線分析，時(shí)滯性較大，因而只是將其作為參考數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自控。

　　如實(shí)現(xiàn)在線分析，則可由控制石灰泵的開啟關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)池中酸堿度的控制。此外，在條件允許的情況下，可在SBR反應(yīng)池中設(shè)置污泥濃度計(jì)，以便能夠使工藝人員更直觀的了解池中好氧菌的生長(zhǎng)情況，同時(shí)也為回流污泥量的確定提供了依據(jù)；其二，SBR反應(yīng)池中的潷水器控制器為單機(jī)控制模式，只能按照預(yù)先設(shè)定的單一工作模式運(yùn)行，如果在它和DCS的主控單元之間建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，便可實(shí)現(xiàn)潷水器按照不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工藝要求，更加靈活的運(yùn)行；其三，由于SBR反應(yīng)池中的溶氧的需求量和污泥中好氧菌的生命周期有關(guān)，在處理初期耗氧較大，隨后逐漸減小的這一情況，為溶氧控制尋求一合適的控制算法以及將恒頻風(fēng)機(jī)更換為可以變頻的不僅僅能夠更好的完成污水處理的任務(wù)，更可以降低能源消耗，縮短處理周期，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。