克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠自動化控制系統(tǒng)

覃 麗，史勝波，張 帆

QIN Li1, SHI Sheng-bo1, ZHANG Fan2

（1.新疆克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠，克拉瑪依 834000；2.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠位于克拉瑪依城鎮(zhèn)體系的中部區(qū)域，金龍鎮(zhèn)和三坪鎮(zhèn)之間的交屆處，主要負責(zé)處理石化工業(yè)園區(qū)工業(yè)企業(yè)排放的工業(yè)廢水和白堿灘區(qū)排放的生活污水，采用曝氣生物濾池工藝作為污水廠主體工藝，設(shè)計出水水質(zhì)達到國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。為了保證石化工業(yè)園污水處理廠出水水質(zhì)達到設(shè)計要求，同時提高運行過程中的安全性、可靠性和自動化水平，控制系統(tǒng)采用了集散型控制系統(tǒng)，按照“集中監(jiān)控，分散控制”的原則，將全廠控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場就地站級（設(shè)備網(wǎng)）、現(xiàn)場PLC控制站級（控制網(wǎng)）和中央調(diào)度管理級（管理網(wǎng)）的三級控制網(wǎng)絡(luò)。其中，現(xiàn)場PLC控制站與變電所控制室及綜合樓控制室計算機之間的通訊采用高速工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊速率為10MB/S。通訊網(wǎng)絡(luò)采用開放式的結(jié)構(gòu)及目前國際上主流的TCP/IP通訊協(xié)議，可以非常方便地與其他標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)相兼容。

各控制站劃分如下：

1）綜合樓中心控制室配置管理、監(jiān)控計算機、模擬屏和DLP大屏幕。

2）2號變電所控制室配置管理、監(jiān)控計算機

3）1號變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC1,紫外線消毒間設(shè)置PLC分站PLC1-1，加氯間設(shè)置PLC分站PLC1-2，污泥脫水間設(shè)置PLC分站PLC1-3（現(xiàn)場PLC控制站配有操作員面板。）

4）2號變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC2，砂渣處理間設(shè)置PLC分站PLC2-1

5）3號變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC3，預(yù)處理間設(shè)置PLC分站PLC3-1，加藥間設(shè)置PLC分站PLC3-2

在上述控制站中，各PLC分站和PLC主站組成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通訊速率為100MB/S。三個PLC主站 PLC1、PLC2、PLC3構(gòu)成同級控制站通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與2號變電所控制室及綜合樓中心控制室計算機之間通訊，通訊速率為1000MB/S。

1 自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠控制自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場控制站、控制網(wǎng)絡(luò)。下面對其進行重點介紹。

1.1 中央監(jiān)控工作站

綜合樓中控室及2號變電所SCADA系統(tǒng)包括監(jiān)控所需的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及實時多任務(wù)彩色監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過接口將打印機、不間斷電源、顯示大屏幕聯(lián)系在一起并配置實時多任務(wù)彩色圖形系統(tǒng)監(jiān)控軟件，主要用于集中監(jiān)視、控制、操作、管理污水處理的全部生產(chǎn)過程。根據(jù)工藝需要，中控室設(shè)置工程師站與操作員站。其中，操作員站配有三臺顯示器以確保不同區(qū)域的工藝流程在三臺顯示器上隨意切換顯示，從而能夠有效監(jiān)控整個廠區(qū)的工藝處理過程。

1.2 現(xiàn)場控制站

現(xiàn)場控制站主要對現(xiàn)場有關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控和為中央控制室數(shù)據(jù)采集，其中同級別PLC主站組成控制網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)工藝要求，每個PLC站主要用于：

1）對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)視、控制、

2）和其它工藝設(shè)備PLC站進行通訊

3）作為中央工作站的一個現(xiàn)場控制單元，接收中央工作站命令并將現(xiàn)場運行信號反傳給中央工作站。

在本系統(tǒng)中，PLC站配備如下設(shè)備以滿足工藝要求：

1）PLC站配有帶有CPU、I/O模塊的PLC和相應(yīng)的操作員終端，用于在現(xiàn)場觀察到重要的工況信息和有關(guān)參數(shù)，并能對設(shè)備進行現(xiàn)場設(shè)置和控制。

2）PLC站配有DP通訊模塊，用于和工藝設(shè)備PLC站進行通訊以及數(shù)據(jù)交換。

3）各PLC站通過以太網(wǎng)通訊模塊、交換機和中央工作站進行以太網(wǎng)通訊，從而達到通過中央工作站對各站設(shè)備進行監(jiān)視、控制的目的。

1.3 控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)作為整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線，用于連接中央控制室內(nèi)的各種設(shè)備（包括工程師站和操作員站）和各個現(xiàn)場控制站?，F(xiàn)場總線用于連接各現(xiàn)場控制站中央處理器與各個遠程I/O單元和模塊以及遠程執(zhí)行器等?？死斠朗I(yè)園污水處理廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以電纜為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備容量≥128臺，通訊波特率≥5MB，通訊距離≥2.0KM。在出現(xiàn)故障時，增加或刪除任意一個節(jié)點，都不會影響到其他設(shè)備的運行和通訊。在2.0 KM的通訊距離之間無須增加任何中繼設(shè)備。

1.4 軟件系統(tǒng)

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠采用先進的計算機控制系統(tǒng)，應(yīng)用軟件包括廠級用戶監(jiān)控軟件、現(xiàn)場分散控制應(yīng)用軟件和工程控制軟件。每個控制站具有獨立完成本地控制任務(wù)，同時還應(yīng)具有與其他控制站通訊的網(wǎng)絡(luò)能力，各控制站之間不會出現(xiàn)相互干擾。

2 控制系統(tǒng)典型自控運行方案描述

在本自動控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝設(shè)備以及工藝需求建有多個自控運行方案。這里重點介紹2個典型自控運行方案。

2.1 泵控運行方案

在克拉瑪依污水項目中，泵控運行方案主要運用在進水泵系統(tǒng)、應(yīng)急泵系統(tǒng)、回流泵系統(tǒng)、排水泵系統(tǒng)中。泵控運行方案是通過對泵組進行起?？刂疲ㄈ缈刂圃O(shè)備為變頻泵需根據(jù)液位對泵的頻率進行調(diào)整）以實現(xiàn)池中液位恒定，從而最終實現(xiàn)泵控系統(tǒng)穩(wěn)定自動運行。

要實現(xiàn)系統(tǒng)自控運行方案，需完成以下功能：

1）通過分段液位控制方式實現(xiàn)泵組自動啟停。

假設(shè)泵控系統(tǒng)有2臺泵，需設(shè)置4個分段液位參數(shù)。（按液位從低到高排列順序為：1切0，0切1，2切1，1切2。注：1切0代表實際液位如果低于此設(shè)定液位值，運行泵數(shù)由1臺變成0臺；0切1代表實際液位如果高于此設(shè)定液位值，運行泵數(shù)由0臺運行泵變成1臺；2切1代表實際液位如果低于此設(shè)定液位值，運行泵數(shù)由2臺減少為1臺；1切2代表實際液位如果高于此設(shè)定液位值，運行泵數(shù)由0臺運行泵變成1臺）。這樣通過實際液位值所處的液位段和設(shè)定值比較，判斷理論所啟動的泵數(shù)。通過理論泵數(shù)和實際泵數(shù)進行比較，對泵進行啟、止控制。當(dāng)理論泵數(shù)>實際泵數(shù)時，增加運行泵數(shù)直到理論泵數(shù)增到和實際泵數(shù)相同；當(dāng)理論泵數(shù)＜實際泵數(shù)時，減少運行泵數(shù)直到理論泵數(shù)減到和實際泵數(shù)相同。

2）在起停泵組時需遵守均衡原則。

在克拉瑪依污水控制系統(tǒng)中泵組采用備用原則，且絕大多數(shù)情況下不會出現(xiàn)滿載情況，所以在系統(tǒng)自動運行過程中需遵照啟、停泵的原則，以保證泵的相對均衡運行。當(dāng)系統(tǒng)理論泵數(shù)>實際泵數(shù)時，需要篩選出“具備自動正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計運行時間最短”的泵組，并對其進行啟動；當(dāng)系統(tǒng)理論泵數(shù)＜實際泵數(shù)時，需要篩選出“具備自動正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計運行時間最長”的泵組，并對其進行停止。

3）根據(jù)工藝要求，需對泵、閥進行聯(lián)動啟停。

由于克拉瑪依污水項目的泵組是由泵和閥門組成的，所以要啟、停泵組必須對泵、閥進行順序操作。根據(jù)泵的不同類型，實行不同的順序控制。當(dāng)運行泵為潛污泵時，啟動泵組應(yīng)先開閥、延時開泵；停止泵組應(yīng)先關(guān)泵、延時關(guān)閥。當(dāng)運行泵為離心泵時，啟動泵組應(yīng)先開泵、延時開閥；停止泵組應(yīng)先關(guān)閥、延時關(guān)泵。

4）系統(tǒng)自動運行過程中單臺泵組出現(xiàn)故障狀態(tài)時，系統(tǒng)能夠完成自動切泵功能。

當(dāng)運行泵組出現(xiàn)非正常情況時，立即停止該泵組并啟動新泵組。在切泵過程中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行而不受故障影響。

5）當(dāng)系統(tǒng)有一個或多個變頻泵組時，除完成上述功能外，應(yīng)對變頻泵進行特殊控制。

泵組開始運行時，要先篩選出1臺“具備正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計運行時間最短”的變頻泵并對其進行啟動。在系統(tǒng)運行過程中，變頻泵根據(jù)實際液位進行頻率控制，頻率范圍控制在30～50HZ。當(dāng)變頻泵增至50HZ且液位繼續(xù)增加，系統(tǒng)執(zhí)行增泵程序；反之變頻泵減至30HZ且液位繼續(xù)減少系統(tǒng)執(zhí)行停泵程序。

2.2 一、二級曝氣濾池和反硝化生物濾池自動運行方案

在污水廠控制系統(tǒng)中，曝氣生化系統(tǒng)為污水處理的核心工藝。和常規(guī)的A2O曝氣生化工藝不同，克拉瑪依污水廠采用三合一曝氣生物濾池對污水進行深度生化處理。三合一曝氣生物濾池分為30個濾池（包括10個一級曝氣濾池、10個一級曝氣濾池、10個反硝化濾池）

首先，反應(yīng)沉淀池出水進入一級曝氣生物濾池進行有機的降解和硝化處理。在該級濾池中污水中的有機污染物成為生長在濾料上的好氧微生物及硝化菌的新陳代謝的營養(yǎng)物，其中有機污染物在有氧的條件下通過好氧微生物的代謝作用而得以去除，而污水中得氨氮則通過硝化菌得作用轉(zhuǎn)化成硝酸鹽或亞硝酸鹽。在去除有機物和硝化的過程中，多孔陶粒濾料內(nèi)腔及微生物膜的內(nèi)層存在著反硝化菌，并對硝酸鹽進行部分硝化。

一級曝氣生物濾池處理后的污水溢流至二級曝氣生物濾池進行進一步消化處理。二級曝氣生物濾池主要用來對污水中的氨氮進行硝化-即先將NH3被氧化成NO2，然后再進一步氧化成硝酸鹽。在二級曝氣生物濾池中，起硝化作用的細菌都以膜的形式附著生長在濾料的表面上，由于濾料的表面積很大，附著的微生物量也很大，所以硝化效率很高。

二級曝氣生物濾池處理后的污水最終進入反硝化生物濾池進行脫氮處理。在反硝化生物濾池中，濾料被分成兩層，下部為反硝化區(qū)，上部為好氧區(qū)。由于硝化菌產(chǎn)生的大部分硝酸鹽在下部反硝化區(qū)中反硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化成氮氣，從水中逸出，最終從系統(tǒng)中去除掉。

經(jīng)上述三級生物濾池處理后的出水進行消毒后即可達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)進行排放或再利用。

要實現(xiàn)三合一曝氣濾池自動運行方案，需完成以下功能：

1）30個曝氣濾池獨立進行自動過濾運行。

當(dāng)曝氣濾池各設(shè)備處于自動正常狀態(tài)，按“自動啟動鈕”，濾池進行自動過濾控制過程。當(dāng)該濾池進入自動過濾時，進、出水閥門全開；鼓風(fēng)閥門全開、鼓風(fēng)機根據(jù)容氧量進行變頻調(diào)節(jié)。

2）濾池反沖洗過程必須滿足單獨運行原則

濾池長時間運行后，需要通過反沖洗對濾池進行全面清洗。由于濾池反沖洗設(shè)備（包括反沖洗氣沖鼓風(fēng)機和反沖洗水泵）只有一套，所以在同一時間里只有1座濾池進行反沖洗處理。同時由于一級濾池和二級濾池為成套濾池，所以當(dāng)一級（二級）濾池進行反沖洗過程時，成套對應(yīng)的二級（一級）濾池停止過濾過程，直到反沖洗結(jié)束。

3）反沖洗時必須對反沖洗申請進行優(yōu)先規(guī)劃和協(xié)調(diào)管理

當(dāng)濾池提出反沖洗申請且系統(tǒng)不能同時對提出反沖洗要求的濾池進行反沖洗操作時，必須對反沖洗申請進行等級劃分以及排隊處理。PLC根據(jù)管理等級以及優(yōu)先順序進行協(xié)調(diào)順序反沖洗。對于濾池的反沖洗申請可分為：高級申請（按“沖洗申請鈕”時或者壓力超過設(shè)定值時，濾池發(fā)出高級申請）和低級申請（當(dāng)濾池運行時間到達設(shè)定時間時，濾池發(fā)出低級申請）。在同級申請中，根據(jù)發(fā)出請求時間進行排隊。當(dāng)需對反沖洗申請濾池進行篩選時，先在高級申請隊列中進行挑選并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作；高級申請結(jié)束后再在高級申請隊列中進行挑選并并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作

3 自控系統(tǒng)的可靠性與先進性

控制系統(tǒng)能在嚴格的工業(yè)環(huán)境下長期、穩(wěn)定的運行。系統(tǒng)組件的設(shè)計符合真正的工業(yè)等級，滿足國內(nèi)、國際的安全標(biāo)準(zhǔn)。同時系統(tǒng)設(shè)計具有易配置、易接線、易維護、隔離性好、結(jié)構(gòu)堅固、抗腐蝕、適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，能夠承受工業(yè)環(huán)境的嚴格要求。

控制系統(tǒng)具有自診斷功能，可以在運行中診斷出系統(tǒng)的部件是否出現(xiàn)故障，并在監(jiān)控軟件中及時、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時間、故障地點以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/O的狀態(tài)返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)設(shè)置的狀態(tài)上。

控制系統(tǒng)具有良好的通訊性能和擴展性、兼容性。在關(guān)鍵部件如主機、電源及通訊網(wǎng)絡(luò)上均可進行擴展。

4 自控系統(tǒng)的運行特點

現(xiàn)場控制站負責(zé)設(shè)備的自動控制及狀態(tài)信號采集。中央管理工作站負責(zé)提供設(shè)備的控制方式，能進行單獨設(shè)備或系統(tǒng)的控制。全廠控制中心功能包括：

顯示所有工藝設(shè)備流程圖，實時設(shè)備運行參數(shù)狀態(tài)及故障信息；所有設(shè)備的啟動/手動方式選擇；使用/備用泵的順序選擇；手動形勢下的設(shè)備控制；全廠范圍的報警紀(jì)錄；被選擇設(shè)備的管理控制；過程變量的實時趨勢；歷史趨勢；報表。

診斷功能包括：

模板一般信息顯示，如板號、版本號、位置制定、模板狀態(tài)等；模板故障顯示，如I/O通道號，通訊地址號，故障信息等；故障緩沖區(qū)信息顯示；CPU失效原因顯示；CPU運行周期顯示；CPU負荷顯示；CPU性能顯示。

5 結(jié)束語

石化工業(yè)園污水處理廠自控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，極大的解決了曝氣生物濾池工藝設(shè)備的復(fù)雜控制，使污水處理運行實現(xiàn)了全自動化。在提高生產(chǎn)效率的同時，減輕了操作人員的工作強度。