管控一體化系統(tǒng)在張貴莊污水廠中的應(yīng)用

鄧勝琳，王舜和，張泳（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國污水處理事業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，污水處理廠成為各個(gè)城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。隨著自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的快速發(fā)展，污水廠的自動(dòng)化水平也相應(yīng)提高，“大自控，無人值守，集中管理”的理念已經(jīng)形成。

2 張貴莊污水廠自控系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)

張貴莊污水處理廠控制系統(tǒng)按照工藝單元分為三部分，包括污水處理系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)、再生水處理系統(tǒng)，每部分都需要完成獨(dú)立的控制功能，全廠又需要形成完整的控制系統(tǒng)。

建設(shè)初期，建設(shè)方——?jiǎng)?chuàng)業(yè)環(huán)保提出要使其成為國內(nèi)領(lǐng)先的現(xiàn)代化污水處理和污泥干化廠，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化與信息管理自動(dòng)化，其建設(shè)目標(biāo)：

（1）中控系統(tǒng)可以完成污水處理廠的管理、調(diào)度、集中操作、監(jiān)視、系統(tǒng)功能組態(tài)、控制參數(shù)在線修改和設(shè)置、記錄、報(bào)表生成及故障報(bào)警，對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及分析統(tǒng)計(jì)等功能。操作人員可通過顯示器及大屏幕直觀、動(dòng)態(tài)觀察全廠各工藝流程段的實(shí)時(shí)工況、各工藝參數(shù)的趨勢畫面，能夠及時(shí)掌握全廠運(yùn)行情況。建立各類信息庫，根據(jù)工藝要求自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制現(xiàn)場設(shè)備，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的規(guī)律，找出水廠的最佳運(yùn)行工況，改進(jìn)管理方法，保證出水水質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）項(xiàng)目要基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化的思想，著眼于 “管控一體化”系統(tǒng)的建設(shè)，建立一個(gè)先進(jìn)、安全、可靠、高效、人性化且便于擴(kuò)展的系統(tǒng)。要求監(jiān)控系統(tǒng)集監(jiān)視、過程控制和調(diào)度管理于一體，完成對整個(gè)工藝過程及全部生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，總站少人值班”的目標(biāo)。系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)具有良好的擴(kuò)展性，可將所有的子系統(tǒng)整合成統(tǒng)一、開放的大系統(tǒng)。

3 管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 管控一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)分為四層管控結(jié)構(gòu)：第一層為廠長管理層，通過web發(fā)布功能，可隨時(shí)隨地使用外部網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)定的固定IP連接上管控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查閱水廠運(yùn)行狀況，檢查水質(zhì)參數(shù)變化情況，但不能對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，具備“只監(jiān)不控”功能；第二層為運(yùn)行數(shù)據(jù)管理層，該層權(quán)限用戶可查閱數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，可進(jìn)行存儲(chǔ)、打印和歸檔；第三層為控制管理層，授權(quán)工程師或管理人員可對各工藝設(shè)備進(jìn)行自控系統(tǒng)高級參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，深化工藝過程，查閱各工藝參數(shù)；第四層為設(shè)備監(jiān)控層，操作員可對全廠儀表、設(shè)備參數(shù)、故障信息進(jìn)行查詢，對設(shè)備進(jìn)行簡單的啟停動(dòng)作，并作運(yùn)行記錄。如圖1所示。

圖1 污水廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 采用三維技術(shù)建立監(jiān)控系統(tǒng)

為了建立完善的污水廠監(jiān)控功能，便于擴(kuò)展和提升，首先采用三維技術(shù)建立監(jiān)控系統(tǒng)核心。監(jiān)控畫面高度模擬工藝流程，工藝過程中涉及的液位、壓力、溫度、流量、水質(zhì)分析等數(shù)據(jù)分布在各個(gè)工藝組態(tài)畫面中，并且實(shí)時(shí)顯示；通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)，制作數(shù)據(jù)報(bào)表及數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以便相關(guān)工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。監(jiān)控畫面使用3Dmax軟件和FLASH軟件，制成3D效果動(dòng)態(tài)畫面，立體顯示工藝組態(tài)，與現(xiàn)場實(shí)際相吻合。如圖2、圖3所示。

圖2 SF-AO反應(yīng)池3D組態(tài)畫面

圖3 深度處理單元3D組態(tài)畫面

3.3 網(wǎng)絡(luò)搭建與服務(wù)器設(shè)置

設(shè)在中控室的監(jiān)控系統(tǒng)通過光纖以太環(huán)網(wǎng)與進(jìn)水泵房、反應(yīng)池、加氯加藥、深度處理及脫水機(jī)房等五個(gè)PLC分控制站和初沉污泥泵房、回流污泥泵房、雨水泵房等五處遠(yuǎn)程I/O子站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對所有設(shè)備進(jìn)行控制及狀態(tài)顯示，提供系統(tǒng)的宏觀調(diào)度，協(xié)調(diào)各分站的運(yùn)行，處理局部發(fā)生的事故和緊急狀態(tài)，維持系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)服務(wù)器采用磁盤陣列，對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，一旦主硬盤出現(xiàn)故障，副硬盤零擾動(dòng)接收數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性。

4 基于管控一體化的系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 智能化的控制，先進(jìn)的能源管理

結(jié)合工藝，設(shè)計(jì)確定進(jìn)水、曝氣等單元是全廠電能消耗的主要單元，所以有針對性地采用進(jìn)水泵智能控制和精確曝氣實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

（1）進(jìn)水泵的智能控制

根據(jù)進(jìn)水水量的歷史規(guī)律，以及水泵的組成情況，確定不同的開啟組合以及液位控制條件。跟蹤進(jìn)水的日變化情況以及水泵每天的啟停統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)修正液位控制條件以及泵的組合情況，利用液位在安全范圍內(nèi)的波動(dòng)抵消來水量的瞬時(shí)變化，保持進(jìn)水的平穩(wěn)化。

根據(jù)動(dòng)態(tài)液位控制條件，選擇最佳的水泵啟停切入點(diǎn)，優(yōu)化水泵的編組運(yùn)行方式，減少泵的啟停次數(shù)，采用優(yōu)先級輪換的方式，使每臺(tái)泵運(yùn)行總時(shí)間保持近似相等，延長設(shè)備的使用壽命。

在確保管網(wǎng)不溢流的情況下，盡量保持集水池的平均液位在較高的安全水位，減少水泵揚(yáng)程，降低提升能耗。并根據(jù)泵的特征曲線，設(shè)法提升水泵工作在效率較高的工況點(diǎn)。

（2）精確曝氣智能控制

目前，國內(nèi)大多數(shù)以活性污泥法為處理工藝的城市污水處理廠的曝氣系統(tǒng)采用了衡量控制、簡單的自動(dòng)控制或人工就地控制等控制策略。這三種控制方法存在明顯的缺陷，不能穩(wěn)定控制具有多變量、高相關(guān)、非穩(wěn)態(tài)、大滯后等特點(diǎn)的污水處理系統(tǒng)中的溶解氧濃度，從而導(dǎo)致曝氣量與實(shí)際需氣量相比冗余過大，不利于保持曝氣池內(nèi)微生物生長環(huán)境的穩(wěn)定，對污水處理工藝的運(yùn)行造成一定的干擾，并且使得曝氣單元的能耗水平偏高。利用“動(dòng)態(tài)變化反饋控制”可以解決溶解氧濃度穩(wěn)定控制的問題。

采用精確曝氣智能控制系統(tǒng)以后，能保持曝氣池各段的曝氣量滿足生化反應(yīng)的需要，保持工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，適應(yīng)城市污水處理廠進(jìn)水的水質(zhì)和水量的變化，保持曝氣池中溶解氧濃度的穩(wěn)定，同時(shí)還可以根據(jù)污水處理廠進(jìn)水負(fù)荷和生化單元微生物生長情況，及時(shí)調(diào)節(jié)污水處理廠中的重要運(yùn)行參數(shù)，使污水處理廠的工藝狀態(tài)參數(shù)保持比較穩(wěn)定，達(dá)到“按需調(diào)節(jié)、穩(wěn)定工藝、節(jié)能降耗”的效果，根據(jù)計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行測算，達(dá)到10%～25%的節(jié)能效果。

4.2 數(shù)字信息化服務(wù)

管控一體化的自控系統(tǒng)增加了Web發(fā)布平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全廠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。管理人員不僅可以在處理廠中央控制室查看全廠所有工藝過程中的設(shè)備狀態(tài)及水質(zhì)參數(shù)，還可在家中或辦公室上網(wǎng)通過IE瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)污水處理廠的運(yùn)行狀況，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)處理過程中的異常狀況，遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)查看報(bào)警并記錄。

數(shù)字信息化服務(wù)基于Web開發(fā)，使用Asp動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁編程技術(shù)，主要包括運(yùn)營管理、設(shè)備管理、藥劑管理、電能管理等模塊，通過集控中心的電腦、大屏幕等多媒體顯示手段，及時(shí)了解處理廠各項(xiàng)指標(biāo)，供管理人員分析決策。

圖4 污水廠中控室

同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性，將所有的數(shù)據(jù)源和子系統(tǒng)整合成統(tǒng)一、開放的大系統(tǒng)，擴(kuò)展的子系統(tǒng)包括財(cái)務(wù)、廠務(wù)、檔案、化驗(yàn)、辦公、安防等，完成辦公生產(chǎn)的數(shù)據(jù)共享，有機(jī)結(jié)合。

5 結(jié)語

污水處理廠對自控系統(tǒng)的要求是能保證污水廠的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自控系統(tǒng)也不斷地在增加人性化的設(shè)計(jì)元素，系統(tǒng)應(yīng)該能夠完成更多的功能，掌握更多的信息量，提供更便捷、更直觀的控制和操作環(huán)境，這些都對污水處理廠控制系統(tǒng)提出了更高的要求。張貴莊污水處理廠在這些方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)踐，為該廠最終榮獲“魯班獎(jiǎng)”貢獻(xiàn)了一份力量。

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