克拉玛依石化工业园污水处理厂自动化控制系统

覃 丽，史胜波，张 帆

QIN Li1, SHI Sheng-bo1, ZHANG Fan2

（1.新疆克拉玛依石化工业园污水处理厂，克拉玛依 834000；2.北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

克拉玛依石化工业园污水处理厂位于克拉玛依城镇体系的中部区域，金龙镇和三坪镇之间的交届处，主要负责处理石化工业园区工业企业排放的工业废水和白碱滩区排放的生活污水，采用曝气生物滤池工艺作为污水厂主体工艺，设计出水水质达到国家一级A排放标准。为了保证石化工业园污水处理厂出水水质达到设计要求，同时提高运行过程中的安全性、可靠性和自动化水平，控制系统采用了集散型控制系统，按照“集中监控，分散控制”的原则，将全厂控制系统分为现场就地站级（设备网）、现场PLC控制站级（控制网）和中央调度管理级（管理网）的三级控制网络。其中，现场PLC控制站与变电所控制室及综合楼控制室计算机之间的通讯采用高速工业环网结构，通讯速率为10MB/S。通讯网络采用开放式的结构及目前国际上主流的TCP/IP通讯协议，可以非常方便地与其他标准网络相兼容。

各控制站划分如下：

1）综合楼中心控制室配置管理、监控计算机、模拟屏和DLP大屏幕。

2）2号变电所控制室配置管理、监控计算机

3）1号变电所低压配电室设置PLC主站PLC1,紫外线消毒间设置PLC分站PLC1-1，加氯间设置PLC分站PLC1-2，污泥脱水间设置PLC分站PLC1-3（现场PLC控制站配有操作员面板。）

4）2号变电所低压配电室设置PLC主站PLC2，砂渣处理间设置PLC分站PLC2-1

5）3号变电所低压配电室设置PLC主站PLC3，预处理间设置PLC分站PLC3-1，加药间设置PLC分站PLC3-2

在上述控制站中，各PLC分站和PLC主站组成星形网络结构，通讯速率为100MB/S。三个PLC主站 PLC1、PLC2、PLC3构成同级控制站通过环形网络与2号变电所控制室及综合楼中心控制室计算机之间通讯，通讯速率为1000MB/S。

1 自动控制系统结构

克拉玛依石化工业园污水处理厂控制自动控制系统结构主要包括：中央监控工作站、现场控制站、控制网络。下面对其进行重点介绍。

1.1 中央监控工作站

综合楼中控室及2号变电所SCADA系统包括监控所需的计算机网络系统及实时多任务彩色监控系统。该系统通过接口将打印机、不间断电源、显示大屏幕联系在一起并配置实时多任务彩色图形系统监控软件，主要用于集中监视、控制、操作、管理污水处理的全部生产过程。根据工艺需要，中控室设置工程师站与操作员站。其中，操作员站配有三台显示器以确保不同区域的工艺流程在三台显示器上随意切换显示，从而能够有效监控整个厂区的工艺处理过程。

1.2 现场控制站

现场控制站主要对现场有关设备进行监控和为中央控制室数据采集，其中同级别PLC主站组成控制网络。

根据工艺要求，每个PLC站主要用于：

1）对现场设备进行监视、控制、

2）和其它工艺设备PLC站进行通讯

3）作为中央工作站的一个现场控制单元，接收中央工作站命令并将现场运行信号反传给中央工作站。

在本系统中，PLC站配备如下设备以满足工艺要求：

1）PLC站配有带有CPU、I/O模块的PLC和相应的操作员终端，用于在现场观察到重要的工况信息和有关参数，并能对设备进行现场设置和控制。

2）PLC站配有DP通讯模块，用于和工艺设备PLC站进行通讯以及数据交换。

3）各PLC站通过以太网通讯模块、交换机和中央工作站进行以太网通讯，从而达到通过中央工作站对各站设备进行监视、控制的目的。

1.3 控制网络

控制网络作为整个控制系统的系统总线，用于连接中央控制室内的各种设备（包括工程师站和操作员站）和各个现场控制站。现场总线用于连接各现场控制站中央处理器与各个远程I/O单元和模块以及远程执行器等。克拉玛依石化工业园污水处理厂网络系统采用以电缆为传输介质的网络结构，控制网络的设备容量≥128台，通讯波特率≥5MB，通讯距离≥2.0KM。在出现故障时，增加或删除任意一个节点，都不会影响到其他设备的运行和通讯。在2.0 KM的通讯距离之间无须增加任何中继设备。

1.4 软件系统

克拉玛依石化工业园污水处理厂采用先进的计算机控制系统，应用软件包括厂级用户监控软件、现场分散控制应用软件和工程控制软件。每个控制站具有独立完成本地控制任务，同时还应具有与其他控制站通讯的网络能力，各控制站之间不会出现相互干扰。

2 控制系统典型自控运行方案描述

在本自动控制系统中，根据工艺设备以及工艺需求建有多个自控运行方案。这里重点介绍2个典型自控运行方案。

2.1 泵控运行方案

在克拉玛依污水项目中，泵控运行方案主要运用在进水泵系统、应急泵系统、回流泵系统、排水泵系统中。泵控运行方案是通过对泵组进行起停控制（如控制设备为变频泵需根据液位对泵的频率进行调整）以实现池中液位恒定，从而最终实现泵控系统稳定自动运行。

要实现系统自控运行方案，需完成以下功能：

1）通过分段液位控制方式实现泵组自动启停。

假设泵控系统有2台泵，需设置4个分段液位参数。（按液位从低到高排列顺序为：1切0，0切1，2切1，1切2。注：1切0代表实际液位如果低于此设定液位值，运行泵数由1台变成0台；0切1代表实际液位如果高于此设定液位值，运行泵数由0台运行泵变成1台；2切1代表实际液位如果低于此设定液位值，运行泵数由2台减少为1台；1切2代表实际液位如果高于此设定液位值，运行泵数由0台运行泵变成1台）。这样通过实际液位值所处的液位段和设定值比较，判断理论所启动的泵数。通过理论泵数和实际泵数进行比较，对泵进行启、止控制。当理论泵数>实际泵数时，增加运行泵数直到理论泵数增到和实际泵数相同；当理论泵数＜实际泵数时，减少运行泵数直到理论泵数减到和实际泵数相同。

2）在起停泵组时需遵守均衡原则。

在克拉玛依污水控制系统中泵组采用备用原则，且绝大多数情况下不会出现满载情况，所以在系统自动运行过程中需遵照启、停泵的原则，以保证泵的相对均衡运行。当系统理论泵数>实际泵数时，需要筛选出“具备自动正常停止状态”、“累计运行时间最短”的泵组，并对其进行启动；当系统理论泵数＜实际泵数时，需要筛选出“具备自动正常停止状态”、“累计运行时间最长”的泵组，并对其进行停止。

3）根据工艺要求，需对泵、阀进行联动启停。

由于克拉玛依污水项目的泵组是由泵和阀门组成的，所以要启、停泵组必须对泵、阀进行顺序操作。根据泵的不同类型，实行不同的顺序控制。当运行泵为潜污泵时，启动泵组应先开阀、延时开泵；停止泵组应先关泵、延时关阀。当运行泵为离心泵时，启动泵组应先开泵、延时开阀；停止泵组应先关阀、延时关泵。

4）系统自动运行过程中单台泵组出现故障状态时，系统能够完成自动切泵功能。

当运行泵组出现非正常情况时，立即停止该泵组并启动新泵组。在切泵过程中，系统能够稳定运行而不受故障影响。

5）当系统有一个或多个变频泵组时，除完成上述功能外，应对变频泵进行特殊控制。

泵组开始运行时，要先筛选出1台“具备正常停止状态”、“累计运行时间最短”的变频泵并对其进行启动。在系统运行过程中，变频泵根据实际液位进行频率控制，频率范围控制在30～50HZ。当变频泵增至50HZ且液位继续增加，系统执行增泵程序；反之变频泵减至30HZ且液位继续减少系统执行停泵程序。

2.2 一、二级曝气滤池和反硝化生物滤池自动运行方案

在污水厂控制系统中，曝气生化系统为污水处理的核心工艺。和常规的A2O曝气生化工艺不同，克拉玛依污水厂采用三合一曝气生物滤池对污水进行深度生化处理。三合一曝气生物滤池分为30个滤池（包括10个一级曝气滤池、10个一级曝气滤池、10个反硝化滤池）

首先，反应沉淀池出水进入一级曝气生物滤池进行有机的降解和硝化处理。在该级滤池中污水中的有机污染物成为生长在滤料上的好氧微生物及硝化菌的新陈代谢的营养物，其中有机污染物在有氧的条件下通过好氧微生物的代谢作用而得以去除，而污水中得氨氮则通过硝化菌得作用转化成硝酸盐或亚硝酸盐。在去除有机物和硝化的过程中，多孔陶粒滤料内腔及微生物膜的内层存在着反硝化菌，并对硝酸盐进行部分硝化。

一级曝气生物滤池处理后的污水溢流至二级曝气生物滤池进行进一步消化处理。二级曝气生物滤池主要用来对污水中的氨氮进行硝化-即先将NH3被氧化成NO2，然后再进一步氧化成硝酸盐。在二级曝气生物滤池中，起硝化作用的细菌都以膜的形式附着生长在滤料的表面上，由于滤料的表面积很大，附着的微生物量也很大，所以硝化效率很高。

二级曝气生物滤池处理后的污水最终进入反硝化生物滤池进行脱氮处理。在反硝化生物滤池中，滤料被分成两层，下部为反硝化区，上部为好氧区。由于硝化菌产生的大部分硝酸盐在下部反硝化区中反硝化菌的作用下转化成氮气，从水中逸出，最终从系统中去除掉。

经上述三级生物滤池处理后的出水进行消毒后即可达到国家排放标准进行排放或再利用。

要实现三合一曝气滤池自动运行方案，需完成以下功能：

1）30个曝气滤池独立进行自动过滤运行。

当曝气滤池各设备处于自动正常状态，按“自动启动钮”，滤池进行自动过滤控制过程。当该滤池进入自动过滤时，进、出水阀门全开；鼓风阀门全开、鼓风机根据容氧量进行变频调节。

2）滤池反冲洗过程必须满足单独运行原则

滤池长时间运行后，需要通过反冲洗对滤池进行全面清洗。由于滤池反冲洗设备（包括反冲洗气冲鼓风机和反冲洗水泵）只有一套，所以在同一时间里只有1座滤池进行反冲洗处理。同时由于一级滤池和二级滤池为成套滤池，所以当一级（二级）滤池进行反冲洗过程时，成套对应的二级（一级）滤池停止过滤过程，直到反冲洗结束。

3）反冲洗时必须对反冲洗申请进行优先规划和协调管理

当滤池提出反冲洗申请且系统不能同时对提出反冲洗要求的滤池进行反冲洗操作时，必须对反冲洗申请进行等级划分以及排队处理。PLC根据管理等级以及优先顺序进行协调顺序反冲洗。对于滤池的反冲洗申请可分为：高级申请（按“冲洗申请钮”时或者压力超过设定值时，滤池发出高级申请）和低级申请（当滤池运行时间到达设定时间时，滤池发出低级申请）。在同级申请中，根据发出请求时间进行排队。当需对反冲洗申请滤池进行筛选时，先在高级申请队列中进行挑选并按申请先后顺序逐一进行反冲洗操作；高级申请结束后再在高级申请队列中进行挑选并并按申请先后顺序逐一进行反冲洗操作

3 自控系统的可靠性与先进性

控制系统能在严格的工业环境下长期、稳定的运行。系统组件的设计符合真正的工业等级，满足国内、国际的安全标准。同时系统设计具有易配置、易接线、易维护、隔离性好、结构坚固、抗腐蚀、适应较宽的温度变化范围，能够承受工业环境的严格要求。

控制系统具有自诊断功能，可以在运行中诊断出系统的部件是否出现故障，并在监控软件中及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点以及相关信息。在系统发生故障后，I/O的状态返回到系统根据工艺要求预设置的状态上。

控制系统具有良好的通讯性能和扩展性、兼容性。在关键部件如主机、电源及通讯网络上均可进行扩展。

4 自控系统的运行特点

现场控制站负责设备的自动控制及状态信号采集。中央管理工作站负责提供设备的控制方式，能进行单独设备或系统的控制。全厂控制中心功能包括：

显示所有工艺设备流程图，实时设备运行参数状态及故障信息；所有设备的启动/手动方式选择；使用/备用泵的顺序选择；手动形势下的设备控制；全厂范围的报警纪录；被选择设备的管理控制；过程变量的实时趋势；历史趋势；报表。

诊断功能包括：

模板一般信息显示，如板号、版本号、位置制定、模板状态等；模板故障显示，如I/O通道号，通讯地址号，故障信息等；故障缓冲区信息显示；CPU失效原因显示；CPU运行周期显示；CPU负荷显示；CPU性能显示。

5 结束语

石化工业园污水处理厂自控系统的成功应用，极大的解决了曝气生物滤池工艺设备的复杂控制，使污水处理运行实现了全自动化。在提高生产效率的同时，减轻了操作人员的工作强度。