【专家解说】：污水处理厂自控系统现状
及发展趋势
1 某污水处理厂自控系统现状概述
某市某污水处理厂自控系统是通过使用自动化技术、计算机技术、网络技术、图形技术等构成的综合自动化系统，是在确保达到规定的技术要求及污水处理过程优质可靠运行、排放达标的目标前提下，将污水处理厂管理、调度、现场控制等功能集成在网络环境下，通过PLC和网络技术，为实现污水处理过程的管控一体化及综合信息处理构建的信息平台。根据污水处理厂实际情况及工艺要求，污水厂自控系统采用集散型控制和现场总线相结合的系统模式，由管理级和现场控制二级控制系统组成，管理级与控制级通过10/100M以太网通信，即自控系统是由中央控制室计算机和现场级各PLC控制单元组成的两个层次的集散式控制系统(DCS)。集散式控制系统是一个融合了自动控制技术、计算机技术、通信技术、CRT显示技术于一体的高科技控制装置，是用于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的新型控制系统。通过通信网络将中央级监控总站和若干个现场控制总站连接起来，构成集中管理、分散控制的计算机测控管理系统，简称集散式控制系统。DCS系统克服了集中控制系统危险度集中、可靠性差、系统不易扩展、控制电缆用量大等缺陷，实现了真正的信息、管理及调度集中，而将功能及危险分散，如中控室计算机故障各现场分站仍能独立和稳定工作，从根本上提高了系统的可靠性。某污水处理厂自控系统层次结构见图1，自控系统构成见图2。
1.1 现场控制层
现场控制层由现场级各PLC控制单元和现场测控仪表及控制设备组成。控制级由一号现场PLC站、二号现场PLC站、三号现场PLC站、四号现场PLC站4个现场主站构成。管理级采用工控机，该功能层通过PIC实现污水处理厂各工艺段所有过程参数预设、设备运行状态及电气参数的数据采集、设备的控制。并通过工业以太网向中央控制层传送数据和接受其控制指令。系统在该层实现了对粗/细格栅、提升泵站、沉砂池、厌氧池、氧化沟、脱水机房等主要生产环节工艺过程参数及电气设备的控制和保护，确保生产过程安全、稳定、合理、高效的运行。根据工艺控制的要求，对格栅前后压差、泵池液位、厌氧池及氧化沟溶解氧浓度、PH值、进、出水流量、储泥池液位等参数同时进行了监测和控制。各PLC站功能如下：
1） 预处理段控制站PLC1。该PLC工作站设在厂区进水提升泵房控制室，负责监控污水处理厂的预处理工段。其主要控制对象为粗格栅间的粗格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水量、水质如COD、pH、SS(浊度测量)等参数的在线检测。
主要设备控制方式如下：
粗格栅及细格栅：根据时间间隔PLC自动控制栅耙清除栅渣，同时当格栅前后水位超过给定值时PLC也可自动控制栅耙清除栅渣。并且格栅机、螺旋输送机要联动运行，各设备的启动顺序为先启动螺旋机，后启动格栅机。停机时也要联动，顺序与启动时相反。当输送机有故障时，细格栅停止运行。
进水泵房：进水泵房设三台潜水泵二用一备，液位计两台，并设液位开关。PLC根据泵池水位自动控制水泵运转台数，并根据每台泵的运行时间，自动轮换运行水泵，使水泵运行时间均等。设有上、下限报警，防止水泵干运转。编程中水泵的运行调度就遵循下列原则：保证来水量与抽水量一致，即来多少抽多少；保持泵池高水位运行，这样可降低泵的工作扬程，在保证抽升量的前提下，降低电耗；水泵的开停次数不可过于频繁；保证每台水泵的投运次数及运行时间基本均等。
旋流沉砂池：包括两个旋流沉砂系统，鼓风机、沙水分离器及配套设备按操作员设定的周期间歇性联动运行，任一台设备出现故障时，应报警并关闭其联动的设备。在自动工作方式下，各设备根据PLC预先编好的程序控制各电动机的启停和各电磁阀的开关。
2） 生物处理系统/配电中心站PLC2。该工作站一般设在全厂的配电中心控制室，负责监控污水生物处理工段。其主要控制对象为生物池的水下搅拌器、水下推进器和曝气设备，污泥回流泵房的污泥回流泵、剩余污泥泵，二沉池的刮吸泥机等设备。此外，其还负责生物池DO、ORP、MLSS；污泥泵房pH、MLSS，配电中心的电气参数如：电流、电压、有功功率，无功功率、有功电能、无功电能等参数的在线检测。
主要设备控制方式如下：
回流污泥泵和剩余污泥泵的控制： 回流污泥量调节的任务是为了保证生化处理系统混合液浓度维持在一定的范围内。被调节量为活性污泥回流到厌氧池中污泥量。电磁流量计安装在回流污泥官道上。回流泥量调节采用回流污泥泵运行台数来实现，根据进水流量比例调节，回流比可在PLC上预设或在中控室计算机上设定。；剩余污泥泵运行遵循以下原则：A 按时间间隔自动运行。B 污泥缓冲池低液位时剩余污泥泵运行。C 污泥缓冲池高液位时停泵。D 泵阀实现联运控制。
氧化沟：二座厌氧池设6台搅拌器、搅拌器连续运行。二座氧化沟分别在外沟安装8台曝气机、中沟及内沟安装4台曝气机。同时分别在外、中、内沟设有1台溶解氧测定仪，1台ORP测定仪，中沟设1台污浊度测量仪。根据氧化沟中溶氧仪监测的污水中含氧量，控制曝气机的运行台数用以改变充氧量，这样可节省能源。
3） 污水消毒系统/出水泵房站PLC3。该PLC工作站设在出水泵房控制室。其主要控制对象为出水提升泵、切换井电动阀门以及加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。
4） 污泥处理系统/脱水车间PLC4。该PLC工作站一般设在脱水车间配电间控制室，负责监控污泥处理工段。其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水车间的进泥泵、脱水机、浓缩机、加药系统等设备。
主要设备控制方式如下：
储泥池：储泥池搅拌器连续运行，可远控运行，设有高、低液位报警（0.5米可设定）、可在上位机上设定液位报警限（4.5米可设定）。
污泥脱水机房：加药系统加以人工手动制动为主，当加药池的低液位无报警时可随时开启加药计量泵。加药系统的运行信号送往PLC。脱水机系统内部的纠编、冲洗由现场控制箱完成，PLC只给出脱水机的启、停命令，并完成与其它相关设备的联动。脱水机系统的启动顺序如下：先启皮带输送机，再启脱水机系统，后启加药系统，最后打开进泥螺杆泵，停机顺序相反，当运行过程中某设备发生故障或缓冲池液位达到设定低液位时，设备将按停机顺序停机，监控管理计算机可对上述设备远控。
另外，在该层还设有通讯模块，也叫通讯管理单元。通讯管理单元是自动控制系统的中间层，负责整个控制系统的信息收集和转发；通讯管理机将PLC、仪表、其它自动控制系统的数据收集整理，然后经光纤传输到后台系统，同时可以将后台下发的各种控制命令转发至相应单元。
目前，污水厂DCS系统的通讯管理单元网络系统绝大多数都是光钎作为传输介质，即中央控制室和厂区若干个现场控制站之间以一个冗余的100Mbps光纤工业以太网组成一个有线数据通讯网络。
1.2 中央控制层
1） 该层又叫后台监控系统层，是系统中信息显示及控制中心，由挂接在工业以太网上的作为操作站的两台监控管理计算机、彩色CRT及两台打印机等设备构成。监控管理计算机系统通过l0/100M网络收集污水处理厂各工艺参数、电气参数及主要设备的运行状态信息，对各种数据进行分析，处理储存，对各类工艺参数做出趋势曲线，完成对污水处理厂各工艺段的集中控制、检测功能，通过简单的操作，可进行系统功能组态、监视、报警、控制参数在线修改和记录全厂各工艺流程。
该层通过组态工具和专用监控软件实现污水处理全过程的测量数据的集中显示与管理、现场各控制单元的控制组态、数据显示的图文组态、实时数据处理、实时控制指令等功能。
2） 后台监控系统主要包括工作站和打印机等设备。比如一个中央控制室最基本的设备配置有：2台监控主机、显示器、投影机、UPS系统、打印机、报警装置等。各设备功能如下：
监控主机：监控计算机通过通讯管理单元收集污水处理厂各工艺参数、电气参数几主要设备的运行状态信息，再通过后台监控系统软件对数据进行分析、处理、储存，对各类工艺参数做出趋势曲线，完成对污水处理厂各工艺段的集中控制、检测功能，通过简单的操作，可进行系统功能组态、监视、报警、控制参数在线修改和设置。
CRT、投影机：直观显示全厂各工艺流程。
UPS系统：不间断电源系统，自控系统必须24h连续运行，所以UPS系统包括至少一组电池和一个整流器。保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘或及时采取措施，使计算机不致因停电而影响工作或丢失数据。
报警装置：报警音箱等。
2 DCS系统的优点：
1） 克服了集中控制系统危险度集中、可靠性差、系统不易扩展、控制电缆大等缺陷
2） 实现了正真的信息、管理及调度集中，而将功能及控制分散
3 存在问题
1) 网络化水平低，其自控系统只是单一的中央控制监控网络，无法实现单位局域网用户和远程网络用户的访问和控制。
2) 自控水平低，只是完成了对设备简单的机械性操作，距智能化自控还有根大差距。
4 污水处理厂自控系统发展趋势
随着计算机技术、网络技术、数据库技术的发展及向自动化领域的渗透，使得自动化系统的体系结构正进行着一场深刻的变革，这种变革直接对污水处理工业的自动化产生了重大影响。自控系统可由原来的单一过程监控升级为二级网络——污水处理运营局域网和过程监控工业以太网构成二级网络，采用“集中管理、分散控制”的原则，构成“纵向分层，横向分站”的网络体系结构。在两级网络架构下，以实时历史数据库和关系数据库为中心，实现控制系统的4个功能层，即现场控制层、过程监控层、运营管理层、远程访问控制层。自控系统层次结构见图3，自控系统构成见图4。
4.l 现场控制层
与上述相同。
4.2 过程监控层
与上述中央监控层相同，另外，在该层可通过安装专业的智能化控制软件，使之能对生产过程中出现的各种数据给予计算、分析，得出目前运行状态是否正常的结论，作为领导层生产调度、工艺调整等参考的依据。
4.3 管理层
该层建立在由管理计算机和数据库服务器组成的局域网上。系统管理员可以通过权限设置为企业局域网不同用户分配不同的权限，领导层可通过建立在该层的关系数据库，查看和调阅污水厂的各种数据，并可通过安装专业的智能化控制软件，使之能对生产过程中出现的各种数据给予计算、分析，得出目前运行状态是否正常的结论，作为领导层生产调度、工艺调整等提供依据，实现污水厂的综合管理等功能；对厂内的一般用户只留有访问部分数据的权限。在该层留有具有网络安全防护的远程数据库用户访问接口，实现授权的用户远程访问数据库。
4.4 远程访问控制层
随着INTERNET的发展和不断完善，远程访问和远程控制已日益应用到各行各业中，水处理行业的远程访问和管理也随之诞生---远程访问控制层。该层使用远程访问服务器、远程监控软件等工具为有权限的远程用户提供服务，实现管理者异地访问、维护和上级主管部门实时监督。按照权限的划分可为远程用户提供如下服务：远程服务端关系数据库访问，远程服务端实时数据库访问，污水处理过程参数、实时数据、历史数据、各种图文客户端显示，实时运行工况画面远程调阅，水质参数在线记录远程监视，数据库远程维护等等。
5 结论
未来污水处理厂自控网络系统是集计算机技术、信息技术、自动化技术、网络技术、智能化技术于一体的系统，水处理工业自动化控制的网络化作业、智能化作业将成为未来发展的主导趋势。
