摘要：城市水污染相對嚴重，所以一些污水處理廠拔地而起，同時由于受到一些條件局限，設備管理落后，影響處理進程。所以國家開始研究了一套污水處理成套設備綜合智能自動化系統。文章主要就是介紹開發該種自動化系統涉及的一些重點過程項目。

       1、概述
　　
　　近年來，各地相繼利用外資建設了一批城市污水處理廠，將*的工藝及設備引進國內，在提高工藝設備技術水平的同時，控制系統和管理水平也有了很大的提高。結束了以往污水處理全部用人工或簡單的電器控制的落后局面。
　　
　　唐山市西郊污水處理廠建于80年代中期，日處理能力3.6萬噸。受歷史條件局限，全部采用的國產設備，工藝設備為人工操作或簡單的電器控制。運行中的工藝參數調整大多憑經驗，這種低水平的運行管理狀態在很大程度上影響了正常運行。
　　
　　污水處理成套設備綜合智能自動化系統開發研制目標是對污水處理運行過程的全面控制及全廠管理系統進行研究開發，實現污水處理全過程的自動化控制和現代化管理。
　　
　　針對自動化系統的發展趨勢及西郊污水處理廠的現狀，將現場總線技術，智能控制，故障診斷及常規DCS和PLC技術作為開發的重點。
　　
　　系統按縱向分層，橫向分站的原則構造，縱向分為遠程終端，計算機集成生產系統，控制網絡和現場設備及各層面。橫向則根據污水處理工藝劃分為若干個控制站，用戶可根據自己的實際情況，合理地選擇系統的配置。考慮到污水處理廠的改造與發展，系統可擴展性和兼容性比較強。針對污水處理工藝過程，開發了智能化控制軟件，實現污水處理工藝運行參數以及運行過程的自動控制。開發了相對獨立的車間單元級設備及控制系統，并按照污水處理工藝過程和DeltaV系統的配置要求，將控制功能分配在2臺DeltaV控制器上，其中1號控制器主要監控預處理工序生產過程。包括三索格柵，污水泵等設備，由于沉沙池和一沉池的工藝設備屬于開關量控制，且與1號控制器距離較遠，因此選擇1臺PLC控制這些設備的運行。PLC和1號控制器通過RS--485總線連接，按相關協議進行數據通信。2號控制器監控二級處理工序生產過程，包括曝氣池，二沉池，鼓風機和回流污泥泵等。在污泥脫水工序開發了一套PLC控制系統，通過RS--485總線和2號控制器連接，亦通過相關協議將運行數據上傳到中央控制室。全廠工藝運行的控制系統可劃分為污水泵及三索格柵自動化控制、預處理工序自動控制、曝氣池溶解氧與鼓風曝氣自動控制、曝氣池混合液濃度與污泥回流自動控制、二沉池泥水界面檢測及排泥自動控制、污泥脫水工序自動等六個控制單元。
　　
　　2、各單元控制系統
　　
　　2.1污水泵及三索格柵自控系統
　　
　　污水泵單元設有4臺污水泵，其中2臺通過變頻器控制。2臺自耦啟動。正常情況下，2臺污水泵同時工作，即：1臺由變頻器控制的泵和1臺自耦啟動的泵（恒轉速），根據集水井液位和總流量要求，在1臺恒速泵工作的同時對變頻器控制的泵進行調節，以使之達到運行需要。中控室DeltaV控制污水泵運行。三索格柵是系統實施過程中新開發的設備，為滿足系統控制的要求，在電氣控制部分增加了遠程控制功能，在遠程控制狀態時，DeltaV控制其運行。三索格柵的運行間隔根據進水量的大小確定。
　　
　　2.2污水預處理工序自控系統
　　
　　1、旋流沉沙池和砂水分離器控制系統
　　
　　該系統在項目中新開發的設備設施包括：2座旋流式沉砂池；3臺羅茨鼓風機，1臺無軸螺旋砂水分離器，11個電磁閥。該系統電氣控制元件多，動作復雜，為此采用PLC做主控制器，控制方式為自動，中控，手動三種，在這種控制方式下，可分為單獨工作或同時工作，該系統輸送給中控室DeltaV系統的信號有：故障信號：電機出現故障時，中控室DeltaV系統報警，當班人員可及時準確處理故障。中控信號：將現場控制旋鈕旋到中控位置，中控室得到中控信號，即可合上中控觸點進行中央控制。電機運行信號，提砂信號，洗砂信號，便于中控室進行監控。本系統還設有2臺閘板啟閉機，1臺PH計，2臺階梯格柵，（新開發）1臺皮帶輸送機，其控制檢測信號由MODBUS通訊傳輸到中控室的DeltaV系統，分為中控/手控方式，分別依據污水處理工藝的數學模型進行控制。
　　
　　2、一沉池自控系統
　　
　　該系統共有沉淀池4座，在每個沉淀池增設4臺電動排泥閥和1臺刮沫機。電動排泥閥具有現場手動和遠程操作功能，反饋到上位機的信號分別為運行，停止，手動/自動，開閥到位，關閥到位，閥門故障等信號。刮沫機的控制信號也同樣反饋到上位機的PLC中，主控制器按工藝要求分別對刮泥機，電動排泥閥門按時間函數進行控制，并將相關的反饋信號由MODBUS通訊傳輸到中控室的DeltaV系統進行檢測。
　　
　　2.3曝氣池溶解氧與鼓風曝氣自控系統
　　
　　該系統由鼓風曝氣裝置（鼓風機，供風管，曝氣管）電動調節閥，溶解氧傳感器及DeltaV控制器組成。各曝氣池溶解氧含量的控制由溶解氧傳感器，控制器，綜合參數流量控制器，電動調節閥構成串級控制回路，通過調節閥門開度使溶解氧保持在工藝要求的范圍之內，鼓風曝氣總量控制回路由溶解氧傳感器，綜合參數流量控制器和變頻調速器構成。通過調節風機轉速控制鼓風總量的大小，在滿足曝氣池供氧量的前提下，降低鼓風機電耗。
　　
　　對于鼓風總量控制回路，使用綜合考慮溶解氧均值，進水量，MLSS等工藝參數的控制算法。在鼓風機出口沒有安裝流量計，只安裝了用來檢測鼓風機出口壓力的現場總線型壓力變送器。因此。流量調節是按照鼓風機的性能曲線進行的。
　　
　　2.4曝氣池混合液濃度與污泥回流自控系統
　　
　　該系統有4個串級控制回路組成，每個回路中包括混合液濃度傳感器和控制器，回流污泥流量傳感器和控制器以及電動調節閥等。
　　
　　在混合液濃度控制系統的內環，由于執行機構-電動調節閥和檢測儀表-多普勒流量計均有一定的純滯后時間，對于這種控制現象使用常規控制效果較差，所以采用了采樣值PI控制作為串級控制系統的控制器。活性污泥法污水處理過程是一種生化反應過程，它對控制系統的要求是使混合液濃度保持在一定的范圍內，為使回流污泥調節閥的動作不至太頻繁，混合液濃度控制系統的控制器采用采樣-保持式增量控制方式，這種控制方式是模擬人工控制的方式進行的，控制器每隔一段時間采樣檢測一次混合液濃度，將該值與前一次監測值進行比較，得到在區間內的變化量，再根據當前混合液濃度與混合液濃度控制范圍的中值的差，計算出主控制器對從控制器的給定流量。
　　
　　2.5二沉池泥水量界面檢測及排泥控制系統
　　
　　該系統由泥水界面計，無線數據傳輸裝置和工業控制機組成。采集的二沉池泥水界面值通過無線發射模塊送到無線接收模塊，再通過RS--485總線傳輸到中控室的工業控制機，該機對泥水界面的數字信號糾錯處理后，利用工廠控制網絡將實時的泥水界面交給DeltaV系統。
　　
　　排泥控制系統中的DeltaV系統，污泥回流泵變頻器，排泥電動閥等作為系統的控制和執行單元，完成對二沉池泥水界面值的控制。
　　
　　2.6污泥脫水工序自控系統
　　
　　作為一個相對獨立的控制單元，開發本系統的目的在于，根據污泥量，污泥濃度調節絮凝劑的投入量，使污泥脫水過程在*絮凝狀態下運行，改變污泥脫水工序無計量，無檢測的人工經驗式的工作狀態，實現污泥脫水工序生產過程的自動控制，建成運行過程主要工藝參數的在線監測及參與實時控制的自動化系統。
　　
　　根據污泥脫水工藝流程和需要控制的設備的數量，仍以PLC做為控制計算機。控制方式分別采用手動和自動。
　　
　　手動運行方式下，可按照工藝要求，根據現場設備狀況及污泥和絮凝劑的反應情況，進行手動操作。閥門控制器和定量控制器，也設為手動/自動兩種工作方式，在手動工作方式下，由面板上的按鍵直接操作。
　　
　　在自動運行階段，關鍵是控制閥門開度和定量泵加藥量，定量泵轉速，和給泥閥的開度。但由于加藥量和閥門開度控制都有一定的延時，所以，關于給泥閥和加藥泵的控制是一個帶有滯后的多因素的非線型控制，為使控制準確，需增加智能控制，選擇專家系統對閥門開度和定量閥進行控制。閥門開度控制在0～之間，定量泵的流量控制在0～300m3/h之間，由PLC的模擬量的輸出對閥門開度和定量泵的轉速進行控制。
　　
　　專家系統模型的基本思想是：在確定某一加藥量的前提下（即確定定量泵的轉速下）根據污泥濃度的檢測在某一濃度范圍內，確定閥門的開度。如果在一定閥門開度的基礎上污泥流量偏小，可確定污泥管道或閥門有堵塞現象，這時可把閥門開到，用中間罐的污泥進行沖洗，處理完堵塞問題后，再把閥門開到相應的度數。通過控制柜面板上的顯示儀表，可以對閥門開度進行微調，同時對加藥量也可以調整。在另一加藥量的前提下，同樣可利用專家系統在某一污泥濃度下對閥門開度自動調節。
　　
　　在全廠整個控制系統中沒有考慮中控室對污泥脫水單元工序進行控制，只設置了該單元與DeltaV系統的通訊方式，使中控室操作人員對污泥脫水單元運行情況能夠掌握。
　　
　　3、故障診斷專家系統
　　
　　本系統針對污水處理工藝這樣的物理和生化變化為主的診斷對象，故障發生的特點，提出了面向工藝故障診斷的總體方案。
　　
　　由于污水處理是一個較為緩慢的物理和生化變化為主的工藝控制過程，產生的故障絕大部分是參數性故障，而且污水處理工藝運行過程屬于少品種大量連續生產類型，生產過程是連續的，物流和能量流持續不斷進行，工序先后次序緊湊嚴格，工藝流程基本不變，緩沖余地小生產均衡平穩，并伴隨著一系列物理生化變化，整個過程又存在著突變性和不確定性因素，對管理，控制的協調性，實時性和可靠性要求較高，設備運行的環境比較復雜，故障停車損失大，往往故障的發生是以連鎖的形式出現的，這樣故障停車造成的損失巨大，因此故障診斷是確保安全運行的必要手段。
　　
　　根據污水處理工藝的故障診斷特點，提出了一個檢測診斷和決策支持的系統。
　　
　　故障診斷系統的數據采集是通過現場總線和網絡來實現的，其體系結構分為工廠級、車間級、現場級。通過現場級與車間級自動化監控集成系統主要完成底層設備聯機控制，通訊聯網，在線設備狀態監測及現場設備運行和生產數據的采集，存儲統計等功能。在現場級網絡，通過控制器與現場設備之間的I/O 連線或現場總線的數字化通信網絡將傳送到控制器的在線數據再通過預訂的協議傳送到上位機，并存儲在數據庫，這部分的功能是通過數據通訊部分實現的。

        診斷系統中，數據采集，數據檢查和故障診斷之間的控制信息和在線數據的交互是通過相關部件和數據庫的查詢技術實現的。下面介紹一下系統中采用的離線診斷和在線診斷兩部分的一些特殊功能。

    診斷模型采用層次分類方式，根據層次分類的方法構建為工藝鏈-故障樹診斷模型，借鑒了當前較成熟的結構樹-故障樹診斷模型。將污水處理工藝流程劃分為若干個彼此不相干的線性鏈表，每條線性鏈表就是一條工藝鏈，它表現的是在處理同一物質的過程中，各工藝環節之間的關系應該是“圖”，即有些環節有多個輸入和輸出，但是對于在工藝流程中出現的兩個工藝鏈交叉的環節，另一個鏈表的物質流，可作為控制參數或狀態參數對待。

    污水處理廠的在線故障診斷，就是要根據通過傳感器獲得的某個輸出參數的狀態（是否超標）以及其它的一些在線數據判斷是哪個輸入參數對應的設備出現故障。在污水處理工藝過程中，由于生化反應需要時間，在線參數的變化不是階越而是連續的。因此某些輸入參數發生了某種變化后，輸出參數的變化會有一個滯后，而不是同時跟隨輸入參數發生相應的變化，由于這個原因就要求該系統不僅需要根據當前的輸出參數的數據判斷出是哪輸入參數超標，也就是哪個輸入參數對應的設備出了故障。該系統的故障診斷不僅是依照當前數據進行診斷，更重要的是要根據歷史數據判斷出故障源。根據輸出參數而不是直接判斷輸入參數是否超標進行診斷主要基于以下原因：

    （1）增加報警的準確性，由于對產品（即所處理的污水）的質量起決定作用的是輸出參數的值，也就是說，有時即使某些輸入參數代表的工藝參數超標，但是如果它對產品的質量指標不產生過分的影響（既不是產品的質量指標超標），那么對于輸入參數的這種超標狀態，可以不予考慮，只對確實應報警的工藝狀態報警。

    （2）增加系統的智能化，根據診斷可以直接判斷是那個工藝參數（指輸入參數）發生了問題。

    （3）減少誤報警次數，由于干擾等原因造成的輸入參數的瞬時超標不會對輸出參數產生影響，因此這樣的報警就能夠剔除。因為經常是幾個輸入參數影響一個輸出參數，所以因對輸入參數干擾引起的誤報警次數可以大大減少。

    （4 ）在線參數都是通過組態軟件獲取，而對于參數的超標的報警在組態軟件中已經做得相當完善。

    本系統以污水處理廠工藝流程控制智能診斷為主要內容，實現了實時性要求不高的在線，離線智能故障診斷。其主要特點如下：

    （1）采用面向對象的思想分析，設計和實現了診斷模型。

    （2）采用實時方式傳送在線數據，輪詢方式征兆提取的在線診斷機制。

    （3）實現了對多故障分組并以此診斷的多故障診斷。

    （4 ）應用層次分類的方法，建立了工藝鏈，故障樹模型及按照多對多關系組織故障樹知識庫。

    （5）實現了在線和離線兩種診斷方式的診斷系統，其中故障樹推理實現兩種診斷策略。

    （6）實現了系統管理模塊，可以進行用戶管理，數據庫維護和對在線診斷參數和界面參數進行設置。

        4、小結

       污水處理成套設備綜合智能自動化系統作為西郊污水處理廠的改造嫁接工程項目，已于2000 年3 月份通過了專家鑒定驗收，結合前段的運行實踐，作如下小結：

        4.1  運轉狀況：

    （1）工藝設備

    通過項目開發了 GGS 型三索格柵，旋流沉沙池，無軸螺旋砂水分離器，JTS1110 型階梯格柵，一沉池刮沫機，DQY2000-C 帶式壓濾機，電動閥門執行機構等新設備，新設施，提高了西郊污水處理廠的裝備水平。

    （2）儀器儀表

    引進一批國內*的計量檢測儀器儀表，可完成對污水污泥的流量，液位，PH，鼓風量的測定，并實現了曝氣池溶解氧，混合液污泥濃度，二沉池泥水界面等關鍵工藝參數的在線監測與控制。

    （3）智能化控制系統

    系統主控制器采用國外公司新近推出的 DeltaV 控制系統，項目研制開發的智能化控制系統界面友好，操作方便。各工藝環節運行良好，并實現了曝氣池，污水脫水系統的智能化控制，項目研制開發的管理軟件，控制軟件，故障診斷軟件功能完善。

        4.2 預期效益

    （1）在高電耗設備上采用了變頻調速及系統控制等項技術，合理匹配機泵，節能降耗，全年可節約電費 17 萬元。

    （2）通過選用的DQY2000-C 帶式壓濾機和增設污泥脫水生產工序自動化控制，使污泥脫水過程在*絮凝狀態下進行，不僅可大大增加脫水污泥量，而且可降低運行成本 11 萬元。
 
       總之“污水處理成套設備綜合智能化自動化系統”項目工程的實施不僅提高了西郊污水處理廠生產運行的管理水平和科技含量，同時也希望能對中小型污水處理廠的改造與建設提供一些經驗。