污水處理中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構(gòu)成。

　　處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)更高級的集中管理功能，如計劃調(diào)度、倉儲管理、能源管理等。

　　結(jié)構(gòu)

　　從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)紙行業(yè)應(yīng)用到這一層的系統(tǒng)較少。

　　DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執(zhí)行的。

　　過程控制站的組成：

　　DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成

　　I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。

　　I/O單元：通常，一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

　　DCS在污水處理過程中的應(yīng)用

　　原有的污水處理控制系統(tǒng)由SBR反應(yīng)池PLC和現(xiàn)場顯示儀表組成，其中PLC由于使用的時間較長，故障率明顯增高，以至于控制主要由工藝人員手動完成，并且因為現(xiàn)場環(huán)境的惡劣，現(xiàn)場儀表多被腐蝕，運行不穩(wěn)定，已經(jīng)影響了污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。最終選用了浙大中控JX300X DCS來對控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造，并更換了現(xiàn)場變送器。

　　一、工藝流程

　　整個污水處理的流程由以下五道工序組成：

　　（一）預(yù)處理工序

　　來自各生產(chǎn)車間的工業(yè)污水排入調(diào)節(jié)池內(nèi)，由于水溫較高，不利于后面工序分解有機物的菌類生長，需自然冷卻后方可排出。池內(nèi)設(shè)一溫度節(jié)點，待水溫降至設(shè)定值時，打開閥門使污水流入絮凝沉淀池內(nèi)。在廢水管道中安裝電磁流量計以完成對污水計量結(jié)算的功能。

　　沉淀池定時打開石灰泵及閥門，加入按照比值控制配比好的熟石灰溶液，以加強污泥的脫水能力及改善污水的PH值，在若干時段內(nèi)離線采集池內(nèi)廢水，測量其酸堿度。沉淀池底部的刮泥機定時工作，將沉淀下來的污泥刮入絮渣沉淀池，再定時控制每日排出定量的濃縮污泥進(jìn)入污泥脫水工序。沉淀池中的上清液體經(jīng)加水稀釋后排入均質(zhì)池，定時排入下一道工序。

　　（二）水解酸化工序

　　水解酸化的主要設(shè)備是四座厭氧脫硫塔，分別接受四個均質(zhì)池中的污水原液，各加一電磁流量計做成本結(jié)算之用。脫硫塔中培養(yǎng)的厭氧菌可以去處一部分污水原液的BOD、COD，達(dá)到污水脫硫的處理目的。根據(jù)工藝要求，塔中溫度對厭氧菌的生長最為關(guān)鍵，塔頂及塔釜溫度作為參考量。由于靠蒸汽閥門的開度來控制溫度恒定，而蒸汽流量干擾對溫度影響最大，所以設(shè)計以塔中溫度為主控制點，蒸汽流量控制為副回路的溫度—流量串級控制系統(tǒng)，保證了塔內(nèi)溫度的穩(wěn)定。經(jīng)過脫硫的污水排入SBR池中。

　?。ㄈ㏒BR工序

　　SBR是序列間歇式活性污泥法（Sequncing Batch Reactor Activated Sludge Process）的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術(shù)。SBR反應(yīng)池是整個污水處理車間的核心，污水中的大分子有機物在此被分解為小分子有機物，進(jìn)而被分解為二氧化碳和水。所以，SBR反應(yīng)池的自控對整個污水處理系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。

　　SBR池底部有大量活性污泥，其主要組成部分為好氧菌。好氧菌對于污水中的有機污染物有著極強的降解作用，其種群的多少與SBR池的污水處理能力有著直接的關(guān)系。從反應(yīng)池內(nèi)一直進(jìn)行的硝化反應(yīng)方程式來看：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量

　　只有有著足夠的氧分子，硝化反應(yīng)才能正常進(jìn)行，降解有機物的好氧菌才能存活；但氧氣過多又會導(dǎo)致大量泡沫產(chǎn)生，污泥沉降性能下降，能耗增加，所以對 SBR池的通氣量的控制最為關(guān)鍵。通氣量為定時控制，當(dāng)在線溶氧儀濃度示值偏差過大時，改變設(shè)定值調(diào)整進(jìn)氣量時長。污水進(jìn)料閥以及排泥閥也均為定時控制。 SBR池加裝投入式液位計控制閥門以防止污水溢出，安裝超聲波流量計對污水進(jìn)行計量，設(shè)溫度節(jié)點加熱水實現(xiàn)反應(yīng)池內(nèi)恒溫。

　?。ㄋ模┙佑|氧化工序

　　本工序內(nèi)的一級、二級接觸氧化池可以看作曝氣池的繼續(xù)，經(jīng)過充分的氧化后，定時排入相應(yīng)的沉淀池中，通過重力沉淀的原理，去除污泥等懸浮物，定時驅(qū)動吸泥機將污泥刮入污泥濃縮池中。二沉池中處理過的水經(jīng)過濾消毒后已符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接排放或者進(jìn)入回水系統(tǒng)再次利用。

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　　在以上工序中通過刮泥機將污泥排入濃縮池中經(jīng)脫水機脫水后形成含水量較低的污泥濾餅，送入回轉(zhuǎn)窯燃燒，最終以無害的二氧化碳和水的形式排放，其灰渣則做深埋處理。

　　圖1 污水處理工藝流程圖

　　二、控制系統(tǒng)

　?。ㄒ唬?a target="_blank">硬件配置

　　本系統(tǒng)由1個工程師站、1個操作員站、1個I/O站和過程控制網(wǎng)絡(luò)組成，并通過以太網(wǎng)和車間主任的管理計算機相聯(lián)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢遙控。工程師站內(nèi)裝有組態(tài)軟件平臺可完成修改參數(shù)和系統(tǒng)維護(hù)的任務(wù)；操作員站是操作人員完成生產(chǎn)過程監(jiān)控管理的平臺；I/O站完成整個工業(yè)過程的實施監(jiān)控，由主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、 I/O卡、供電單元等組成，為了確保系統(tǒng)的可靠性，主控卡件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡為冗余配置。

　　備有SP243X主控制卡2個；SP313 4路模擬量信號輸入卡30個；SP322 4路模擬量輸出卡3個；SP363 7路觸點型開關(guān)量輸入卡8個；SP364 7路繼電器輸出卡10個。總共擁有AI信號108個；AO信號8個；DI信號40個；DO信號50個。

　?。ǘ┚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　圖2 污水處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　?。ㄈ┸浖M態(tài)

　　1．人機界面

　　顯示數(shù)據(jù)總貌、各檢測點歷史曲線、各工序工藝流程圖以及現(xiàn)場各個閥門狀態(tài)等畫面，并設(shè)置了不同的權(quán)限以保證系統(tǒng)的安全性。

　　2．報表

　　于8:30、16:30、0:30時出班報，形式為：顯示當(dāng)前班溫度、流量的整點數(shù)據(jù)，流量累計，閥門開、關(guān)時刻記錄，設(shè)備運行狀態(tài)；每月出月報，形式為：以每天為記錄單位，顯示流量的日均值（每日各正點記錄之和/24），月累計值，溫度的日均值（每日各正點記錄之和/24），同時能輸入其它數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。

　　3．SBR反應(yīng)池閥門控制：如圖3所示。

　　圖3 閥門控制算法流程圖

　　4．SBR反應(yīng)池閥門狀態(tài)報警：

　　如果曝氣池中的閥門出現(xiàn)故障而未及時發(fā)現(xiàn)，就會使污水在無充分降解的情況下排入下一道工序，無法達(dá)到污水凈化的國家排放標(biāo)準(zhǔn)，造成較大損失，所以借助于智能閥門的反饋信號設(shè)計出閥門報警程序，以便發(fā)生故障后及時處理，減少損失。

　　報警定義為：閥門開啟/關(guān)閉動作后，12秒內(nèi)無反饋信號便視為閥門故障，用聲光報警方式提醒維護(hù)人員前去排除故障恢復(fù)生產(chǎn)。

　　三、結(jié)束語

　　在浙大中控JX300X系統(tǒng)投入使用以來，其穩(wěn)定性以及人機界面的友好和豐富的控制功能均比原來的控制系統(tǒng)提高很多，得到了工藝人員和自控維護(hù)人員的好評，為實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和周邊環(huán)境的改善提供了保障。但在這期間也發(fā)現(xiàn)了某些問題，以期在資金以及后期維護(hù)手段跟上的時候進(jìn)行對此進(jìn)一步的完善。其一，在線分析儀器使用較少。只有在SBR反應(yīng)池有溶氧在線監(jiān)控，絮凝沉淀池中酸堿度是離線分析，時滯性較大，因而只是將其作為參考數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)自控。

　　如實現(xiàn)在線分析，則可由控制石灰泵的開啟關(guān)閉來實現(xiàn)池中酸堿度的控制。此外，在條件允許的情況下，可在SBR反應(yīng)池中設(shè)置污泥濃度計，以便能夠使工藝人員更直觀的了解池中好氧菌的生長情況，同時也為回流污泥量的確定提供了依據(jù)；其二，SBR反應(yīng)池中的潷水器控制器為單機控制模式，只能按照預(yù)先設(shè)定的單一工作模式運行，如果在它和DCS的主控單元之間建立基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，便可實現(xiàn)潷水器按照不同現(xiàn)場環(huán)境和工藝要求，更加靈活的運行；其三，由于SBR反應(yīng)池中的溶氧的需求量和污泥中好氧菌的生命周期有關(guān)，在處理初期耗氧較大，隨后逐漸減小的這一情況，為溶氧控制尋求一合適的控制算法以及將恒頻風(fēng)機更換為可以變頻的不僅僅能夠更好的完成污水處理的任務(wù)，更可以降低能源消耗，縮短處理周期，實現(xiàn)優(yōu)化控制。