污水處理中DCS控制系統的應用

　　控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據采集站等組成，也可由通用的服務器、工業控制計算機和可編程控制器構成。

　　處于底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、數據采集站等就地實現數據采集和控制，并通過數據通信網絡傳送到生產監控級計算機。生產監控級對來自過程控制級的數據進行集中操作管理，如各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術的發展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設備通過網絡連接來實現更高級的集中管理功能，如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。

　　結構

　　從結構上劃分，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單元和現場儀表組成，是系統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，完成系統的操作和組態。管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內紙行業應用到這一層的系統較少。

　　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，主要由電源、CPU（中央處理器）、網絡接口和I/O組成

　　I/O：控制系統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行器（調節閥）。

　　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用

　　原有的污水處理控制系統由SBR反應池PLC和現場顯示儀表組成，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，并且因為現場環境的惡劣，現場儀表多被腐蝕，運行不穩定，已經影響了污水處理系統的穩定運行。最終選用了浙大中控JX300X DCS來對控制系統進行更新改造，并更換了現場變送器。

　　一、工藝流程

　　整個污水處理的流程由以下五道工序組成：

　?。ㄒ唬╊A處理工序

　　來自各生產車間的工業污水排入調節池內，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。池內設一溫度節點，待水溫降至設定值時，打開閥門使污水流入絮凝沉淀池內。在廢水管道中安裝電磁流量計以完成對污水計量結算的功能。

　　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，在若干時段內離線采集池內廢水，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入污泥脫水工序。沉淀池中的上清液體經加水稀釋后排入均質池，定時排入下一道工序。

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　　水解酸化的主要設備是四座厭氧脫硫塔，分別接受四個均質池中的污水原液，各加一電磁流量計做成本結算之用。脫硫塔中培養的厭氧菌可以去處一部分污水原液的BOD、COD，達到污水脫硫的處理目的。根據工藝要求，塔中溫度對厭氧菌的生長最為關鍵，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，保證了塔內溫度的穩定。經過脫硫的污水排入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。SBR反應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，進而被分解為二氧化碳和水。所以，SBR反應池的自控對整個污水處理系統來說是至關重要的。

　　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系。從反應池內一直進行的硝化反應方程式來看：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量

　　只有有著足夠的氧分子，硝化反應才能正常進行，降解有機物的好氧菌才能存活；但氧氣過多又會導致大量泡沫產生，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鍵。通氣量為定時控制，當在線溶氧儀濃度示值偏差過大時，改變設定值調整進氣量時長。污水進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行計量，設溫度節點加熱水實現反應池內恒溫。

　?。ㄋ模┙佑|氧化工序

　　本工序內的一級、二級接觸氧化池可以看作曝氣池的繼續，經過充分的氧化后，定時排入相應的沉淀池中，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過濾消毒后已符合國家排放標準，可直接排放或者進入回水系統再次利用。

　?。ㄎ澹┪勰嗝撍ば?/p>

　　在以上工序中通過刮泥機將污泥排入濃縮池中經脫水機脫水后形成含水量較低的污泥濾餅，送入回轉窯燃燒，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

　?。ㄒ唬?a target="_blank">硬件配置

　　本系統由1個工程師站、1個操作員站、1個I/O站和過程控制網絡組成，并通過以太網和車間主任的管理計算機相聯，實現遠程查詢遙控。工程師站內裝有組態軟件平臺可完成修改參數和系統維護的任務；操作員站是操作人員完成生產過程監控管理的平臺；I/O站完成整個工業過程的實施監控，由主控卡、數據轉發卡、 I/O卡、供電單元等組成，為了確保系統的可靠性，主控卡件、數據轉發卡為冗余配置。

　　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路觸點型開關量輸入卡8個；SP364 7路繼電器輸出卡10個?？偣矒碛?a href="http://www.qd573.com/tags/ai/" target="_blank">AI信號108個；AO信號8個；DI信號40個；DO信號50個。

　?。ǘ┚W絡結構

　　圖2 污水處理系統網絡結構

　?。ㄈ┸浖M態

　　1．人機界面

　　顯示數據總貌、各檢測點歷史曲線、各工序工藝流程圖以及現場各個閥門狀態等畫面，并設置了不同的權限以保證系統的安全性。

　　2．報表

　　于8:30、16:30、0:30時出班報，形式為：顯示當前班溫度、流量的整點數據，流量累計，閥門開、關時刻記錄，設備運行狀態；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），同時能輸入其它數據進行編輯。

　　3．SBR反應池閥門控制：如圖3所示。

　　圖3 閥門控制算法流程圖

　　4．SBR反應池閥門狀態報警：

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

　　報警定義為：閥門開啟/關閉動作后，12秒內無反饋信號便視為閥門故障，用聲光報警方式提醒維護人員前去排除故障恢復生產。

　　三、結束語

　　在浙大中控JX300X系統投入使用以來，其穩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提高很多，得到了工藝人員和自控維護人員的好評，為實現污水處理系統的穩定運行和周邊環境的改善提供了保障。但在這期間也發現了某些問題，以期在資金以及后期維護手段跟上的時候進行對此進一步的完善。其一，在線分析儀器使用較少。只有在SBR反應池有溶氧在線監控，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據無法實現自控。

　　如實現在線分析，則可由控制石灰泵的開啟關閉來實現池中酸堿度的控制。此外，在條件允許的情況下，可在SBR反應池中設置污泥濃度計，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；其二，SBR反應池中的潷水器控制器為單機控制模式，只能按照預先設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場總線的數據聯系，實現數據交換，便可實現潷水器按照不同現場環境和工藝要求，更加靈活的運行；其三，由于SBR反應池中的溶氧的需求量和污泥中好氧菌的生命周期有關，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，更可以降低能源消耗，縮短處理周期，實現優化控制。