污水处理中DCS控制系统的应用

　　控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。

　　处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

　　结构

　　从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。

　　DCS的控制程序：DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。

　　过程控制站的组成：

　　DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成

　　I/O：控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。

　　I/O单元：通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。

　　DCS在污水处理过程中的应用

　　原有的污水处理控制系统由SBR反应池PLC和现场显示仪表组成，其中PLC由于使用的时间较长，故障率明显增高，以至于控制主要由工艺人员手动完成，并且因为现场环境的恶劣，现场仪表多被腐蚀，运行不稳定，已经影响了污水处理系统的稳定运行。最终选用了浙大中控JX300X DCS来对控制系统进行更新改造，并更换了现场变送器。

　　整个污水处理的流程由以下五道工序组成：

　　（一）预处理工序

　　来自各生产车间的工业污水排入调节池内，由于水温较高，不利于后面工序分解有机物的菌类生长，需自然冷却后方可排出。池内设一温度节点，待水温降至设定值时，打开阀门使污水流入絮凝沉淀池内。在废水管道中安装电磁流量计以完成对污水计量结算的功能。

　　沉淀池定时打开石灰泵及阀门，加入按照比值控制配比好的熟石灰溶液，以加强污泥的脱水能力及改善污水的PH值，在若干时段内离线采集池内废水，测量其酸碱度。沉淀池底部的刮泥机定时工作，将沉淀下来的污泥刮入絮渣沉淀池，再定时控制每日排出定量的浓缩污泥进入污泥脱水工序。沉淀池中的上清液体经加水稀释后排入均质池，定时排入下一道工序。

　　（二）水解酸化工序

　　水解酸化的主要设备是四座厌氧脱硫塔，分别接受四个均质池中的污水原液，各加一电磁流量计做成本结算之用。脱硫塔中培养的厌氧菌可以去处一部分污水原液的BOD、COD，达到污水脱硫的处理目的。根据工艺要求，塔中温度对厌氧菌的生长最为关键，塔顶及塔釜温度作为参考量。由于靠蒸汽阀门的开度来控制温度恒定，而蒸汽流量干扰对温度影响最大，所以设计以塔中温度为主控制点，蒸汽流量控制为副回路的温度—流量串级控制系统，保证了塔内温度的稳定。经过脱硫的污水排入SBR池中。

　　（三）SBR工序

　　SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequncing Batch Reactor AcTIvated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。SBR反应池是整个污水处理车间的核心，污水中的大分子有机物在此被分解为小分子有机物，进而被分解为二氧化碳和水。所以，SBR反应池的自控对整个污水处理系统来说是至关重要的。

　　SBR池底部有大量活性污泥，其主要组成部分为好氧菌。好氧菌对于污水中的有机污染物有着极强的降解作用，其种群的多少与SBR池的污水处理能力有着直接的关系。从反应池内一直进行的硝化反应方程式来看：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O+能量

　　只有有着足够的氧分子，硝化反应才能正常进行，降解有机物的好氧菌才能存活；但氧气过多又会导致大量泡沫产生，污泥沉降性能下降，能耗增加，所以对 SBR池的通气量的控制最为关键。通气量为定时控制，当在线溶氧仪浓度示值偏差过大时，改变设定值调整进气量时长。污水进料阀以及排泥阀也均为定时控制。 SBR池加装投入式液位计控制阀门以防止污水溢出，安装超声波流量计对污水进行计量，设温度节点加热水实现反应池内恒温。

　　（四）接触氧化工序

　　本工序内的一级、二级接触氧化池可以看作曝气池的继续，经过充分的氧化后，定时排入相应的沉淀池中，通过重力沉淀的原理，去除污泥等悬浮物，定时驱动吸泥机将污泥刮入污泥浓缩池中。二沉池中处理过的水经过滤消毒后已符合国家排放标准，可直接排放或者进入回水系统再次利用。

　　（五）污泥脱水工序

　　在以上工序中通过刮泥机将污泥排入浓缩池中经脱水机脱水后形成含水量较低的污泥滤饼，送入回转窑燃烧，最终以无害的二氧化碳和水的形式排放，其灰渣则做深埋处理。

　　图1 污水处理工艺流程图

　　（一）硬件配置

　　本系统由1个工程师站、1个操作员站、1个I/O站和过程控制网络组成，并通过以太网和车间主任的管理计算机相联，实现远程查询遥控。工程师站内装有组态软件平台可完成修改参数和系统维护的任务；操作员站是操作人员完成生产过程监控管理的平台；I/O站完成整个工业过程的实施监控，由主控卡、数据转发卡、 I/O卡、供电单元等组成，为了确保系统的可靠性，主控卡件、数据转发卡为冗余配置。

　　备有SP243X主控制卡2个；SP313 4路模拟量信号输入卡30个；SP322 4路模拟量输出卡3个；SP363 7路触点型开关量输入卡8个；SP364 7路继电器输出卡10个。总共拥有AI信号108个；AO信号8个；DI信号40个；DO信号50个。

　　（二）网络结构

　　图2 污水处理系统网络结构

　　（三）软件组态

　　1．人机界面

　　显示数据总貌、各检测点历史曲线、各工序工艺流程图以及现场各个阀门状态等画面，并设置了不同的权限以保证系统的安全性。

　　2．报表

　　于8:30、16:30、0:30时出班报，形式为：显示当前班温度、流量的整点数据，流量累计，阀门开、关时刻记录，设备运行状态；每月出月报，形式为：以每天为记录单位，显示流量的日均值（每日各正点记录之和/24），月累计值，温度的日均值（每日各正点记录之和/24），同时能输入其它数据进行编辑。

　　3．SBR反应池阀门控制：如图3所示。

　　图3 阀门控制算法流程图

　　4．SBR反应池阀门状态报警：

　　如果曝气池中的阀门出现故障而未及时发现，就会使污水在无充分降解的情况下排入下一道工序，无法达到污水净化的国家排放标准，造成较大损失，所以借助于智能阀门的反馈信号设计出阀门报警程序，以便发生故障后及时处理，减少损失。

　　报警定义为：阀门开启/关闭动作后，12秒内无反馈信号便视为阀门故障，用声光报警方式提醒维护人员前去排除故障恢复生产。

　　在浙大中控JX300X系统投入使用以来，其稳定性以及人机界面的友好和丰富的控制功能均比原来的控制系统提高很多，得到了工艺人员和自控维护人员的好评，为实现污水处理系统的稳定运行和周边环境的改善提供了保障。但在这期间也发现了某些问题，以期在资金以及后期维护手段跟上的时候进行对此进一步的完善。其一，在线分析仪器使用较少。只有在SBR反应池有溶氧在线监控，絮凝沉淀池中酸碱度是离线分析，时滞性较大，因而只是将其作为参考数据无法实现自控。

　　如实现在线分析，则可由控制石灰泵的开启关闭来实现池中酸碱度的控制。此外，在条件允许的情况下，可在SBR反应池中设置污泥浓度计，以便能够使工艺人员更直观的了解池中好氧菌的生长情况，同时也为回流污泥量的确定提供了依据；其二，SBR反应池中的滗水器控制器为单机控制模式，只能按照预先设定的单一工作模式运行，如果在它和DCS的主控单元之间建立基于现场总线的数据联系，实现数据交换，便可实现滗水器按照不同现场环境和工艺要求，更加灵活的运行；其三，由于SBR反应池中的溶氧的需求量和污泥中好氧菌的生命周期有关，在处理初期耗氧较大，随后逐渐减小的这一情况，为溶氧控制寻求一合适的控制算法以及将恒频风机更换为可以变频的不仅仅能够更好的完成污水处理的任务，更可以降低能源消耗，缩短处理周期，实现优化控制。