水处理自动控制系统集成.docx
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水处理自动控制系统集成
大涌水厂计算机控制管理系统北泵房子站监控软件编制
一 概况
涌水厂是深圳市经济特区西部最大的净水厂，始建于85年，于87年10月投产，其供水量为12万吨／日。
91年11月，作为“东深三期供水配套工程”的一个子项，大涌水厂扩建工程动工，并于94年7月竣工投产，供水规模增至35万吨／日。
新厂扩建同期，确定了“大涌水厂计算机控制管理系统”项目由深圳市自来水（集团）有限公司负责设计、施工，并于95年10月通过了建设部的鉴定。
1997年9月实现全厂车间无人值守的集中监控方式，同年该项目获深圳市“科技进步奖”二等奖。
北泵房是大涌水厂扩建工程（新厂）的送水车间，为“大涌水厂计算机控制管理系统”中的一个子站，最大供水量达23万吨／日。
主要设备有：
5台单级双吸离心式28SA—10A型送水泵，其中：
1#一4#送水泵为调速泵，配用YR630—8／1180型电机，另外还配KJF03—600／410—AF型晶闸管串级调速装置和ZCF—22型测速电机，5#送水泵为定速泵，配用Y630—8/l180型电机。
每台送水泵配一台出水电动阀、一个吊水电磁阀；五台送水泵合用两台YTll2M—4型冷却风机；2台立式潜水泵（排水用）；2台真空泵（送水泵真空吊水用）。
此外，设备还有28面高压开关柜、9面低压配电柜、2台315kVA变压器、1套GZKC220十20／220型直流屏装置，3台电磁流量计、1台PH计、1台余氯分析仪、6台压力式水位计、2台压力计等。
二原工艺特征
离心式送水泵在清水池水位有效水深2.3米以上时，为自灌式；2．3米以下需进行真空吊水。
水泵开停台数，根据配水管网对服务压力和流量的要求，由厂调度确定并电话通知本车间；排水泵根据集水坑水位、真空泵根据真空吊水要求由本车间操作人员自行确定开停泵。
所有开停泵操作均为机侧手动单机操作。
在电气回路中，仅有风机和水泵设有联锁。
高、低压开关柜倒闸均为人工操作，电量和仪表读数需值班人员定时抄表记录。
三现本站实现监控功能
本站具有独立计控系统配置，运行本站监控软件。
通过设备就地操作箱转换开关可选择设备工作方式（计控或手动）；通过键盘可控制设备动作、修改控制参数、选择不同计控方式（自动、联控或单步）;通过显示器可监视设备实时工况、运行参数和故障报警。
如其他子站一样，通过通信网络厂站可以对本站进行监测和控制，在厂站显示器上可显示本站全部监控画面和重要报警信息。
本站定时（每30分钟）向厂站报送一批历史数据，提供给MIS系统使用。
1、控制功能
在计控工作方式下，设备控制又分自动、联控和单步三种方式，它们是向下兼容。
目前，送水泵因条件未成熟，尚缺自动方式，只有联动和单步二种控制方式，其他泵均具有三种控制方式。
具有自动控制方式的泵，在转换开关处于计控位置时，便立即进入自动控制状态。
如排水泵根据集水坑水位、真空泵根据真空吊水要求自动进行开停控制。
送水泵开停控制则需从键盘进行激活。
另外，对两路高压进线可通过键盘进行倒闸控制操作。
2、监测功能
不论设备处于哪种工作方式下，即使在手动方式下，系统具有对设备的状态和参数实时监测功能。
监测信号的设置是根据设备控制流程需要、保护设备安全需要、生产管理需要和提供设备故障查询而选定的。
在本站中，监测信号包含有：
（1）开关量信号
设备状态——如：
泵开／停状态，开关柜台／分闸；
控制条件——如：
二次回路电源，计控／手动位置；
到位情况——如：
阀全关到位，泵顶满水；
故障报警——如：
高压过线短地，变压器瓦斯报警。
（2）模拟量信号
设备参数——如：
泵电流，泵有功;
生产参数——如：
出厂水压力，出厂水流量;
控制参数——如：
真空度，清水池水位；
配电参数——如：
进线电压，进线电流；
用电计量——如：
提升泵房有功，家属楼有功。
3、通信功能
作为一个节点机，本站通过以太网同厂站实现通信，通信采用422—485串行通信方式，波特率为9.6K，站内数据刷新时间为1秒。
本站368个I／O信号（近800根导线）在完成接线后，经检验全部连接正确。
187个开关信号的逻辑正确，与现场设备状态完全相符。
98个模拟量信号，用标准信号检测，
其精度优于0．1％。
电脑显示读数与数字式二次仪表读数比较，误差优于0．5％；与指针式二次仪表读数比较，误差优于1％。
四 监控软件编制
1．开发环境
北泵房监控软件是在SCADA应用开发环境SADE上开发的，SADE提供类似于逻辑控制图的图形语言作为监控应用软件的开发工具。
“功能块”是SADE的最小构成模块，提供了包括信号采集、控制逻辑、数值运算、计时、报警、历史记录等功能块。
块中含有反映其执行特性的参数定义。
根据应用要求，实现块与块之间的“连接”（某块的输出点连接下一块的输入点），其执行顺序从上游块到下游块，多个执行某些特定应用功能的”功能块”可组合构成独立运行于一个站的基本单位——“进程”。
为了充分发挥SADE支持“集散型”监控结构模式的特点，全厂所有执行监控功能的进程集成为一个软件包（13—3AUTO）在厂站监控机上定义，同时又分散地将进程分派到有关车间站的计算机上实际执行，以实现功能的分布处理与集中监控。
2．本站的进程设置
北泵房监控软件由四个进程组成，它们是：
6SSB1—2，6SSB3—4，6ZPl2SS5，6GDYPD。
进程6SSB1—2主要执行对1—2号送水泵的定速及串级调速运行监控及故障报警；
进程6SSB3——4主要执行对3——4号送水泵的定速及串级调速运行监控及故障报警。
进程6ZP12SS5主要执行对1—2号真空泵、排水泵、及5号送水泵的监控及故障处理。
进程6GDYPD主要执行对两段高压进线倒闸的监控和部分高压配电信号的采集和监测。
及超限报警。
对低压配电和部分现场数据的采集、监测及累加。
2．1送水泵监控软件编制
每台送水泵设有48个信号，其中：
数字输入量28个：
泵机组就地电源指示
泵出水阀打开应答指示
泵出水阀关闭应答指示
泵出水阀全开到位指示
泵出水阀全关到位指示
泵出水阀过力矩指示
开机继电器（1KT）吸合指示
停机继电器（ZKT）吸合指示
控制台转换开关处于计控状态
串调柜触发回路电源指示
泵电机启动运行指示
串调相冷却风机启动运行指示
串调装置处于故障状态指示
串调柜交流接触器（1JLC）吸合指示
串调柜交流接触器（1JLCa）吸合指示
串调柜交流接触器（2JLC）吸合指示
串调柜交流接触器（3JLC）吸合指示
串调柜交流接触器（4JLC）吸合指示
泵顶吊水到位指示
泵电机运行高温报警
电机高压柜高压合闸信号指示
电机高压柜电流速断信号指示
电机高压相过负荷信号指示
电机高压相阀门拒动信号指示
电机高压相通风机故障信号指示
逆变高压柜高压合闸信号指示
逆变高压柜电流速断信号指示
逆变高压柜过负荷信号指示
数字输出量10个：
开／关泵项吊水电磁阀
开泵出水阀
关泵出水阀
紧急停泵电机
逆变合闸控制
逆变分闸控制
全速投入控制
调速投入控制
开送水泵机组
停送水泵机组
模拟输入量9个：
泵电机高压侧电流
逆变高压侧电流
泵电机有功功率
泵电机无功功率
逆变有功功率
逆变无功功率
串调装置逆变低压侧直流电压
串调装置逆变低压侧直流电流
串调装置电机调速运行转速
模拟输出量1个：
串调装置调速给定
送水泵监控软件逻辑框图见图
（1）。
2．2排水泵监控软件编制
每台排水泵设有8个信号，其中：
数字输入量6个：
泵电机电源指示
泵电机运行指示
泵计控指示
集水坑高水位
集水坑中水位
集水坑低水位
数字输出量1个：
开／停泵电机
模拟输人量1个：
泵电机电流
排水泵监控软件逻辑框图见图
（2）。
2.3真空泵监控软件编制
每台真空泵设有7个信号，其中：
数字输入量3个：
泵电机电源指示
泵电机运行指示
泵计控指示
数字输出量2个：
开／停泵电机
开／关泵灌水电磁阀
模拟输入量2个：
泵电机电流
真空罐真空度
真空泵监控软件逻辑框图见图（3）。
3．监控显示画面
在SADE环境中，经组态定义的监控显示画面，是人一机交互的界面。
它们通过各自画面上的图符、值域等与监控进程中功能快的输入一输出点的连接，向值班人员直观展现了应用软件的监测、控制、通信和故障报警处理功能。
本站组态定义了监控显示画面22幅，定义中，注意了图符、色彩的合理使用、动画效果的点缀与主体词汉化等，增加了人机界面的友好性。
本站在操作画面上设计了中文主菜单选择画面，通过该中文画面可直接进入各操作画面，操作起来直接、明了。
4．故障报警及处理
北泵房站监控软件在应用开发根据采集的数据及监控过程可能产生的故障安排了42种报警，报警监视点多达106个。
报警对象主要分为：
1）重大设备的运行故障：
如送水泵电机运行电流超限；调速过程故障报警；各高压线段电流、电压超限及出厂水指标超限等。
2）一般设备的运行故障：
如真空泵、排水泵运行电流超限及各低压线段电流超限等。
按故障紧急程度与影响面等因素，将上述对象分成两类。
一类为“一般报警”（级别在80以下），如2）；一类为“紧急报警”（级别在80以上，含80），如1）。
“一般报警”的手段有：
画面上相应图符的闪烁或变色；画面右下方出现报警信息行并伴有鸣响。
后者是SADE内部机制产生的英文信息行，不太直观，但由于信息行中8位代号可由我们介入编制，使之具有一定的规律性，值班人员对照“清单”中相应的含义，经过一段时间实践，可以逐步熟悉。
实现车间无人值守时，这两种手段同样可在厂站监控机上实现。
“紧急报警”除了具有上述两种手段外，再加上向厂站专门的中文报警机发送报警信息，伴有灯光闪烁和较强的鸣响，以获得厂调度员的快速响应。
对于监控中发生的报警处理方式大致分为两类：
一是应用软件自身能做出处理的，如送水泵电机运行电流超限时的自动停泵电机保护；集水坑水位达高水位时启动两台排水泵等；二是，目前还只能通过报警提示，由人工介入进行键控操作（例如：
出水压力超高报警，则由调度根据生产情况决定是否要停送水泵）。
5．功能测试
完成全部软件设计后，对所有被控设备的控制功能进行了准确性与可靠性测试，最后全部设备的控制功能测试通过。
6．与MIS分系统的信息交接
本站的监控应用软件，在运行期间采集了大量的模拟量和开关量数据，按应用要求的记录频率，加上记录时的日期、时间，数据代号，数据值等，形成一笔笔信息记录，记载在本站的界面文件上（共有三个模拟量界面文件和一个事件／报警界面文件），由MIS分系统中的“信息交接软件”扫描存入其相应的数据库，以支持MIS分系统中各类统计、处理、相关性分析等应用功能，提高全厂的生产管理水平。
本站提供的模拟量信息主要有：
备送水泵有功功率瞬时值及每半小时累计量；各高、低压线段有功功率瞬时值及每半小时累计量；出水流量瞬时值及每半小时累加量；各高、低压线段电流、电压：
各送水泵、电流、清水池水位及出厂水压力等。
同时，报警一旦发生，相应的信息记录也记载在事件／报警界面文件中，提交给MIS分系统，以支持其相应的应用功能。
SBR工艺的自动化控制
SBR法是序批式活性污泥法［SequencingBatchReactor］的简称。
该工艺在1914年就面世了，但是由于该工艺的操作过程比较繁琐，与其它工艺相比较SBR所需控制的参变量较多，对仪表的精度和可靠性有较高的要求，而当时的自动化控制水平很低，也不可能有精度和可靠性都较高的仪表，限制了SBR工艺的发展和推广。
随着科学技术的迅猛发展，特别是自动化水平的提高，对污水处理过程进行全自动化的管理和监控成为可能，所以SBR法近年来得到迅速的推广。
在国内，SBR工艺的应用还不多见，其工艺过程和原理并不十分复杂，但对过程控制的各种参数要求很高，对仪表的稳定性和准确性有一定的要求。
天津经济技术开发区污水处理厂采用SBR工艺中的DAT-IAT法，日处理污水十万吨，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺，整个污水厂实行集中控制，分散管理的方式。
它把管理层和控制层分开，降低误操作对整个工艺的影响，增加了系统运行的可靠性。
开发区污水处理厂在控制方面实行三级管理。
第一级为互为热备的两台主机，确实保证整个控制过程的连续性和安全性。
两台主机的基本任务是对整个工艺过程进行实时监控，显示设备的运行状态，修改部分工艺参数，对报警和各种报表的自动记录和打印，关健数据的历史记录的保存，各种参数的瞬时和历史曲线的显示，第二级为现场控制站，它是由水区、泥区、模拟屏三个PLC构成，分别对水区、泥区的信号进行采集和控制。
第三级为就地控制级，是分布全厂的四个马达控制中心。
污水流入厂内的第一道工序是粗格栅，对粗格棚的控制有两种方式，一种为时间控制，另一种为液位控制，通过粗格栅前后的超声波液位计计算差值，运行方式的选择在上位机进行。
与粗格栅相配合动作的还有螺旋压榨机，把粗格栅清除的污物压挤打包，与粗格栅同步起动，但停止时间滞后于粗格栅半分钟。
污水经由格栅进入进水泵房，进水泵房有六台潜水泵，由于开发区污水厂地处工业区，水量的供应极不平衡，变化系数比较大，这就需根据进水泵房超声波液位计反馈的水位信号来起动进水泵的台数，按照先开先停，后开后停，优先起动累计运行时间最短的原则来控制进水泵的起停，并设有液位超高报警和泵的干运转保护。
为了避免进水泵的频繁起停，每台泵起停前均有两分钟的延时，以消除瞬间干扰，并且单台每小时起动次数不得高于五次，每台泵都有温度和湿度的保护，信号直接传给PLC。
污水经提升后进入细格栅，对于细格棚的控制与粗格栅完全相同，这里不再赘述。
污水经由细格栅进入对称的两座钟式沉砂池，每座钟式沉砂池内置一带变频装置的搅拌器，通过调节变频器，改变搅拌的速度，以达到工艺要求的最佳点。
钟式沉砂地采用旋流方式清除大的无机颗粒，由安装在沉砂池底部的砂泵打出。
上面的污水则由巴式计量槽进入配水井，在计量槽上安装有PH计、温度计、流量计，当测得的PH值低于5.5或高于8.5时，立刻关闭进水阀门，以保护反应池中的活性污泥。
在配水井前有六个淹没式配水堰，控制进入各组反应地的水量。
我厂共有六组SBR反应地，每组又分为两段，即DAT池和IAT池，如下图所示：
在DAT和IAT的地底设置微孔曝气器，DAT池内装有溶解氧仪、污泥浓度计，IAT池有溶解氧仪、污泥回流泵、剩余污泥泵，在DAT和IAT池上的空气支管分别装有空气调节阀。
其工艺控制过程如下：
DAT和IAT的曝气由空气调节阀控制，而空气调节阀的开起度与溶解氧仪反馈的信号有关，溶解氧的设定根据水质、水的温度等情况在上位机设置。
当DAT污泥浓度低于设定值时，回流污泥泵起动，把活性污泥从IAT打到DAT池，当高于设定值时，剩余污泥泵起动，把活性污泥从IAT打到储泥地中。
回流污泥泵、剩余污泥泵均在IAT曝气时起动，对它们的控制分为时间控制和仪表控制两种，仪表一但有问题就改成时间控制。
滗水过程是由气锁虹吸式滗水器完成的，由安装在滗水器排气管上的电磁阀来控制排水和结束。
DAT为连续爆气过程，IAT有三个周期，即曝气、沉淀、滗水各一个小时，由于受到进水的不规律性和出水泵能力的限制，影响反应周期的正常运行，这些问题在PLC编程中得到充分的考虑。
正常情况下，六组池子日处理污水十万吨，为了避免六组池子同时滗水，把它们分成三组，间隔为一小时，即1-4、2-5、3-6相互间隔一个周期，对应每一组反应池，都设有一个软开关，控制该组反应地是否投入运行，用以根据水量确定投入的池子数和利于以后对池子的检修方便。
以上的设置在上位机完成。
同时我们还考虑到对一些特殊情况的处置，假如进水水量过小或断流，虽到了滗水周期，但由于反应池水位低而无法进行滗水，则这组池子的滗水自动延时二十分钟，同时在上位机上作出滗水延时的报警。
若延时二十分钟后仍没到滗水水位，滗水周期取消，改为继续沉淀，等待下一个周期的到来。
若到了滗水水位，则执行滗水程序，延长的时间计算在下面的曝气时间内，即缩短了下一个周期的曝气时间，使以后的周期能够正常进行。
这样就会出现另外一个问题，随着污水的不断流入或许没到下一个滗水周期，但对于这组池子而言已到了滗水水位，则部分污水由溢流管排出。
在任一时刻，只允许两个池子滗水。
以上的控制由水区PLC完成。
通过以上的控制确保生产的连续运营，同时增强了自控对一些特殊情况的应变能力。
出水泵的控制与进水泵的相同。
在出水之前还有最后一道工序——加氯消毒，一般仅在夏季，由于细菌、病菌的增多，需对处理完的污水进一步消毒，加氯是由加氯机自动完成，其本身自成一套系统，只对外传送状态信号，并有漏氯报警和漏氯吸收装置。
鼓风机是污水厂的心脏，我厂共有四台丹麦HV-TURBO产的KA22S—GL225型鼓风机，单机的能力为18000立方米/小时。
每台单机都有一小型PLC，对单机的运行环境、运行状况和准备工作进行监控，并能自动报警停机。
此外还有一主控盘，负责四台联机时的控制。
主控盘的作用可以分为两部份，一是负责设置鼓风机的起停顺序，另一部份为PI调解器，可以在其上设置所要求的空气管道压力值。
每台风机的操作可分为手动和联动，手动时，可手动调整出口导叶的角度；当四台联机时，由主控盘依据先前设定好的次序起动鼓风机，根据需要起动鼓风机的台数。
通过在鼓风机主控盘上的PI调节器，对设定压力值和空气主管上的压力计反馈信号进行比较，调节出口导叶片的角度，以确保压力的均衡。
当压力不足需再起动鼓风机时，在起动过程中，先将前一台的开起度降低，同时起动后一台，待后一台完全起动后，出口导叶片的开起度自动打到零位，根据需要增加前一台的开起度，假若打到全开还不够，则再增加后一台的开起度，以防止压力波动太大。
鼓风机自成一套系统，无须人为干涉，并对外传送鼓风机的状态信号和报警信号。
对于泥处理其自动控制相对于水的就简单多了。
剩余污泥泵把活性污泥从IAT打到储泥地，储泥地内有大孔振动曝气器，防止活性污泥的厌氧。
储泥地有起落式滗水器，当活性污泥达到要求液位，停止曝气开始沉淀，一小时后，起落式滗水器根据污泥界面计的值下潜，滗掉储泥地的上清液，滗水完毕拉起滗水器。
由潜水污泥泵打入脱水机房，在脱水机房污泥与高分子絮凝剂混合进人脱水机。
机房内共有三台德国ROEDIGER公司产的脱水机，经过旋转预脱水和带式滤布传送，圆辊的挤压，把泥浆压挤成泥饼运出厂区。
整个泥区由泥区PLC控制，剩下的都由水区PLC完成。
泥区共有模拟量四点，数字量二百多点，水区共有模拟量近八十点，数字量五百多点。
水区的为SIMATIC的S7-400，泥区和模拟屏的为S7-30O。
模拟屏PLC只是接收水区、泥区的信号，并输出给模拟屏。
PLC具有很强的抗干扰能力和很高的稳定性，水区、泥区在上位机或总线出现故障时，仍能完成各自的任务，确保工厂的运行。
各现场控制站和中控室的上位机用通讯缆连在一起，构成总线型的拓扑结构，采用SIMATIC的SINECL2组网方式。
上位机通过SINECCP5412通讯处理器与总线相连，它是上位机与L2通讯的接口。
上位机采用美国Intllution的FIX32数据监控和采集软件，一台为运行版，一台为开发版。
Intllution公司是世界知名的工业控制方面的专业软件公司，其设计理念十分贴近工业自控的实际。
FIX是以WINDOWNT为操作平台，其以DRAW、VIEW、DATABASE三个部分为核心，用DRAW设计工厂的工艺流程和所需控制的设备仪表等人机界面，它有丰富的图集以共使用；用VIEW完成数据连接，显示工艺流程、仪表数据和设备的实时状态，各种数据的存取以DATABASE为中心。
其中对于整个工艺而言部分经常需改动的参数直接可在上位进行修改。
围绕上述功能块，对报警进行打印和储存，通过DDESERVER，使用EXCEL对重要的数据进行记录和生成日报表，并打印所需报表。
通过对全过程的监控，实现了整个工厂的全自动化运行，大大提高了生产的稳定性和连续性，减少了由于人为的因素而带来的干扰，大大地减轻了劳动强度。
随着计算机和网络的飞速发展，自动控制的技术也正在迅猛发展。
在我们所引进的自控仪表中，有部分额外附带具有HART协议的智能化仪表，HART［HighwayAddressableRemoteTransducer］协议最初由美国Rosemount公司开发，HART协议采用FSK技术，它在模拟信号上叠加数字信号，使用OSI的1、2、7三层。
如今除了HART之外，还有PROFIBUS、CAN、FF等几种应用范围较广的影响较大的现场总线技术。
这些智能仪表都带有微处理芯片，这就使它们有了一定的计算能力，同时还具有通讯能力，它们不再依靠控制室的计算机或PLC的控制，不仅能输出4-20mA的模拟信号，还能输出数字信号，这就能使之直接连入网络，成为一个节点。
这种网络就是目前自动控制领域现在和未来的发展趋势——现场总线。
现场总线控制系统是把各种控制仪表用双绞线连在一起，按照标准化、公开化的通讯协议，形成的一个底层的控制网络。
它是继DCS系统后的新一代控制系统，打破了集散系统专用的闭锁的框子，在标准化、公开化的通讯协议下，把不同厂家的不同设备连在一起。
极大的提高了系统的分散度，简化了系统的结构，提高了系统的安全性，最大限度的降低故障的影响范围。
随着社会的发展，几种应用范围较广影响较大的现场总线技术必将会有一个统一的规范和标准，从而真正形成一个高度开放的互连系统。
随着科学技术的发展和社会对环保的重视，必将有更多的新技术广泛地应用到污水处理行业，使污水处理行业有更大的发展。
莲花味精集团污水处理厂SBR自控系统
河南莲花味精集团污水处理厂采用厌氧加好氧处理工艺，其中好氧部分采用SBR法处理。
SBR是处理高浓度有机废水的理想途径之一，该法克服了常规好氧法处理高浓度有机废水能耗高、稀释水量大、占地面积大等缺陷，可实现高浓度进水、高容积负荷、高去除率，具有污泥性能好、耐冲击负荷、出水水质好、污泥产率小、氧利用率高、运行费用低、减少占地等优点。
该厂采用8个SBR池，处理污水量为7450t/d，尺寸为L×B×H＝25m×21m×5m。
以12h为一个运行周期，其中进水、搅拌1h，曝气8.5h，沉淀1h，排水1h，待机（闲置）0.5h。
8个池子按依次滞后1.5h的时间间隔顺序进行
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