覃 麗，史勝波，張 帆

QIN Li1, SHI Sheng-bo1, ZHANG Fan2

（1.新疆克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠，克拉瑪依 834000；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠位于克拉瑪依城鎮(zhèn)體系的中部區(qū)域，金龍鎮(zhèn)和三坪鎮(zhèn)之間的交屆處，主要負(fù)責(zé)處理石化工業(yè)園區(qū)工業(yè)企業(yè)排放的工業(yè)廢水和白堿灘區(qū)排放的生活污水，采用曝氣生物濾池工藝作為污水廠主體工藝，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。為了保證石化工業(yè)園污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)提高運(yùn)行過(guò)程中的安全性、可靠性和自動(dòng)化水平，控制系統(tǒng)采用了集散型控制系統(tǒng)，按照“集中監(jiān)控，分散控制”的原則，將全廠控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)就地站級(jí)（設(shè)備網(wǎng)）、現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站級(jí)（控制網(wǎng)）和中央調(diào)度管理級(jí)（管理網(wǎng)）的三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)。其中，現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站與變電所控制室及綜合樓控制室計(jì)算機(jī)之間的通訊采用高速工業(yè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通訊速率為10MB/S。通訊網(wǎng)絡(luò)采用開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)及目前國(guó)際上主流的TCP/IP通訊協(xié)議，可以非常方便地與其他標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)相兼容。

各控制站劃分如下：

1）綜合樓中心控制室配置管理、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、模擬屏和DLP大屏幕。

2）2號(hào)變電所控制室配置管理、監(jiān)控計(jì)算機(jī)

3）1號(hào)變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC1,紫外線消毒間設(shè)置PLC分站PLC1-1，加氯間設(shè)置PLC分站PLC1-2，污泥脫水間設(shè)置PLC分站PLC1-3（現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站配有操作員面板。）

4）2號(hào)變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC2，砂渣處理間設(shè)置PLC分站PLC2-1

5）3號(hào)變電所低壓配電室設(shè)置PLC主站PLC3，預(yù)處理間設(shè)置PLC分站PLC3-1，加藥間設(shè)置PLC分站PLC3-2

在上述控制站中，各PLC分站和PLC主站組成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通訊速率為100MB/S。三個(gè)PLC主站 PLC1、PLC2、PLC3構(gòu)成同級(jí)控制站通過(guò)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與2號(hào)變電所控制室及綜合樓中心控制室計(jì)算機(jī)之間通訊，通訊速率為1000MB/S。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠控制自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：中央監(jiān)控工作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、控制網(wǎng)絡(luò)。下面對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1.1 中央監(jiān)控工作站

綜合樓中控室及2號(hào)變電所SCADA系統(tǒng)包括監(jiān)控所需的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)多任務(wù)彩色監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)接口將打印機(jī)、不間斷電源、顯示大屏幕聯(lián)系在一起并配置實(shí)時(shí)多任務(wù)彩色圖形系統(tǒng)監(jiān)控軟件，主要用于集中監(jiān)視、控制、操作、管理污水處理的全部生產(chǎn)過(guò)程。根據(jù)工藝需要，中控室設(shè)置工程師站與操作員站。其中，操作員站配有三臺(tái)顯示器以確保不同區(qū)域的工藝流程在三臺(tái)顯示器上隨意切換顯示，從而能夠有效監(jiān)控整個(gè)廠區(qū)的工藝處理過(guò)程。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制站

現(xiàn)場(chǎng)控制站主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和為中央控制室數(shù)據(jù)采集，其中同級(jí)別PLC主站組成控制網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)工藝要求，每個(gè)PLC站主要用于：

1）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制、

2）和其它工藝設(shè)備PLC站進(jìn)行通訊

3）作為中央工作站的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，接收中央工作站命令并將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信號(hào)反傳給中央工作站。

在本系統(tǒng)中，PLC站配備如下設(shè)備以滿足工藝要求：

1）PLC站配有帶有CPU、I/O模塊的PLC和相應(yīng)的操作員終端，用于在現(xiàn)場(chǎng)觀察到重要的工況信息和有關(guān)參數(shù)，并能對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置和控制。

2）PLC站配有DP通訊模塊，用于和工藝設(shè)備PLC站進(jìn)行通訊以及數(shù)據(jù)交換。

3）各PLC站通過(guò)以太網(wǎng)通訊模塊、交換機(jī)和中央工作站進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，從而達(dá)到通過(guò)中央工作站對(duì)各站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制的目的。

1.3 控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線，用于連接中央控制室內(nèi)的各種設(shè)備（包括工程師站和操作員站）和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站?，F(xiàn)場(chǎng)總線用于連接各現(xiàn)場(chǎng)控制站中央處理器與各個(gè)遠(yuǎn)程I/O單元和模塊以及遠(yuǎn)程執(zhí)行器等?？死斠朗I(yè)園污水處理廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用以電纜為傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備容量≥128臺(tái)，通訊波特率≥5MB，通訊距離≥2.0KM。在出現(xiàn)故障時(shí)，增加或刪除任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都不會(huì)影響到其他設(shè)備的運(yùn)行和通訊。在2.0 KM的通訊距離之間無(wú)須增加任何中繼設(shè)備。

1.4 軟件系統(tǒng)

克拉瑪依石化工業(yè)園污水處理廠采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)用軟件包括廠級(jí)用戶監(jiān)控軟件、現(xiàn)場(chǎng)分散控制應(yīng)用軟件和工程控制軟件。每個(gè)控制站具有獨(dú)立完成本地控制任務(wù)，同時(shí)還應(yīng)具有與其他控制站通訊的網(wǎng)絡(luò)能力，各控制站之間不會(huì)出現(xiàn)相互干擾。

2 控制系統(tǒng)典型自控運(yùn)行方案描述

在本自動(dòng)控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝設(shè)備以及工藝需求建有多個(gè)自控運(yùn)行方案。這里重點(diǎn)介紹2個(gè)典型自控運(yùn)行方案。

2.1 泵控運(yùn)行方案

在克拉瑪依污水項(xiàng)目中，泵控運(yùn)行方案主要運(yùn)用在進(jìn)水泵系統(tǒng)、應(yīng)急泵系統(tǒng)、回流泵系統(tǒng)、排水泵系統(tǒng)中。泵控運(yùn)行方案是通過(guò)對(duì)泵組進(jìn)行起?？刂疲ㄈ缈刂圃O(shè)備為變頻泵需根據(jù)液位對(duì)泵的頻率進(jìn)行調(diào)整）以實(shí)現(xiàn)池中液位恒定，從而最終實(shí)現(xiàn)泵控系統(tǒng)穩(wěn)定自動(dòng)運(yùn)行。

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自控運(yùn)行方案，需完成以下功能：

1）通過(guò)分段液位控制方式實(shí)現(xiàn)泵組自動(dòng)啟停。

假設(shè)泵控系統(tǒng)有2臺(tái)泵，需設(shè)置4個(gè)分段液位參數(shù)。（按液位從低到高排列順序?yàn)椋?切0，0切1，2切1，1切2。注：1切0代表實(shí)際液位如果低于此設(shè)定液位值，運(yùn)行泵數(shù)由1臺(tái)變成0臺(tái)；0切1代表實(shí)際液位如果高于此設(shè)定液位值，運(yùn)行泵數(shù)由0臺(tái)運(yùn)行泵變成1臺(tái)；2切1代表實(shí)際液位如果低于此設(shè)定液位值，運(yùn)行泵數(shù)由2臺(tái)減少為1臺(tái)；1切2代表實(shí)際液位如果高于此設(shè)定液位值，運(yùn)行泵數(shù)由0臺(tái)運(yùn)行泵變成1臺(tái)）。這樣通過(guò)實(shí)際液位值所處的液位段和設(shè)定值比較，判斷理論所啟動(dòng)的泵數(shù)。通過(guò)理論泵數(shù)和實(shí)際泵數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)泵進(jìn)行啟、止控制。當(dāng)理論泵數(shù)>實(shí)際泵數(shù)時(shí)，增加運(yùn)行泵數(shù)直到理論泵數(shù)增到和實(shí)際泵數(shù)相同；當(dāng)理論泵數(shù)＜實(shí)際泵數(shù)時(shí)，減少運(yùn)行泵數(shù)直到理論泵數(shù)減到和實(shí)際泵數(shù)相同。

2）在起停泵組時(shí)需遵守均衡原則。

在克拉瑪依污水控制系統(tǒng)中泵組采用備用原則，且絕大多數(shù)情況下不會(huì)出現(xiàn)滿載情況，所以在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需遵照啟、停泵的原則，以保證泵的相對(duì)均衡運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)理論泵數(shù)>實(shí)際泵數(shù)時(shí)，需要篩選出“具備自動(dòng)正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短”的泵組，并對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)理論泵數(shù)＜實(shí)際泵數(shù)時(shí)，需要篩選出“具備自動(dòng)正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)”的泵組，并對(duì)其進(jìn)行停止。

3）根據(jù)工藝要求，需對(duì)泵、閥進(jìn)行聯(lián)動(dòng)啟停。

由于克拉瑪依污水項(xiàng)目的泵組是由泵和閥門組成的，所以要啟、停泵組必須對(duì)泵、閥進(jìn)行順序操作。根據(jù)泵的不同類型，實(shí)行不同的順序控制。當(dāng)運(yùn)行泵為潛污泵時(shí)，啟動(dòng)泵組應(yīng)先開(kāi)閥、延時(shí)開(kāi)泵；停止泵組應(yīng)先關(guān)泵、延時(shí)關(guān)閥。當(dāng)運(yùn)行泵為離心泵時(shí)，啟動(dòng)泵組應(yīng)先開(kāi)泵、延時(shí)開(kāi)閥；停止泵組應(yīng)先關(guān)閥、延時(shí)關(guān)泵。

4）系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中單臺(tái)泵組出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能夠完成自動(dòng)切泵功能。

當(dāng)運(yùn)行泵組出現(xiàn)非正常情況時(shí)，立即停止該泵組并啟動(dòng)新泵組。在切泵過(guò)程中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行而不受故障影響。

5）當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)或多個(gè)變頻泵組時(shí)，除完成上述功能外，應(yīng)對(duì)變頻泵進(jìn)行特殊控制。

泵組開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，要先篩選出1臺(tái)“具備正常停止?fàn)顟B(tài)”、“累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短”的變頻泵并對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，變頻泵根據(jù)實(shí)際液位進(jìn)行頻率控制，頻率范圍控制在30～50HZ。當(dāng)變頻泵增至50HZ且液位繼續(xù)增加，系統(tǒng)執(zhí)行增泵程序；反之變頻泵減至30HZ且液位繼續(xù)減少系統(tǒng)執(zhí)行停泵程序。

2.2 一、二級(jí)曝氣濾池和反硝化生物濾池自動(dòng)運(yùn)行方案

在污水廠控制系統(tǒng)中，曝氣生化系統(tǒng)為污水處理的核心工藝。和常規(guī)的A2O曝氣生化工藝不同，克拉瑪依污水廠采用三合一曝氣生物濾池對(duì)污水進(jìn)行深度生化處理。三合一曝氣生物濾池分為30個(gè)濾池（包括10個(gè)一級(jí)曝氣濾池、10個(gè)一級(jí)曝氣濾池、10個(gè)反硝化濾池）

首先，反應(yīng)沉淀池出水進(jìn)入一級(jí)曝氣生物濾池進(jìn)行有機(jī)的降解和硝化處理。在該級(jí)濾池中污水中的有機(jī)污染物成為生長(zhǎng)在濾料上的好氧微生物及硝化菌的新陳代謝的營(yíng)養(yǎng)物，其中有機(jī)污染物在有氧的條件下通過(guò)好氧微生物的代謝作用而得以去除，而污水中得氨氮?jiǎng)t通過(guò)硝化菌得作用轉(zhuǎn)化成硝酸鹽或亞硝酸鹽。在去除有機(jī)物和硝化的過(guò)程中，多孔陶粒濾料內(nèi)腔及微生物膜的內(nèi)層存在著反硝化菌，并對(duì)硝酸鹽進(jìn)行部分硝化。

一級(jí)曝氣生物濾池處理后的污水溢流至二級(jí)曝氣生物濾池進(jìn)行進(jìn)一步消化處理。二級(jí)曝氣生物濾池主要用來(lái)對(duì)污水中的氨氮進(jìn)行硝化-即先將NH3被氧化成NO2，然后再進(jìn)一步氧化成硝酸鹽。在二級(jí)曝氣生物濾池中，起硝化作用的細(xì)菌都以膜的形式附著生長(zhǎng)在濾料的表面上，由于濾料的表面積很大，附著的微生物量也很大，所以硝化效率很高。

二級(jí)曝氣生物濾池處理后的污水最終進(jìn)入反硝化生物濾池進(jìn)行脫氮處理。在反硝化生物濾池中，濾料被分成兩層，下部為反硝化區(qū)，上部為好氧區(qū)。由于硝化菌產(chǎn)生的大部分硝酸鹽在下部反硝化區(qū)中反硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化成氮?dú)?，從水中逸出，最終從系統(tǒng)中去除掉。

經(jīng)上述三級(jí)生物濾池處理后的出水進(jìn)行消毒后即可達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放或再利用。

要實(shí)現(xiàn)三合一曝氣濾池自動(dòng)運(yùn)行方案，需完成以下功能：

1）30個(gè)曝氣濾池獨(dú)立進(jìn)行自動(dòng)過(guò)濾運(yùn)行。

當(dāng)曝氣濾池各設(shè)備處于自動(dòng)正常狀態(tài)，按“自動(dòng)啟動(dòng)鈕”，濾池進(jìn)行自動(dòng)過(guò)濾控制過(guò)程。當(dāng)該濾池進(jìn)入自動(dòng)過(guò)濾時(shí)，進(jìn)、出水閥門全開(kāi)；鼓風(fēng)閥門全開(kāi)、鼓風(fēng)機(jī)根據(jù)容氧量進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。

2）濾池反沖洗過(guò)程必須滿足單獨(dú)運(yùn)行原則

濾池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，需要通過(guò)反沖洗對(duì)濾池進(jìn)行全面清洗。由于濾池反沖洗設(shè)備（包括反沖洗氣沖鼓風(fēng)機(jī)和反沖洗水泵）只有一套，所以在同一時(shí)間里只有1座濾池進(jìn)行反沖洗處理。同時(shí)由于一級(jí)濾池和二級(jí)濾池為成套濾池，所以當(dāng)一級(jí)（二級(jí)）濾池進(jìn)行反沖洗過(guò)程時(shí)，成套對(duì)應(yīng)的二級(jí)（一級(jí)）濾池停止過(guò)濾過(guò)程，直到反沖洗結(jié)束。

3）反沖洗時(shí)必須對(duì)反沖洗申請(qǐng)進(jìn)行優(yōu)先規(guī)劃和協(xié)調(diào)管理

當(dāng)濾池提出反沖洗申請(qǐng)且系統(tǒng)不能同時(shí)對(duì)提出反沖洗要求的濾池進(jìn)行反沖洗操作時(shí)，必須對(duì)反沖洗申請(qǐng)進(jìn)行等級(jí)劃分以及排隊(duì)處理。PLC根據(jù)管理等級(jí)以及優(yōu)先順序進(jìn)行協(xié)調(diào)順序反沖洗。對(duì)于濾池的反沖洗申請(qǐng)可分為：高級(jí)申請(qǐng)（按“沖洗申請(qǐng)鈕”時(shí)或者壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，濾池發(fā)出高級(jí)申請(qǐng)）和低級(jí)申請(qǐng)（當(dāng)濾池運(yùn)行時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，濾池發(fā)出低級(jí)申請(qǐng)）。在同級(jí)申請(qǐng)中，根據(jù)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)間進(jìn)行排隊(duì)。當(dāng)需對(duì)反沖洗申請(qǐng)濾池進(jìn)行篩選時(shí)，先在高級(jí)申請(qǐng)隊(duì)列中進(jìn)行挑選并按申請(qǐng)先后順序逐一進(jìn)行反沖洗操作；高級(jí)申請(qǐng)結(jié)束后再在高級(jí)申請(qǐng)隊(duì)列中進(jìn)行挑選并并按申請(qǐng)先后順序逐一進(jìn)行反沖洗操作

3 自控系統(tǒng)的可靠性與先進(jìn)性

控制系統(tǒng)能在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際的安全標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗腐蝕、適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，能夠承受工業(yè)環(huán)境的嚴(yán)格要求。

控制系統(tǒng)具有自診斷功能，可以在運(yùn)行中診斷出系統(tǒng)的部件是否出現(xiàn)故障，并在監(jiān)控軟件中及時(shí)、準(zhǔn)確地反映出故障狀態(tài)、故障時(shí)間、故障地點(diǎn)以及相關(guān)信息。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，I/O的狀態(tài)返回到系統(tǒng)根據(jù)工藝要求預(yù)設(shè)置的狀態(tài)上。

控制系統(tǒng)具有良好的通訊性能和擴(kuò)展性、兼容性。在關(guān)鍵部件如主機(jī)、電源及通訊網(wǎng)絡(luò)上均可進(jìn)行擴(kuò)展。

4 自控系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)控制站負(fù)責(zé)設(shè)備的自動(dòng)控制及狀態(tài)信號(hào)采集。中央管理工作站負(fù)責(zé)提供設(shè)備的控制方式，能進(jìn)行單獨(dú)設(shè)備或系統(tǒng)的控制。全廠控制中心功能包括：

顯示所有工藝設(shè)備流程圖，實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)及故障信息；所有設(shè)備的啟動(dòng)/手動(dòng)方式選擇；使用/備用泵的順序選擇；手動(dòng)形勢(shì)下的設(shè)備控制；全廠范圍的報(bào)警紀(jì)錄；被選擇設(shè)備的管理控制；過(guò)程變量的實(shí)時(shí)趨勢(shì)；歷史趨勢(shì)；報(bào)表。

診斷功能包括：

模板一般信息顯示，如板號(hào)、版本號(hào)、位置制定、模板狀態(tài)等；模板故障顯示，如I/O通道號(hào)，通訊地址號(hào)，故障信息等；故障緩沖區(qū)信息顯示；CPU失效原因顯示；CPU運(yùn)行周期顯示；CPU負(fù)荷顯示；CPU性能顯示。

5 結(jié)束語(yǔ)

石化工業(yè)園污水處理廠自控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，極大的解決了曝氣生物濾池工藝設(shè)備的復(fù)雜控制，使污水處理運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度。