汙水處理廠控制系統的製作方法

2023-05-10 18:14:56

本實用新型屬於環境領域，特別涉及一種汙水處理廠控制系統。

背景技術：

近些年來我國政府開始關注環境汙染問題，特別是提出可持續發展戰略後，政府在經濟快速發展的同時也注意環境的保護和治理。環境保護己成為我國的基木國策之一。從近幾年環境治理來看，我國的環保理論、工藝研究和應用與國外差距不大，差距比較大的是環保單元設備和自動控制系統。我國汙水處理廠自控系統的現狀是:手動與自動皆備，自製和引進並舉。有些汙水處理所採用的檢測儀表大部分是精確度和可靠性較差的離線儀表，監測手段也是靠取樣後測量，然後根據測量結果去調整設備運行狀態。因此很難進行快速和有效的在線實時控制，往往導致出水水質的不穩定。汙水生化處理過程是典型的非線性、時變、不確定性、大滯後的複雜大系統，其建模與控制對控制界都提出了嚴峻挑戰。本文對汙水處理過程的控制現狀總結如下：1)由於控制簡單，傳統控制方法(常規控制、最優化控制、自適應控制)仍被廣泛應用，但是因為汙水處理過程變量多，過程具有非線性、強耦合等特點，而且各種參數也存在時變性，因此基於精確數學模型的傳統控制方法難以取得理想的控制效果；2)雖然智能控制已成為汙水處理的研究與應用中的前沿與熱點，但國內外仍處於廣泛應用的初級階段。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本實用新型提供了一種汙水處理廠控制系統。

一種汙水處理廠控制系統，其特徵在於，由遠程輸入輸出單元(RI/O)、現場控制站(LCS)、中央監控工作站(CCS)及工廠計算機管理系統(CMS)組成的全廠自控系統；它是用光纖乙太網、光纖工業乙太網為系統網絡，配以高性能、高可靠的PLC控制站，系統由以下幾部分組成：計算機管理系統(MCS)，計算機管理系統由廠長室計算機、總工室計算機、化驗室計算機及投影儀展示計算機組成，四臺計算機用百兆級乙太網連接，配以印表機、UPS不間斷電源、投影儀設備；中央監控工作站(CCS)，設置在總變電站中控室內的中央監控工作站由兩套互為熱備的監控計算機、伺服器、印表機、UPS不間斷電源、乙太網交換機及可攜式編程計算機組成；現場控制站(LCS)，由西門子PLC-400可編程序控制器、分布式I/O單元及相關附屬設備組成；網絡系統，包括標準光纖乙太網、工業光纖乙太網、採用profibus-dp網絡。

本實用新型的有益效果是：本系統是一套完善的管控一體化系統。該控制系統具有高度自動化水平，很好的控制了參數變化。

附圖說明

圖1是本實用新型汙水處理廠汙水處理的流程圖；

圖2A是單個生物池運行的流程圖；

圖2B是單個系列停止的流程圖；

圖2C是生物池系列綜合運行的流程圖。

具體實施方式

為使本實用新型的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細的說明，使本實用新型的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按比例繪製附圖，重點在於示出本實用新型的主旨。

首先對本實用新型的汙水處理流程做介紹，請參閱圖1，汙水處理廠流域內的汙水通過進水管線接入提升泵房的集水井，通過2條裝有8mm粗格柵的格柵間，在此攔截汙水中較大雜質後進入汙水提升泵房，汙水提升後流入曝氣沉砂池去除砂粒，自此向後分為2個系統：一個系統6萬m3/d的汙水經1mm細格柵後，通過生物池，然後進入MBR膜生物反應池，去除COD、BOD5、N、P等汙染物，其中5萬m3/d的出水經UV消毒後，流入MBR清水池，在進入清水池前投加二氧化氯，以保證管網內的餘氯要求。最後通過配水泵房提升送至廠外再生水利用管網向用戶供水。另外1萬m3/d的MBR膜生物反應池出水經UV消毒後，進入RO反滲透系統進行深度處理，然後進入RO清水池，最後通過配水泵房送至廠外高品質水管道供水。另一系統4萬m3/d的汙水經3mm細格柵後，通過流量計計量水量，然後通過厭氧缺氧池，進入曝氣池，去除COD、BOD5、N、P等汙染物，依出水情況投加化學除磷藥劑，最後經沉澱池沉澱分離，出水匯入處理廠退水幹管，採用UV消毒後，經巴式計量槽計量水量，最終排入河道。兩個系統的剩餘汙泥均送至貯泥池，由帶預濃縮功能的脫水機處理後，再進行無害化處置。採用兩套不同的處理系統對汙水分別進行處理，即降低了汙水處理的成本，又可以生成不同品質的處理水，處理後的汙水可以根據品質的不同做不同的用途。

在汙水處理中需要以下部分的自動控制：(1)進水泵自動控制，根據集水池自動控制進水泵的啟動和進水泵啟動的臺數，限制單臺水泵一定時間內的啟動次數，同時累積水泵運行時間，水泵的啟動順序按自動的水泵運行時間從小到大排列，停止時順序與之相反。可實現水泵的自動輪換，保證水泵總是處在最佳運行狀態。當幹運轉保護水位開關動作時，所有水泵停止運行。(2)粗、細格柵自動控制，格柵的運行由格柵前後液位差來自動控制，當運行間隔超過一定時間後，轉為時間控制。系統的啟動順序為：先啟動螺旋輸送器，然後啟動格柵，停止時，先停格柵，待格柵全部排進渣鬥後再停止螺旋輸送器。水位差設定值、格柵的運行時間及運行周期可調。(3)曝氣沉砂池自動控制，根據時間程序控制曝氣沉砂池的除砂機運行以及氣提裝置的運行(由除砂機上的空壓機連續供氣)，砂水分離器與除砂機聯鎖，完成氣提後的砂水分離。曝氣池溶解氧自動控制，曝氣池內設置溶解氧分析儀，各空氣支管上設置的氣體流量計，根據曝氣池內溶解氧設定值自動調節曝氣池進氣調節閥的開度以保持溶解氧在所要求的設定範圍內。(4)汙泥回流量自動控制，根據曝氣池的進水量，自動控制迴路汙泥泵的運轉臺數並通過變頻器控制回流汙泥泵的流量，實現進水量與汙泥回流量的合理配比，保證曝氣池中生物處理的質量穩定。(5)汙泥濃縮脫水系統自動控制，汙泥濃縮脫水機控制包括所必需的順序連鎖和邏輯編程控制，與輔助設備(汙泥切碎機、進泥泵、絮凝劑製備投加系統、泥餅輸送機、清洗水泵等)的聯動控制。可以實現「一步化」操作。(6)MBR膜生物反應池自動控制：生物反應池內設置溶解氧分析儀，曝氣池各空氣支管上設置氣體流量計，根據池內溶解氧設定值自動調節曝氣池進氣閥的開度以保持溶解氧在所要求的設定範圍內。池內同時設置液位計，用以監控池內的液位變動，並與膜系統的抽吸泵聯鎖控制。膜系統根據系統來水流量控制膜系統的產水量。同時膜池液位也與變頻抽水泵進行聯鎖控制，以防止膜池的液位過低使膜表面暴露於空氣中。膜反衝及化學清洗自動控制：根據時間程序自動控制膜元件的反衝洗周期和化學衝洗周期。(7)RO系統自動控制：RO系統根據RO清水池液位以及配水泵的運行情況，控制膜系統的產水量。(8)加氯自動控制：根據來水流量比例控制加氯量，並對出水餘氯進行測定。(9)配水泵自動控制，據配水泵出水管路即中水配水管網的壓力設定值自動調節配水泵的臺數及轉速，以保證中水管網的壓力恆定。(10)電力監控，對整個工程實施電力監控。內裝電力監控程序，顯示電力系統主要電量參數如開關狀態、電流、電壓、功率、電度等，實現監控、管理本工程的電力消耗。(11)電氣設備控制，電機能以自動/就地控制或遠程手動控制的方式運轉。方式選擇應通過在各個電氣設備控制箱/柜上的就地---停止---自動選擇開關選擇。在就地方式下，電氣設備運轉不受自控系統控制；在自動方式下，電氣設備由所屬現場控制站自動控制；在軟手動方式下，電氣設備由操作員在監控站實行軟手動操作。主要控制方式包括，手動模式：通過就地控制箱或MCC上的按鈕實現對設備的啟停操作。軟手動模式：即遠程手動控制方式。操作人員通過操作終端或操作站的監控畫面用滑鼠器或鍵盤來控制現場設備。自動方式：設備的運行完全由各PLC根據汙水處理廠的工況及工藝參數來完成對設備的啟停控制，而不需要人工幹預。三種方式的控制級別由高到低為：手動控制、軟手動控制、自動控制。

由遠程輸入輸出單元(RI/O)、現場控制站(LCS)、中央監控工作站(CCS)及工廠計算機管理系統(CMS)組成的全廠自控系統。它是用光纖乙太網、光纖工業乙太網為系統網絡，配以高性能、高可靠的PLC控制站，並具有伺服器功能的最新一代的控制系統。系統由以下幾部分組成：

計算機管理系統(MCS)，計算機管理系統由廠長室計算機、總工室計算機、化驗室計算機及投影儀展示計算機等組成，四臺計算機用百兆級乙太網連接，配以印表機、UPS不間斷電源、投影儀等設備。主要用於完成對工廠的管理、調度及監視功能。在會議室設置一臺高清晰度大屏幕數碼投影儀。投影儀可放大顯示全廠工藝流程、主要設備運行參數及所需的全部監控計算機採集的數據。為管理人員和培訓人員提供實時、詳盡的生產過程資料。通過乙太網交換機將辦公室的乙太網系統與總變電所中控室的乙太網系統相連，達到數據共享、監視等功能。

中央監控工作站(CCS)，設置在總變電站中控室內的中央監控工作站由兩套互為熱備的監控計算機、伺服器、印表機、UPS不間斷電源、乙太網交換機及可攜式編程計算機等組成。它主要用於完成對工廠的管理、調度、集中操作、監視、系統功能組態、控制參數在線修改和設置、記錄、報表生成及列印、故障報警及列印等功能。通過液晶顯示器可直觀地顯示全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，使操作人員及時掌握全廠運行情況。兩套計算機互為熱備。在中控室還設置有一套DLP投影系統。該系統主要由投影單元、拼接顯示控制器、中央控制系統、硬碟存儲、矩陣切換器和大屏幕應用控制軟體等組成。大屏幕投影系統與中控室監控計算機相連，可將有關信息在大屏幕上顯示。通過矩陣切換器還可將工業電視監視系統的視頻信號接入投影系統在大屏幕上顯示，可同時顯示12路視頻監控畫面。計算機數字及模擬信號可在大屏幕上任意位置以任意大小開窗口顯示，開窗口數量不受限制。

現場控制站(LCS)，由西門子PLC-400可編程序控制器、分布式I/O單元及相關附屬設備組成。根據需要可配置工業級網絡接口模塊、現場總線接口模塊、串行數據通訊(RS-232/485)接口模塊，並在現場控制站中安裝西門子觸控螢幕，以方便在現場完成一些簡單操作。

網絡系統，標準光纖乙太網：負責綜合樓計算機管理系統與總變電室中控室監控工作站間的數據通訊。工業光纖乙太網：負責中控室監控工作站與各現場控制站PLC控制器之間的數據通訊。現場高速數據通訊網：採用profibus-dp網絡，負責PLC控制器主站與從站及PLC與遠程分布式I/O之間的數據通訊。

全廠自控系統可以(1)實時、連續記錄重要參數。對汙水處理過程中重要工藝參數如進水渠道PH值、生物池中溶解氧(DO)濃度、生物池中懸浮固體濃度等進行實時、連續記錄，並且可以進行歷史數據查詢。(2)自動處理報警信號。當現場發生報警時，實時地顯示和響鈴，並且提供顯示和記錄功能；對於重大報警信號(如電動機堵轉、液位超低或超高等)，計算機能自動發出控制指令保證系統安全運行並記錄。(3)自動生成報表。系統中各PLC的運行狀況每隔一小時能實時在報表中顯示，每個班次各個系列運行狀況實時在報表中顯示，並能按要求的格式列印。

下面分別對各自動控制部分做進一步詳細介紹。

(1)生物池自動控制。汙水處理廠共設置有四個系列生物池，在計算機自動控制模式下，工作系列數取決於進水流量，對應關係見下表：

表1需要工作生物池系列數

各個系列的控制描述如下：在計算機自動控制方式下，操作人員確認某系列內所有控制設備手動運行正常且「就地/遠控」轉換開關打至遠控位置時，在計算機上將該系列的「自動/手動」開關轉換至自動，則系列內所有「就緒「設備進入「自動「控制模式。此後各單獨設備可以切換成「手動」模式，切換過程不影響所處系列的當前運行狀態。當系列內所有設備均為「自動」模式時，該系列狀態顯示為「就緒」。控制過程如圖2A、2B、2C所示：

·每隔10分鐘(間隔可調)，根據表1判斷需要運行的系列數；若需要運行的數量大於「就緒」系列數量，則將「就緒」系列全部投入運行並在上位機上產生報警。若需要運行系列數量少於「就緒」系列，則多餘的系列設為「備用」。

·若原水流量信號採集不到，則生物池系列保持原狀態，並在上位機上產生報警。

·為保證各系列的均衡工作時間，「就緒」系列將輪流「運行」及「備用」，輪流時間設為2小時(可調)。

·當需要減少工作系列數量時，自上次「備用」後連續工作時間最長的系列將選擇做為「備用」系列；

·當需要增加工作系列數量時，本次「備用」時間最長的系列將被投入運行。

·若某工作系列內有設備發生故障，將在上位機上產生報警信號，故障設備被自動隔離，其餘設備保持原運行狀態直到連鎖條件變化。操作人員將決定是否終止該系列的運行；

·當故障信號消失後，經操作人員認可(現場手動正常之後採用計算機手動控制方式運行正常)，將設備置為「自動」，重新回到系列中。

(2)潛水攪拌器。計算機自動控制模式下，潛水攪拌器的起停取決於所處生物池系列的液位。對於變化區的潛水攪拌器，其運行前提是變化區被操作人員選擇為「缺氧區」。在操作人員確認現場手動運行設備正常且「就地/遠控」轉換開關打至遠控位置時，在計算機上將所處生物池系列「自動/手動」開關轉換至自動，由PLC內部程序，根據生物池液位情況啟動(>3.0m)/停止(<3.0m)潛水攪拌器。對變化區的攪拌器，其自動控制前提是變化區被操作人員選擇為「缺氧區」，否則保持停止狀態。

在以上的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型。但是以上描述僅是本實用新型的較佳實施例而已，本實用新型能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，因此本實用新型不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領域技術人員在不脫離本實用新型技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本實用新型技術方案保護的範圍內。