管控一體化系統在張貴莊污水廠中的應用

鄧勝琳，王舜和，張泳（天津市市政工程設計研究院，天津 300051）

1 引言

進入21世紀以來，我國污水處理事業進入高速發展階段，污水處理廠成為各個城市最重要的基礎設施之一。隨著自動化、計算機、通訊技術的快速發展，污水廠的自動化水平也相應提高，“大自控，無人值守，集中管理”的理念已經形成。

2 張貴莊污水廠自控系統的建設目標

張貴莊污水處理廠控制系統按照工藝單元分為三部分，包括污水處理系統、污泥處理系統、再生水處理系統，每部分都需要完成獨立的控制功能，全廠又需要形成完整的控制系統。

建設初期，建設方——創業環保提出要使其成為國內領先的現代化污水處理和污泥干化廠，實現生產過程自動化與信息管理自動化，其建設目標：

（1）中控系統可以完成污水處理廠的管理、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、報表生成及故障報警，對實時采集的數據進行處理以及分析統計等功能。操作人員可通過顯示器及大屏幕直觀、動態觀察全廠各工藝流程段的實時工況、各工藝參數的趨勢畫面，能夠及時掌握全廠運行情況。建立各類信息庫，根據工藝要求自動進行調節和控制現場設備，通過運行數據的規律，找出水廠的最佳運行工況，改進管理方法，保證出水水質，提高經濟效益。

（2）項目要基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化的思想，著眼于 “管控一體化”系統的建設，建立一個先進、安全、可靠、高效、人性化且便于擴展的系統。要求監控系統集監視、過程控制和調度管理于一體，完成對整個工藝過程及全部生產設備的監測與自動控制，實現“現場無人值守，總站少人值班”的目標。系統平臺應具有良好的擴展性，可將所有的子系統整合成統一、開放的大系統。

3 管控一體化系統的設計

3.1 管控一體化系統結構

整套系統分為四層管控結構：第一層為廠長管理層，通過web發布功能，可隨時隨地使用外部網絡通過設定的固定IP連接上管控系統，實時查閱水廠運行狀況，檢查水質參數變化情況，但不能對各個設備進行遠程控制，具備“只監不控”功能；第二層為運行數據管理層，該層權限用戶可查閱數據庫存儲的歷史數據，可進行存儲、打印和歸檔；第三層為控制管理層，授權工程師或管理人員可對各工藝設備進行自控系統高級參數進行調整，深化工藝過程，查閱各工藝參數；第四層為設備監控層，操作員可對全廠儀表、設備參數、故障信息進行查詢，對設備進行簡單的啟停動作，并作運行記錄。如圖1所示。

圖1 污水廠控制系統結構圖

3.2 采用三維技術建立監控系統

為了建立完善的污水廠監控功能，便于擴展和提升，首先采用三維技術建立監控系統核心。監控畫面高度模擬工藝流程，工藝過程中涉及的液位、壓力、溫度、流量、水質分析等數據分布在各個工藝組態畫面中，并且實時顯示；通過軟件進行數據交換與存儲，制作數據報表及數據曲線，進行數據存儲，以便相關工作人員進行數據分析。監控畫面使用3Dmax軟件和FLASH軟件，制成3D效果動態畫面，立體顯示工藝組態，與現場實際相吻合。如圖2、圖3所示。

圖2 SF-AO反應池3D組態畫面

圖3 深度處理單元3D組態畫面

3.3 網絡搭建與服務器設置

設在中控室的監控系統通過光纖以太環網與進水泵房、反應池、加氯加藥、深度處理及脫水機房等五個PLC分控制站和初沉污泥泵房、回流污泥泵房、雨水泵房等五處遠程I/O子站進行數據交換，對所有設備進行控制及狀態顯示，提供系統的宏觀調度，協調各分站的運行，處理局部發生的事故和緊急狀態，維持系統的整體協調。數據服務器采用磁盤陣列，對數據進行備份，一旦主硬盤出現故障，副硬盤零擾動接收數據，保證數據的完整性。

4 基于管控一體化的系統優化

4.1 智能化的控制，先進的能源管理

結合工藝，設計確定進水、曝氣等單元是全廠電能消耗的主要單元，所以有針對性地采用進水泵智能控制和精確曝氣實現節能降耗。

（1）進水泵的智能控制

根據進水水量的歷史規律，以及水泵的組成情況，確定不同的開啟組合以及液位控制條件。跟蹤進水的日變化情況以及水泵每天的啟停統計數據，動態修正液位控制條件以及泵的組合情況，利用液位在安全范圍內的波動抵消來水量的瞬時變化，保持進水的平穩化。

根據動態液位控制條件，選擇最佳的水泵啟停切入點，優化水泵的編組運行方式，減少泵的啟停次數，采用優先級輪換的方式，使每臺泵運行總時間保持近似相等，延長設備的使用壽命。

在確保管網不溢流的情況下，盡量保持集水池的平均液位在較高的安全水位，減少水泵揚程，降低提升能耗。并根據泵的特征曲線，設法提升水泵工作在效率較高的工況點。

（2）精確曝氣智能控制

目前，國內大多數以活性污泥法為處理工藝的城市污水處理廠的曝氣系統采用了衡量控制、簡單的自動控制或人工就地控制等控制策略。這三種控制方法存在明顯的缺陷，不能穩定控制具有多變量、高相關、非穩態、大滯后等特點的污水處理系統中的溶解氧濃度，從而導致曝氣量與實際需氣量相比冗余過大，不利于保持曝氣池內微生物生長環境的穩定，對污水處理工藝的運行造成一定的干擾，并且使得曝氣單元的能耗水平偏高。利用“動態變化反饋控制”可以解決溶解氧濃度穩定控制的問題。

采用精確曝氣智能控制系統以后，能保持曝氣池各段的曝氣量滿足生化反應的需要，保持工藝的穩定運行，適應城市污水處理廠進水的水質和水量的變化，保持曝氣池中溶解氧濃度的穩定，同時還可以根據污水處理廠進水負荷和生化單元微生物生長情況，及時調節污水處理廠中的重要運行參數，使污水處理廠的工藝狀態參數保持比較穩定，達到“按需調節、穩定工藝、節能降耗”的效果，根據計算及實際運行測算，達到10%～25%的節能效果。

4.2 數字信息化服務

管控一體化的自控系統增加了Web發布平臺，實現全廠遠程實時監控。管理人員不僅可以在處理廠中央控制室查看全廠所有工藝過程中的設備狀態及水質參數，還可在家中或辦公室上網通過IE瀏覽器實時監視整個污水處理廠的運行狀況，隨時發現處理過程中的異常狀況，遠程進行實時查看報警并記錄。

數字信息化服務基于Web開發，使用Asp動態網頁編程技術，主要包括運營管理、設備管理、藥劑管理、電能管理等模塊，通過集控中心的電腦、大屏幕等多媒體顯示手段，及時了解處理廠各項指標，供管理人員分析決策。

圖4 污水廠中控室

同時系統平臺具有良好的擴展性，將所有的數據源和子系統整合成統一、開放的大系統，擴展的子系統包括財務、廠務、檔案、化驗、辦公、安防等，完成辦公生產的數據共享，有機結合。

5 結語

污水處理廠對自控系統的要求是能保證污水廠的穩定、可靠運行，隨著計算機技術的發展，自控系統也不斷地在增加人性化的設計元素，系統應該能夠完成更多的功能，掌握更多的信息量，提供更便捷、更直觀的控制和操作環境，這些都對污水處理廠控制系統提出了更高的要求。張貴莊污水處理廠在這些方面進行了設計與實踐，為該廠最終榮獲“魯班獎”貢獻了一份力量。

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