市政污水处理工程案例分析
北京华富惠通技术有限公司
———孙强——
随着我国城市化建设力度的加强，大城市的改建及中小城市的扩容速度越来越快。我国在七、八十年代兴建的市政污水处理厂随着城市化步伐的加快，无论从处理工艺还是从日处理污水吞吐量上，都已经不能满足城市污水处理的需求。另一方面，随着我国人民对环保意识的整体提高，我国政府对污水处理建设方面的投资力度也在逐渐加大。从95年开始，我国政府开始逐渐把污水处理的建设正式提到工作日程上来，但是由于我国组态软件的发展比较晚，在一些市政设施的自动化工程中，由于工程的重要性和投资力度的庞大，国内的组态软件只在一些小型污水处理项目上（工厂级，矿厂级）有过应用案例，对于一些大型市政污水处理工程主要还是以国外的组态软件和国内外知名厂家的DCS产品为首选。对于国内组态软件在大型的市政污水处理自动化工程中能否稳定，可靠的运行一直还是一个疑问。针对这种状况，北京华富惠通技术有限公司集合了公司大部分的技术骨干，针对市政污水处理工程的特点，组态了下面的市政污水处理厂自动化系统，并在工程实际中获得了应用。
工程背景：
德山全市辖2区、5县、1市，总人口587万人，是沿清江经济区的食品、轻工、纺织工业基地，经济建设正以前所未有的速度发展，水电站、火电厂、石长铁路、高速公路、德山机场等一大批国家“八五”、“九五”重点建设工程相继在德山市建成并投入使用，投资环境正在迅速改善，经济发展前景十分广阔。
德山位于清江南岸，现有大中型工矿企业72家，涉及造纸、化工、纺织、制革、酿酒、食品、机械加工制造等行业。根据德山市环境监测站1995年、1996年对德山35家主要工业企业实施环境监测的情况，以及德山市的第二自来水厂的年供水量估算，德山开发区目前的城市日用水量在8.5万吨以上，其中生活用水1.5万吨，工业用水7万吨。随着经济的发展和城市人口的增长，生活污水和工业废水的排放量将会越来越大，预计到2010年将增加到15万吨左右。
但是到目前为止，德山市只在城市主干道有一些清、污合流的管道，还没有一个统一规划建设的清、污分流城市污水排放管网和污水处理厂。除少量工业废水仅经过初步处理以外，大部分的工业废水和全部生活污水，都未经任何处理而直接排入城市下水道或经星水河、长风河等天然沟渠和河湖港叉，自然排入清江，使城区及其周围水域和清江甚至洞庭湖水体受到了严重污染，不仅使大片水面失去水产养殖功能，而且直接威胁到人民群众身体健康，破坏了正常的生态环境，影响了开发区经济建设和社会事业的发展。据测算，由于未经处理，德山开发区15家主要工业企业目前排入清江的工业废水在6万吨/日以上，每年排放的污染物中，有固体悬浮物8,530吨，有机物12,964吨，COD 15,444吨。
工程概况：
1 项目名称：清江地区德山城市污水处理系统
2 项目规模：日处理污水15万吨
3 占地面积：8公顷（120亩）
4 建设规模：据测算，德山开发区目前的城市污水日排放量已达8.5万吨以上，并以每年5%的速度递增。再根据《德山市城市发展总体规划》，到2010年，德山开发区城市污水日排放量将增加到15万吨左右。因此本工程规模拟定为日处理污水15万吨，计划分两期实施，于2012年底全部建成。首期工程实施时间为2000年至2002年，包括敷设全区污水管网和建造一个占地8公顷，日处理10万吨污水的污水处理厂。第二期工程则将污水处理厂的处理能力由10万吨/日扩大到15万吨/日，实施时间为2010年至2012年。
5 厂址选择：根据城市排水现状和城市排水规划，通过多次实地察勘和选择，确定污水处理厂选址在德山南郊。该处位于德山市造纸厂的南面和清江西面，是德山开发区的城乡结合部和工业污染源较集中的地带，周围有德山市造纸厂、德山市棉纺织厂、德山市清江制药厂、德山市涤纶厂、德山市机械厂，不远处还有德山市酒精厂、德山市肉联厂等大中企业，隔东风河还有德山市化工厂；另外，由于该处地势较低，平均海拔只有31.2米，远低于德山城区其它部位（42米～57米），利于汇集城市污水，符合城市发展的要求，是建设德山城市污水处理厂比较理想的地方。
6 工艺方案：目前国内污水处理工艺可分为三类，即一级处理，二级处理，三级处理，还有考虑综合利用的。国内目前综合考虑投资，运行成本，处理效果等因素，根据污水水质情况，大多采用一级和二级处理方式。一级处理也称物理法处理，其工作原理是利用过滤、旋流分离等方法去除污水中的悬浮物和泥砂。一级处理可去除污水中约50%的污物，适用于污水中有机物质含量较低的情况，常作为二级污水处理厂的预处理工序。
在本工程案例中采用了一级和二级处理方式串联的模式。工业污水经工业企业自行处理达标后，连同生活污水一起，经由污水管网集中输入污水处理厂，一级污水处理工艺如图1所示。主要设备有格栅、水泵、沉砂池、风机、吸砂泵、旋转筛网、除渣机、滤清器等。工艺的流程为：城市污水汇集到集水池，由一组水泵提升到前池；弧形格栅清除污水中的体积较大的污物和漂浮物；在沉砂池中，压缩空气与污水混合，分离出的泥砂沉淀于底部，由吸砂泵吸出；旋转筛网进一步的滤除污物；滤清器用于对筛网进行冲洗。
图1中的水位、浊度、流量等为被调量；生物耗氧量和酸碱度测量值供监视。
（图1）一级污水处理工艺示意图
经过一级污水处理设备处理后的污水进入二级处理环节，二级处理工艺如图2所示。使污水中pH值、固体悬浮物、动植物油类、酚类、石油类、氨氮类、表面活性剂类及BOD、COD等污染物及汞、镉、铜、锌、铅、镍、铬、钴等元素或化合物含量接近渔业水质标准(TJ35-79)，净化后的出水水质达到污水综合排放标准（GB8978-1996）二级以上标准。净化后，一部分污水可作为工业循环水循环使用，一部分就近排入清江，污泥干化后送邻近的城市养渔场，垃圾处理场处理。
（图2）二级污水处理工艺示意图
一：功能划分：
结合用户的需求和上面的两个工艺流程。由开物软件搭建的德山市政污水处理厂监控系统主要实现以下的功能。
1． 厂区变配电系统，重要机房的供电监控
2． 办公区暖通送风的监控
3． 一级和二级污水处理工艺流程的监控：
·机械处理部分：完成对污水泵，粗细格栅，沉砂池搅拌器，空压机械的状态监控；实施泵阀联动，备用轮换，格栅清洗，旋转筛网清洗，污泥池刮泥，自动打包等控制操作。
·生化处理部分：完成对处理工艺参数的监测控制，如对溶解氧，污泥浓度，PH值，ORP，BOD值等参数的测控。对曝气设备，搅拌设备，排水设备，污泥回流泵，鼓风机等进行操作控制，以满足对处理出水水质的要求。
·加药处理部分：对于污水处理工艺流程中的加药处理系统要求上位软件实现对污水处理等级自动识别加药，及专家算法配药系统。
·淤泥处理部分：监测控制污泥错池，污泥消化池，污泥脱水机及干燥设备的运行参数和状态。
4． 自动生成每月城市污水处理情况图文统计报表，图文报表的存储时间不少于10年
5． 对暴雨季节的排洪系统进行监控。
6． 污水厂的各项监控数据能够通过MODEM远程传送到市政各部门便于卫生防疫，市政环境监测等部门对城市环境监察工作的开展。
二：系统监控功能论述：
1． 污水处理厂供配电的监控：
为了保证污水处理厂的设备正常运转，对变配电系统的重要组成部分进行监控是有必要的。开物2000搭建的上位供配电监控平台实现的监控功能主要体现在下面几个方面：
·controX 2000变配电监视系统可显示变配电系统的网络拓扑图，显示回路的开关状态及实时参数，显示综合保护设备的时间记录和故障录波（利用CONTROX2000的X-Y曲线显示插件记录三相电流波形，低电压动作和系统电压波动时的三相电压波形，零序电流动作时电流波形，所录波形存储在计算机节点的硬盘上，并标志日期，时间，并可以随时调用，查看和分析）。
· 在controX 2000变配电监视系统的监控画面上提供每条配电线路电量参数（包含三相电压，电流，有功功率，功率因数，电度等）进行时实画面监视。并通过对每条配电线路的实时数据分析，在上位监控系统构建变配电最低能耗工作方式。
·controX 2000变配电监视系统设有故障分析和预测功能，对将要发生故障的重要供电电力器件提供预报警。（主要是通过对各电力器件通过的电流，器件的温度变化来判断重要供电电力器件的运行情况）。
·controX 2000变配电监视系统对变配电系统中的故障元器件具有动画锁定功能，当配电系统有故障发生时，监控系统将强制切换到故障元器件所在的监控页面，同时发生故障电力元件的颜色将发生改变，同时发出音响报警功能。通过对线路和元件的编号处理，便于维护人员对故障的排除，缩短维修时间。
·controX 2000变配电监视系统具有变电站监控的SOE功能可对过流，过载，速断，低电压，单相接地和电气联锁，联动跳闸等的报警和跳闸功能具有故障原因显示功能。
·controX 2000变配电监视系统，系统数据可把运行事故的纪录以报表的方式保存3年以上，并可随时调用，打印和查看。
·controX 2000变配电监视系统对污水处理厂的各设备回路用电可进行电量能耗统计，统计数据可以保存3年以上，同时可以通过报表的方式进行打印输出（ controX 2000支持多种报表格式），便于对整个污水厂的电量能耗进行管理。
由于在供配电系统的MCC（配电柜）中采用了很好的保护功能，对于应付各种紧急故障具备了很强的应变能力，同时从设备安全的角度考虑，在controX 2000变配电监控系统中只对高压进电部分的真空铠装开关开放了上位遥控功能；对低压配电部分的各电力元件完全屏蔽了上位的控制功能，主要对各回路的电量参数进行监视。对高压变电进线电力元件的遥控通过对用户操作权限（0—999级）的设定，只有具有很高权限的用户才可以使用，同时对使用者的用户名，操作时间进行自动记录（为只读文件）。为了安全起见，在上位进行电力系统的操作时具有文字提示栏提示和二次确认功能。
2. 暖通送风系统：
由于污水处理厂地势较低，环境潮湿，为了保证污水处理设备的正常运行和工作人员在冬季的取暖。要对污水处理厂的除湿机，通风机，电锅炉，中央空调制冷系统等设备进行集中监控。对污水处理厂办公区和加药车间中央空调制冷系统的监控所要完成的主要功能有：1。通过对中央空调系统的送风和回风温度差值，冷冻水供水回水温度差，经过上位的软逻辑运算，对下位控制器（进行标签变量回写）来调节最佳制冷机组的投切运行台数，实现制冷机组的节能；2。通过对现场温湿度的监测来调节中央空调的新风机组，为工作人员提供一个舒适的工作环境。同时通过对DDC控制器上传的数据进行专家算法的调节运算，对DDC控制器的标签变量进行回写控制新风系统的风机盘管，送风阀开度以达到节约能耗地目的。CcontroX 2000搭建的中央空调上位监控平台主要完成的功能是通过对环境温湿度的监测来协调空调制冷系统的各机电设备运行并进行集中监视和联动控制，通过对现场标签变量的联接controX 2000软件可以根据标签变量的时实变化模拟动态的中央空调制冷系统工作画面，通过对现场温湿度数据的采集和存储自动生成制冷量历史分析曲线，和统计报表，对于监控页面相同，但是连接变量不同的工作场所的监控，可利用标签组替换的功能，页面刷新的时间不超过1s.在上位监控平台上可构建软逻辑专家算法功能模块实现真正意义上的节能。
对于除湿系统的监控主要通过对工作现场环境湿度的采集，连接到DDC控制器对通风机组进行启停控制，在开物软件的监控平台上通过对现场环境的模拟监测（显示）现场的湿度变化并对现场湿度进行最大湿度值的筛选。同时在上位节点以报表的方式进行湿度的数据存储。
3. 一级处理工艺流程:
一级污水处理工艺流程主要是依靠沉淀，旋流分离等物理处理方法对市政污水中的悬浮物和泥沙进行处理。在一级污水处理的工艺流程监控中，主要是对各污水处理机械设备的监控。完成对污水泵，粗细格栅，沉砂池搅拌器，空压机械，吸砂泵的状态监控；实施泵阀联动，备用轮换，格栅清洗，旋转筛网清洗，污泥池刮泥，自动打包等控制操作。
一级处理工艺流程如下所述：
§城市污水经市政排污管网进入污水处理厂的集水井中；对集水井的水位要进行监测，当集水井的水位过高时污水渠槽的水闸要落下，停止进水；当污水集水井内水位过低时污水槽水闸提起，市政污水流入集水井。
§集水井内的污水通过污水提升泵到达污水处理的前池，在前池进行污水的浊度测量，对污水的浊度测量可定时进行（时间间隔5—10分钟），对前池的浊度测量是为了保证前池内污水浊度保持在一定范围内（混浊度过高时要对污水进行稀释调节），在污水提升过程中对水泵组的出水管口压力和管网末端压力要进行监测和调控，监测和调控的目的主要是观察提升管网内是否发生堵塞（通过出口和末端的压力差），压力是否超出安全范围等。在对提升泵组运行状态进行监控的同时还要对前池的液位进行监控，当前池液位满时，提升泵组要停机。当前池的水位降到最低水位时，泵组要重新启动。
§前池的出水经过弧形格栅分离飘浮污物，和体积较大的污物，除清机每日定时对弧形格栅进行清洗或通过压差传感器测定弧形格栅的阻塞状态，如压差过高则进行清洗。
§通过弧形格栅的污水进入沉砂池。在沉砂池内设有沉砂池搅拌器，同时在沉砂池内设置空压机管道出口，在沉砂搅拌器把污水搅拌均匀后，利用压缩空气分离泥沙和水。吸砂泵吸出分离出来的泥砂到污泥池，再经除渣机（刮泥机）清理，
§由沉砂池出来的污水进入到后池，在后池对污水的混浊度进行监控，PH值进行监视，读取的数据为二级处理使用，同时可通过该数据监测经一级处理工艺后污水的状况。
§由后池出来的污水进入旋转筛网进行进一步的过滤，滤除污水中细小的污物。滤清器使用经旋转筛网过滤后的污水对旋转筛网进行冲洗，对旋转筛网的清洗可通过过滤后的污水流量变化进行判定。旋转筛网上被冲洗下的污物由除渣机（刮泥机处理）。经旋转筛网后的污水进入深排槽，在深排槽内设置流量传感器（调控通过旋转筛网的污水量），和污水内的生物耗氧量测量，为二级污水处理提供数据。
4．二级处理工艺流程
从德山市整体工业概况考虑，污水二级处理工艺采用RSTP法和加药处理（生物和化学处理）并用两种处理模式。当经过RSTP工艺处理的污水还不能达到污水排放标准时，污水进入加药处理工艺流程。在二级处理工艺流程中对污水处理工艺监控的对象主要是：
·生化处理部分：完成对处理工艺参数的监测控制，如对溶解氧，污泥浓度，PH值，ORP，BOD值等参数的测控。对曝气设备，搅拌设备，排水设备，污泥回流泵，鼓风机等进行操作控制，以满足对处理出水水质的要求。
·加药处理部分：对于污水处理工艺流程中的加药处理系统要求上位软件实现对污水处理等级自动识别加药，及专家算法配药系统。
·淤泥处理部分：监测控制污泥错池，污泥消化池，污泥脱水机及干燥设备的运行参数和状态。
污水二级处理工艺流程如下所述：
§一级处理后的污水经污水提升泵到达污水中和池，在进入中和池的过程中要对污水提升过程中污水管线压力进行监测，同时对中和池的水位进行调控（在中和池中设立最高和最低两个水位线）。通过读取中和池的PH值对中和池内的污水进行加酸/加碱，进行中和处理，调节中和池内的污水PH值恒定接近于中性。在加酸/加碱的过程中，通过PLC对加酸和碱的特种电控阀进行开度和启停调控，在上位监控平台能通过模拟水颜色的变化来监视污水酸碱中和的过程；通过药液流动来观测加药阀门的启停状态，通过模拟阀门开度仪表，来观测加酸/碱阀门的开度。（对于污水酸碱中和的过程，在上位只能进行监视，不能进行上位人工手动控制）。经过中和池后的污水进入沉淀池，由于经过一级处理工艺只能去掉污水中50%的污物，在沉淀池内通过定时系统对污水进行初步的沉淀处理，沉淀池出来的污水进入RSTP法生物处理过程。RSTP工艺流程简介如下：
RSTP(Reciprocal Sewage Treatment Process往复式污水处理工艺)工艺由一组配有充氧装置的处理构筑物组成，其间设有连通管道及控制闸阀，能组成多种污水处理系统。污水按指定的顺序依次通过各个构筑物，分别进行曝气，固液分离和污泥回流。在处理污水时污泥也同时得到稳定，利用系统内共生的微生物(活性污泥)和高等水生生物(鱼类)共同完成净化任务。
RSTP工艺流程：
(1) 借鉴氧化沟工艺将"污泥的稳定和污水的净化"纳入同一道工序的经验，将处理污泥的厌氧消化工艺改为好氧消化，将污泥和污水的无害化过程合并为一道工序，取消初次沉淀，不再设置污泥消化系统。
(2) 借鉴"完全混合型"的流态能提高耐冲击负荷的经验，借鉴"多级曝气"有助于发挥微生物种群特性的经验，按"完全混合型"及"多级曝气"的原则组织生化处理系统，以此稳定并提高净化效果。
(3) 利用"改变流向"使污泥回流的经验，组织生化系统，减免二次沉淀和污泥回流工序，以此来降低成本。
(4) 借鉴华南地区粪便养鱼及华东地区肥水养鱼的经验。利用RSTP生化系统中能保持较高溶解氧的条件，为微生物(活性污泥)与高等水生物(鱼类)创造共生的条件，互为饵料，共同完成净化任务，籍以降低能耗并清除剩余活性污泥，实现剩余污泥的"零排放"。利用延长泥龄可以降低产泥率的经验，RSTP系统对一般生活污水处理的产泥量均能降到悬浮物排放标准以下。当净化水用于农田灌溉及渔业生产时，可以将已经稳定的污泥(肥料)以混合液的形式随净化水直接送到再利用现场。在不具备利用消化污泥条件时，采用充分"投鱼及供氧" 的措施，作为饵料将剩余污泥清除在系统内，选用方案根据现场具体情况决定。以此取消重力浓缩、化学絮凝、机械脱水、车辆运输及最后处置等全部工序，这样简化了工艺流程、降低了工程造价。
(5) 利用原污水中的碳源进行脱氮的经验，重新组织配水系统及处理构筑物的组合方式，提高原污水中的碳源与净化水中硝酸氮接触的机会。在改变污水流向时所形成的局部缺氧区内，使净化水中的硝酸氮与新污水中的碳源多次接触，进行反硝化，达到脱氮的目的
(6) 借助污水管网内的厌氧条件，并利用多级曝气强化活性污泥再生的经验组织生化系统，提高活性污泥的吸附再生能力，达到除磷的目的。富磷的活性污泥做为饵料被共生的鱼类清除在处理系统内，缓解常规工艺中剩余污泥在浓缩工序内因停留时间过长而使已经被活性污泥吸附的富磷又重新返回到污水处理系统中去的弊端。
(7) 利用调整负荷、停留时间及充氧强度的方法能改变污染质去除率的经验，重新组织配水系统、排水系统及充氧装置，以此来提高处理设施的灵活性。根据污水资源化的具体服务对象，调整运行方式，改变净化程度，同时提供不同标准的净化水。渔业生产有时需要提供 BOD为50～80 mg/L的净化水，农业灌溉无须除磷脱氮，籍以节约能耗。
(8) RSTP生化设施兼备曝气及固液分离的功能，其单体按完全混合型流态布置，有淡化污水异臭的功能，为压缩卫生防护带创造条件，处理系统的总体按串联方式组织，籍以消除短路，稳定净化效果。
(9) RSTP设备简单，为降低成本实现处理设备国产化、提高自动化程度及遥测水平创造条件，也为方便管理、便于监督奠定基础。
(10) 借鉴消除噪音扰民的经验，避免采用鼓风机类的高噪音充氧设备，优先选用表面曝气器及转刷类的低噪音充氧设备，藉以压缩污水处理厂的隔离防护带，节约用地。
（11）氧化沟站的控制功能要由两部分来实现：用计时器来控制进水堰门、出水堰门的开/关；根据溶解氧浓度来（反馈）控制曝气转刷的快/慢转动，以保证三沟处于相应的工作状态。
RSTP由四个为一组配有充氧装置的处理构筑物组成，其间设有连通管道及控制闸阀，能组成多种处理系统。处理系统的流态在全程上为推流式，在处理构筑物的单体内为完全混合型。污水按指定的顺序依次通过各个构筑物，分别进行曝气、固液分离和污泥回流。 RSTP可以一组单独使用，也可两组或四组联合使用，合理的应用范围达20万3/d。
RSTP具有以下特点：
（1） 净化污水的同时污泥也得到稳定，减免常规工艺中的污泥处理工序。
（2）系统中的泥龄延长，产泥率低，具有免排剩余污泥的特性。
（3）为多级生化系统，能充分发挥微生物种群的特性，具备处理效果稳定的优势。
(4) 系统中能维持较高的DO，为高等水生生物(鱼类)的存活创造了条件，利用系统内共生的微生物(活性污泥)和高等水生生物(鱼类)共同完成净化任务，具有降低能耗的作用。
(5) 系统对于活性污泥具有较强的吸附再生能力，提高活性污泥吸附磷的功能，同时利用共生的鱼类将吸附在活性污泥内的富磷作为饵料，将磷清除在处理系统内。
(6) 利用改变流向的办法使原污水中的碳源与先期进入RSTP系统污水中已经转化为硝酸氮的氨氮进行多次接触，完成脱氮任务。
(7) 系统为完全混合型，有淡化污水异臭的功能，为接近居民区就地实现污水资源化创造了条件。
(8) 能同时提供不同标准的净化水，满足污水资源化不同的需求。
(9) 工艺流程简单，操作方便，易于实现运行自动化。
§RSTP处理后的污水在二次沉淀池内对污水中的残余污物进行沉淀处理，在上位能够监测到沉淀池的水位高低（保持恒定）二次沉淀的过程实际上是对污水的过滤过程沉淀池分两层结构中间的过滤层由（砂石，木炭，煤渣）三层结构组成，过滤层上是污水，过滤层下是经过过滤后的清水，保持水位的恒定是通过重力的作用使污水通过过滤层。经RSTP处理后的污水如果达到排放标准则排入地下或江河中，如果仍不能达标，则要再经过加药（化学处理过程）
§加药系统：
加药系统实际上是污水的第三级处理工艺。把经过RSTP处理的污水分成两部分，
一部分直接排放到江河中，另一部分按照城市工业回用水和市政设施中水的需求量把
经过RSTP处理后的污水进行加药处理生成中水，供给工厂和市政设施回用。加药处理
的配药系统主要是根据对每次进入加药处理池内污水的各项指标把污水分成10个等级
利用controX 2000的配方功能配制不同比例成份的7种化学混合制剂，加入到污水中
混合，对污水中的残余有机物质进行絮凝，分解处理。
6．污泥处理:
淤泥处理部分：淤泥处理主要是对沉淀池，RSTP处理工艺，二次沉淀池内的污泥进行处理。上位监控要完成功能：监测控制污泥池，污泥消化池，污泥脱水机及干燥设备的运行参数和状态，对干燥后的污泥要监视自动打包外运系统的工作状态
7．暴雨排洪：
当暴雨季节来临时，由于污水处理厂地势较低，在暴雨来临时，所有的污水处理设备停止工作，排洪系统通过上位的确认后启动，排洪渠的水闸全部提起，污水处理过程的进水闸关闭防止洪水对污水厂设备的冲击，同时每个水池的泄洪阀打开，对降落在厂区的雨水进行疏导。厂区内二条排洪渠道自动进行泄洪处理。ControX 2000搭建的上位监控平台对全部的排洪过程进行动画模拟监控，同时设置在监控中心的视频监视系统启动，对排洪过程进行视像监视。
8． 统计功能：
controX 2000软件通过自带的报表编辑器能够自动生成各种格式的统计报表，并可随时调用，查询和打印。ControX 2000的报表可对污水处理流程中的各项参数（BOD,COD,SS,PH，含磷量，含金属量，含其他有机物质量）等进行统计，按照需求生成日报表，周报表，月报表和年报表等；对污水处理的吨数按每月生成统计棒图；对污水处理流程中发生的设备报警自动生成报警统计报表。
9．Web功能
controX 2000软件的web浏览功能可做到无限客户端，利用controX 2000强大的web浏览功能，可满足卫生防疫，城市环境监察，市政府等各卫生和行政部门对城市水资源再利用，污水净化，环境保护的状况数据提取需求。通过开放的工程端口和web登陆权限，卫生防疫部门和城市环境监察部门可通过IE浏览到城市污水原水的各项参数指标，净化后的可排放水参数指标。市政有关部门根据所拥有权限的不同，可浏览到不同层次的处理概况。
10．网络冗余
由于市政污水处理工程的重要性，德山市污水处理厂的自控系统利用controX 2000强大的网络冗余功能构造了全机双冗余系统。
三：自控系统介绍：
污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。
自控系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。
自控系统分为两级总线网络形式，即由服务器和客户机构成多用系统终端总线型式和现场过程控制的开放式现场总线型式。自控系统网络及设备主要技术指标见下表。
自控系统网络及设备主要技术指标
终端总线速度
10Mbit/S
总线传输速度（max）
12Mbit/S
总线设备容量
≥64个
总线通信距离
≥1.2km（不加中继）
现场控制部数据处理
≤0.3ms（处理1024二进制语句）
现场控制站I/O点数（max）
1024 DI/DO，256 AI/AO
污水处理厂自控系统的基本构成：
污水处理厂自控系统由两台互为热备的中央服务器（兼操作员站）和一台管理计算 机、一台总工程师计算机构成的中央控制站、10个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成。10个现场控制站均设彩显各一台，用于现场操作和动态显示工艺参数和设备工况。各现场控制站与中控站连接采用有线数据通讯电缆。
现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。本控制系统由10个现场控制站组成。它们分别位于：厂外变电站；厂内空调暖通机房；厂外污水提升泵房的污水站；厂内一级处理工艺站；厂内提升泵站；厂内污水PH中和站；厂内污泥间的污泥站；厂内低压配电间的RSTP工艺处理站；加药系统的配药站；厂内中水消毒和排放计量站。
(1)污水站
采集污水提升泵房的液位，控制污水提升泵的升/停及运行台数，水泵在一定时间间隔内的启停次数将严格按照水泵特性要求执行。每台水泵的运行时间应累计并且记录，以保证各台水泵运行时间的均匀，同时根据泵组保养规定，发出保养维修信息提示。控制截污闸阀，1#、2#启闭机运行。1#、2#格栅机的运行根据超声波液位差计的信号及时间由污水站PLC予以控制。采集污水流量，泵房配电的电量参数，污水提升泵电流。
(2)RSTP工艺站
根据氧化沟溶解氧值和时间要求对每组氧化沟的六台充氧转刷自动开/停及变换旋转速度，控制相应的三角配水井及氧化沟的电动堰门的开/闭，实现工艺所要求的控制过程。氧化沟控制共有三种操作方式：
① 就地手动操作方式
在这种方式下，进水堰门、出水堰门和曝气转刷均由就地控制箱（盘）上的按钮来控制开/停。氧化沟站仅对这些设备进行监视。
② 远方手动操作方式
在这种方式下，操作员在本站的监控节点上进行对被控设备的开/停操作。
③ 自动操作方式
在这种方式下，进水顺序、出水切换、溢流堰升降、转刷开停及低速、高速运行，各工艺工况的变换，均由本站PLC按预先编制的程序及氧化沟溶解氧自动控制系统控制运行。每种工艺工况的运行参数可以在线或离线调整，每台设备和每种运行工况也由本站监视。
此外，本站在任何操作方式下还应采集检测配电间的电量参数、厌氧池的溶解氧值、氧化沟的污泥浓度等。
(3)污泥站
根据污泥浓度，控制污泥回流泵的开/停和运行台数，均衡泵的工作时间。根据细格栅的前后液位差及时间，控制细格栅的自动运行。监视污泥脱水系统的工况及工艺参数，监视加药装置的运行工况和加药量，以时间周期控制砂水分离系统（旋转沉砂器、吸砂泵、砂水分离器）的联锁运行。根据残液提升泵的液位、控制残液提升泵的运行及运行工作时间。采集污泥回流流量及排水流量。
（4）PH值中和站：
根据中和池内的污水PH值在controX2000的上位监控平台上采用上位软逻辑功能单元搭建模糊控制算法以次来实现对中和池内污水的PH值调节。在污水处理装置中，二曝池前、后两端的pH值对污水处理影响较大。在二曝池内的活性污泥微生物生长需要中性环境，而在前期处理中，向含油污水中加入硫酸，使其成为酸性，因此，在二曝池前段，向池中加入碱液，控制pH值在7~9之间。二曝池出水经过沉淀池后排海，因此二曝池后段pH值对最终污水处理的质量有较大影响，活性污泥在二曝池的生化反应会产酸，在二曝池末端加入碱液，控制pH值在7~8之间。
pH值控制是工业控制中广泛存在的控制问题。从污水处理、集成电路蚀刻、冷却塔、锅炉供水、制药厂的生化反应都需要对pH值进行控制。pH中和过程中的旨烈非线性。尤其当在pH接近终点的控制是非常困难的。
对于污水处理中的pH控制，还有更复杂的因素。首先，污水中参加中和反应的成份复杂，而且不稳定，而由操作和负荷改变引起的干扰又常常非常大。其次，加碱过程和产酸过程的时间常数不一样。加碱过程中和反应速度比较快，滞后较小，而产酸过程的生化反应速度比较慢，滞后很大，这使得污水处理的pH控制更加困难。
由于污水处理pH值的特殊性，在控制中常用的PID控制难以达到控制要求。针对pH控制提出了多种建模和控制方法。一类是将pH中和过程看作是线性时变系统，采用线性自适应控制方法进行控制[4]。另一类是采用非线性模型进行建模，采用非线性自适应控制方法进行控制[2]。当反应成分滴定曲线变化不大时，这种控制可以达到较好的控制效果。而当滴定曲线有较大变化时，控制器的特性迅速变坏。另一类获得高质量pH控制的方法是采用智能控制的方法，如模糊控制[5]、专家系统控制[6]、神经网络控制[3]等。
在本系统中根据工艺特点采用模糊控制的方法对pH值进行控制。模糊系统模拟人脑对信息处理的模糊性，能够利用人的语言信息等知识进行模糊推理。模糊控制器本质上是一种非线性控制器。采用的模糊控制器结构如下图所示。
图中，SP为pH设定值（精确量）；e、ec为pH值误差和误差变化率（精确量）；E~，E~C分别为反映pH值偏差和偏差变化率的语言变量的模糊集合（模糊量）；U~是控制器输出的语言变量的模糊集合（模糊量）；u为控制器的输出（精确量）；y为pH实际值（精确量）。输入输出变量均离散化为[-6，+6]间整数，模糊变量选为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，模糊变量的隶属度函数选择为三角函数，模糊推理方法采用Mamdani推理法。根据污水处理过程pH值变化的特点，采用如表1所示的模糊推理规则，经过运算后得模糊查询表，如上表所示。
模糊控制算法程序采用controX2000中的脚本编辑语言实现。脚本编辑是controX 2000软件向用户提供的一个扩展功能接口。用户可以在这里用pascal语言编写自定义函数程序，这些自定义函数可以在整个工程中被调用。
通过对controX 2000的脚本进行编辑，自定义生成两种不同的函数：项目函数（Project functions）和动作（Actions）。这两种函数用于完成不同的功能。项目函数与高级语言中的函数功能相似，都是用来完成一定的计算、显示、数据处理等功能。项目函数本身并不能被执行，必须被一个主函数调用以后才能够完成预定功能。动作则不一样，在开物软件中可以给动作增加触发器，一旦满足了触发条件，动作就能够自动执行。在controX 2000中通常用项目函数完成数据计算、处理等功能，然后在动作中调用该项目函数。这样在满足触发条件的情况下，项目函数便能够不断地执行。在全局脚本中生成一个项目函数，用它来实现模糊控制算法。
由于项目函数本身不能被执行，必须生成一个全局动作来调用项目函数。在本系统中，对pH值的控制除了模糊控制外，还设置了手动控制和常规PID控制。PID控制由PLC来完成，PLC中PID控制算法由西门子公司提供的软模块来实现。PID控制模块中，除了需要由上位机提供KP、KI、KD参数外，还需要一个状态控制字来决定手/自动状态，PID模块会根据状态字选择输出信号，并实现手/自动之间的无扰切换。
由于在controX 2000中嵌入了模糊控制算法，使得状态的逻辑关键变得比较复杂。在具体实现的过程中，我们设置了STATUS和CTRLMODE两个状态字，通过这两个状态字来区分PID控制、模糊控制和手动控制，其逻辑关系见表3。
当选择PID控制时，STATUS被设置为0，PLC输出的是PID控制信号；当选择的是模糊控制或手动控制时，STATUS被设置为1，相应的PLC输出的是传给PLC的手动控制信号。由于PLC的手动控制信号是由controX 2000提供的，在组态时，我们把模糊控制算法给出的信号和手动控制给出的信号同时给到一个标签变量上，通过CTRLMODE的值进行选择。除进行了上述设置外，还需添加触发器。控制算法采样周期为T，则在全局动作中添加一个触发周期为T的触发信号。这样，每隔T时间全局动作就调用模糊控制算法一次，控制算法输出一个控制变量，完成对被控对象的一次控制作用。
该算法已成功应用于德山污水处理工艺中，在二曝池前、后段投入模糊控制后，pH值控制精度可达到±0.2，满足了污水处理工艺要求。同时，降低了操作人员工作强度，碱液消耗量下降。
主要控制回路设置及现场站I/O点数
在生产的关键环节设置自动控制回路，现场站I/O点数的估算如表2所示：
（缺表）
以上I/O点数应再加15%～20%的余量。
监控软件：controX2000;
应用范围：厂级中控室监控、监控节点、设备单元的控制等。
系统的扩展：
要求本系统的三级网络采用国际上先进的开放式结构，本系统与其它系统进行数据交换传输，能适应今后污水处理厂控制系统扩展，如：要求采集城市管网的工艺参数和污水泵房的工况；要求接受总公司的调度，要求与公司或其它污水处理厂的联网等。
SAMPLEIMAGE四：自控系统的总体设计：
根据污水处理的工艺流程及其控制要求，自控系统的结构设计见下图。从结构上看，本自控系统为三级分布式控制系统：厂级决策管理中心为第一级；设备自动化监控网络为第二级。各下位控制站，现场总线为第三级。
功能设计：
从功能上看，本自控系统为二级控制方式：
第一级为人工控制方式：通常在设备检修、手动工况时采用人工控制。
第二级为计算机控制方式：现场监控节点和中央控制室数据采集、处理、动态显示各设备运行状态工作状态及各种参数的实况并实施控制。
中央控制室的监控画面分为三级：第一级为工艺流程总图；第二级为各工艺流程分图；第三级为设备参数显示图。
中央控制室各节点的具体功能如下：
(1)服务器1#/2#
它是由终端总线联接的多用户系统的核心，完成中央任务，所有组态数据和过程控制数据均集中的放在中央服务器内。它为其它客户机提供中央服务，例如：数据采集和存贮。服务器是厂级控制和管理中心，还具有以下主要功能：
§控制操作：在中控室里能对全厂被控设备进行控制，对各下位监控站和现场控制站PLC的参数进行设定和修改，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。
§显示功能：用设计或实地图片的方法生成图形，实时显示某参数，可定义不同的颜色来表示被测参数所处的不同范围，使参数的变化过程一目了然。对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化，百分比，色标填充等多种直观方式动态显示。
§数据处理及管理：记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。
§报警功能：当某一参数异常或设备的故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警、屏幕报警、输入报警表，打印输出或播放事先录制的语言提示，同时显示相应的提示信息，并记录在报警数据库中，且可分等级。
§报表功能：分成年度、季度、月度、日班报表及运行参数报表（如：污水处理量、加药量、耗电量等）。
§打印功能：各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。
(2)厂长办公节点
用于厂长对整个污水处理厂的生产状况和各项指标的随时查询，并有成本分析，统计计算功能。
(3)总规划节点
主要用于对控制系统进行在线或离线方式的编制和修改或对参数调整。
（4）总工办公节点
主要为污水处理厂总工程师提供污水处理的各设备运行和处理结果，监测设备和工艺的进行情况。对整个污水处理过程进行集中调控。
（5）总调度办公节点
主要是对整个污水处理厂的各站点进行集中监测和管理。
四、现场控制器：
PLC选用OMRON的SYSMAC CVM1，因PLC可靠性很高，而MCC柜中均装有常规保护装置，未采取冗余措施。
PLC编程软件采用OMRON公司为其SYSMAC系列PLC产品开发的、在WINDOWS环境下运行的SYSWIN V3.1。SYSWIN编程软件与其它的PLC编程软件相比，能将整个控制程序分解为被称作任务的子程序。这种编程方式最突出的特点是以功能为目的，将任务以标准程序单元创建，可以反复调用，编写的程序容易理解，易于调试。
PLC控制程序分为10个标准模块：
· 公用程序：包括寝化部分和提供秒、分、时等时间脉冲；
· 顺序控制：协调控制各设备的运行；
· 联锁保护：出现异常工况时，保护设备安全；
· 水泵软启停：由1台变频器实现4台潜水泵的启停操作；
· PID调节：根据集水池水位、排放浊度控制流量；
· 模拟量计算：将电量、流量、浊度、水位等转换为工程量；
· 台时累积计算：累积各设备运行时间；
· 设备均时控制：根据同类设备累积运行时间，启停操作时使之趋于平衡；
· 日常工作：定时启动滤清器、出渣机；
· 通讯处理：接操作员站发出控制指令和各类参数设置。
系统性能指标：
a. 网络传输正常时，系统告警响应时间，数据响应时间，命令执行时间不超过1秒。
b. 故障报警准确率为100%
c. 整个系统全网系统时钟保持同步，时钟误差小于1秒
d. 所有监测采集原始数据存储时间不小于一年，告警数据存储时间不小于一年
e. 系统平均故障时间MTBF>10000小时
f. 系统的采用不影响被监测系统及设备的正常工作
g. 系统具有自诊断功能，对数据紊乱，通信干扰等可自动恢复；对通信中断,软硬件故障等能及时诊断并告警。
h. 系统采用双冗余结构，在发生故障时可自行切换。系统自身故障不会影响被监测系统和设备的正常运行
i. 系统为将来的扩容和升级留有足够的空间
j. 系统具有内部安全管理机制，能防止非法用户的访问。
k. 在系统断电，复电后可自启动运行。
l. 上位的开物软件具有很好的开放性，较强的容错能力;软件系统在运行时可提供详细的在线帮助。开物软件采用分布式的模块化结构，对将来系统的扩容和升级没有任何困难可言。
结束语：德山市市政第一污水处理厂于2002年6月投入运行，达到了设计要求，实现了设计目标，受到了用户的好评。本自动控制系统具有良好的性能价格比，完全可替代国外的成套设备。
作者简介：北京华富惠通技术有限公司 自动化工程部 项目经理 孙强
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