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再生水厂自动控制探讨
更新时间:2016-11-18 来源:第九届水处理行业热点技术论坛 作者:马小轩,李广路,赵燃

摘要:本文介绍了北京市某再生水厂的工艺流程及各流程的作用;自动控制技术在该厂的应用情况:包括水厂自控系统的组成部分(中央控制室计算机监控设备、PLC现场控制站、现场设备)及各部分功用系统的控制模式(就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制)及系统的主要控制方案(其中重点介绍了配水泵的自控方案);同时就再生水厂自动化控制发展方向进行了展望。

简言之,再生水是对污水处理后的水再进行深度净化所得,其在功能上可以部分替代自来水,从而大大节约水资源。某再生水厂是北京市第一座再生水厂,自动控制系统是保证其稳定运行、处理水质达标和对外供水安全的不可或缺环节,发挥着重要作用。本文从实际运行角度出发,对自动控制在再生水厂的应用情况进行了简单探讨。

一再生水厂简介

1.整体简介

某再生水厂位于北京市区东部,占地1.8万平方米。始建于2002年9月,2003年9月建成投产。设计日处理能力6万立方米,再生水主要供给电厂和垃圾处理厂作为工业用水,为周边公园河湖等提供景观用水,并满足周边绿化、居民冲厕和市政杂用的需要。

2.工艺流程简介

该再生水厂采用混凝+沉淀+过滤+消毒的处理工艺。水源来自污水处理厂的二级处理出水,经细格栅拦截细小的颗粒及悬浮物后首先通过臭氧脱色,再通过与混凝剂反应,去除水中的微小悬浮物和胶体颗粒,出水经砂滤池过滤和紫外线消毒后向再生水管网用户供水。工艺流程如图1所示。

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二自动控制应用

为了提高操作系统的准确性、稳定性、便捷性和预警性,该再生水厂整体采用计算机监控及数据采集(scADA)系统。

1.自控系统组成

组成部分总体可分为三层:中央控制层(中央控制室计算机监控设备)、现场控制层(PLCl一PLC6现场控制站及通讯网络)、现场设备层(包括水泵、格栅和阀门等机械类设备和流量计、压力表等仪表类设备)。系统结构(不包含现场设备)如图2所示。

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(1)中央控制室计算机监控设备

控制室计算机监控设备由两台带LCD显示器的工业计算机、一台彩色喷墨打印机及一台不间断电源组成。主要通过数据通讯网络连续采集PLC控制器送来的数据并对其进行处理、储存和显示,同时也具备对下位机设备施控的功能。监控计算机安装美国RockweU公司的RSView32和RSL09ix500作为控制和编程软件,在LCD监视器上可以显示厂区内工艺流程、设备状态、过程参数及报警信息等,同时可生成各类图表和事故报警列表。

不间断电源uPs用于停电状况下为监控计算机及打印机提供电源,以便采取必要的操作,其连续供电时间为30分钟。

(2)现场控制站

全厂共有六个PLC现场控制站,分别位于中控室、一期滤池、加药间、二期滤池、紫外消毒间和臭氧消毒间,各控制站通过光纤连成环网。

PLC现场控制站由中央处理单元、储存单元、电源、输入输出模块、控制器柜及柜内附属设备等组成,具有数据采集、报警、顺序控制、逻辑控制及PID控制等功能。用于采集现场设备的状态故障信号、仪表的测量值、高低压电路参数值等数据,同时将处理后的数据送人通讯网络并接受监控计算机通过通讯网络传来的信息,实现远程控制。

控制柜盘面上配有操作员面板,包括操作键盘和10.4寸彩色显示器,可用于显示工艺及过程控制动态数值和曲线,并可以根据需要修改参数。

(3)通讯网络

采用通讯速度为10/100Mbps的工业以太网、光纤、光电转换器和交换机将现场各PLc控制站以及中控室计算机连接起来,以完成生产过程监控所必需的数据传输。

(4)现场设备

现场设备主要包含两部分,即现场机械设备和现场仪表设备。

现场机械设备主要包括:回转格栅、提升泵、臭氧发生器及辅助设备、臭氧尾气破坏器、搅拌刮泥机、潜污泵、加药泵、鼓风机、反冲洗水泵、紫外线消毒设备、配水泵以及各种阀门等。

现场仪表设备主要包括:浊度计、液位计、流量计、臭氧浓度计、紫外线强度计、压力计、余氯计等。

2.系统控制模式

水厂自控系统控制模式分为就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制三种控制方式。控制级别由高到低依次为就地手动、远程手动和远程自动。

(1)就地手动控制

设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”旋钮开关选择“就地”方式时,可以通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现设备的启停操作。设备的急停按钮或其他保护和安全连锁装置(如过载保护等)全部是硬线连接至电气控制回路的,不受方式选择开关的限制。现场控制箱(柜)开关在“手动”位置时,设备为离线方式,PLC不能对设备进行任何控制。就地手动模式运行方式是设备层的最高优先层。

(2)远程手动控制

设备的现场控制箱或Mcc控制柜上的“就地,远程”旋钮开关选择“远程”方式时,操作人员可以远程对单个设备实施启停等控制。操作人员通过HMI终端操作或在上位机的“手动/自动”开关中选择“手动”方式对设备进行启停操作。

(3)远程自动控制

远程自动模式是在无人值守的情况下,利用PLC上已经编制好的逻辑控制程序或者外部一些触发条件,自动控制设备或装置的运行状态。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地,远程”开关选择“远程”方式,且上位机监控画面上的“手动/自动”设定为“自动”方式时,完全由PLC根据工况自动完成对设备的运行或开关控制,而不需要人工干预。

(4)控制模式的使用条件

三种模式均可以实现控制设备启停、改变过程参数、调整阀门开度等目的,工作人员根据实际运行的需要选择使用。

①就地手动。用于危险系数较高的设备操作。如臭氧制备系统,可以在上位机监视其运行状态,但并不能进行相关操作。这里考虑到了臭氧的危险性,为了避免远程误操作造成臭氧泄露,也为了现场核实设备的运行状态,要求操作人员必须到达现场进行启停、调节投配率等操作。另外,当自控系统出现问题,如控制模块损坏而无法远程控制时,就地手动控制仍可实现对设备的操作,保证生产正常进行。

②远程手动。远程手动与远程自动往往配合使用,当需要对一组远程自动控制设备中的单台设备独立控制时,则可使用远程手动控制。同时,远程手动方式往往可以通过自控改造变为远程自动控制方式:如目前进水泵的控制是由操作人员在上位机控制界面手动调整进水泵的工作频率百分数,实现对进水流量的调节。如果在程序中将外供水量与固进水量进行关联,根据外供量确定进水需求量,进而自动调节进水泵的频率匹配流量,就实现了远程自动的功能。

③远程自动。根据水厂的运行需要,将相关条件编人程序中,当条件触发时,设备即可自动运行或调整,这就是远程自动控制的基本思路。远程自动控制大大提高了设备的反应速度,增加了运行稳定性,可以节约人工成本,提高效率,使厂站无人值守成为可能。但同时,为了保证实际运行的可靠性,需要网络安全、视频监视、远程传输等诸多方面的良好配合,形成完善的远程自动系统。

3.系统控制方案及优化思路

再生水厂的自动控制方案根据运行工艺确定,在上位机编程调试后,将程序下载到PLC现场控制站。该再生水厂主要控制方案如下:

(1)提升泵自动控制:提升泵共六台,三台工频、三台变频,潜于集水池中。集水池处于正常液位时,操作人员根据外供水量远程手动调节潜水泵的频率,使提升水量满足供水需要;集水池液位低于低水位时,提升泵自动停泵使其免于烧毁。该部分可以通过修改程序优化为根据供水量自动调节进水量。

(2)臭氧投加系统自动控制:PLC根据臭氧接触池的进水量和设定的臭氧投加浓度、投配率自动调节臭氧发生器的功率和产气量,以满足生产需要。

(3)机械加速澄清池定时排泥控制:通过PLC程序设定,定时开启机械加速澄清池的排泥阀(开启的时间可人为设定),以保证澄清池内污泥量满足运行要求。未来可考虑在泥斗安装污泥界面计,并与排泥阀关联控制,当到达高泥位时,程序自动开启排泥阀,实现精准排泥。

(4)滤池气水反冲自动控制:滤池需要进行气水反冲来保持其良好的过滤性能,当滤池达高液位时,程序触发自动进行气水混合反冲,把污物反冲至污水管线。反冲持续的时间可以人为设定。

(5)紫外消毒系统自动控制:紫外系统根据流过紫外渠道的水量及水的透光性自动调节紫外灯管的发光效率和紫外模块的开启数量,以满足杀菌需要。

(6)配水泵出水恒压控制:配水泵共六台,全部安装变频器。为了保证用户的供水压力,水厂采用恒压供水模式,正常供水压力设定为0.4MPa。当外管网用水量增加时,管道压力无法满足设定值要求,则配水泵自动提高频率或另开启新泵来提高外输水量,随着水量的加大,管网压力逐渐恢复到设定值;外网用水量减少时,管道压力有升高的趋势,此时配水泵自动降频或自动停泵以减少外输水量,最终使管道压力降至设定值。

三再生水厂自动控制展望

再生水作为可再生环保资源,能够缓解水资源匮乏,减少城市水污染,美化环境。相信随着国家的重视、国人的认可,再生水处理将迎来飞速发展期。而再生水自动控制系统为了适应发展、满足需求,也必将得到发展和完善,其方向如下:

1.精确控制

随着水厂精细化管理和成本控制思想的深入,对水厂电耗、药耗等方面的控制要求逐步提高,精确曝气、精确排泥和精确加药等控制方式成为趋势。

精确曝气是通过曝气池上溶解氧仪的数值反馈自动控制鼓风机进出口导叶开度,实现风量调节避免曝气过量,达到节电的目的;精确排泥是由污泥界面计数值控制泥泵和阀门的开关,避免设备无效运行,并使污泥保持最佳状态,充分进行生化反应;精确加药就是根据处理水量的变化实时调整加药泵的加药量,满足投配率,避免过量投加,节省药剂。

2.全面采集

自控程度的提高必将带来信号点增多,包含运行、停机、故障、报警信号,以及电流、电压和各种过程仪表示数等工艺参数。目前水厂一般只是采集较重要的信号到上位机进行监控,未来应考虑全面采集信号,并补充视频监控信号,使操作人员不用到达现场,即可通过视频摄像头第一时间了解现场情况,真正实现水厂全面监控。

3.数据分析

未来水厂自控系统除了能支持上位机监控外,还应在积累数据的基础上,结合专业软件进行分析,得出不同进水量和进水指标条件下的最佳运行参数,指导生产;同时可以根据这些数据修改优化控制程序、提高运行效率、降低运行成本,使再生水处理过程更加科学和环保。

4.统一管理

组态软件应支持各种主流品牌的PLC、仪表、移动通讯设备以及其他具有通讯功能的自控设备,以便在项目改扩建过程中,实现上位机组态软件与下位机自控设备相兼容,操作员可以通过一个组态软件对现场的所有工艺设备进行监控,提高系统的集成度和现场工作人员的工作效率,降低改扩建成本。

5.远程登录

通过web发布软件实时监控水厂上位机画面和数据是水厂自控的又一发展趋势。操作人员通过互联网可以随时随地远程登录监控水厂运行,最终实现水厂无人值守。编程技术人员也可以通过远程登录修改调试PLC程序,为专家在紧急情况下诊断和排除故障提供方便。

四结语

再生水处理工艺复杂、设备众多,自动控制应用解决了操作调整复杂的问题。相信随着更多先进自控技术的出现和应用,必将大大提高水厂控制和管理水平,提高生产效率,创造更多的社会和经济效益。

 版权、出处:第九届水处理行业热点技术论坛

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