1　概述
近年來(lái)，各地相繼利用外資建設(shè)了一批城市污水處理廠，將先進(jìn)的工藝及設(shè)備引進(jìn)國(guó)內(nèi)，在提高工藝設(shè)備技術(shù)水平的同時(shí)，控制系統(tǒng)和管理水平也有了很大的提高。結(jié)束了以往污水處理全部用人工或簡(jiǎn)單的電器控制的落后局面。
唐山市西郊污水處理廠建于80年代中期，日處理能力3.6萬(wàn)噸。受歷史條件局限，全部采用的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，工藝設(shè)備為人工操作或簡(jiǎn)單的電器控制。運(yùn)行中的工藝參數(shù)調(diào)整大多憑經(jīng)驗(yàn)，這種低水平的運(yùn)行管理狀態(tài)在很大程度上影響了正常運(yùn)行。
污水處理成套設(shè)備綜合智能自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)研制目標(biāo)是對(duì)污水處理運(yùn)行過(guò)程的全面控制及全廠管理系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)污水處理全過(guò)程的自動(dòng)化控制和現(xiàn)代化管理。
針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)及西郊污水處理廠的現(xiàn)狀，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，智能控制，故障診斷及常規(guī)DCS和PLC技術(shù)作為開發(fā)的重點(diǎn)。
系統(tǒng)按縱向分層，橫向分站的原則構(gòu)造，縱向分為遠(yuǎn)程終端，計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及各層面。橫向則根據(jù)污水處理工藝劃分為若干個(gè)控制站，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際情況，合理地選擇系統(tǒng)的配置。考慮到污水處理廠的改造與發(fā)展，系統(tǒng)可擴(kuò)展性和兼容性比較強(qiáng)。針對(duì)污水處理工藝過(guò)程，開發(fā)了智能化控制軟件，實(shí)現(xiàn)污水處理工藝運(yùn)行參數(shù)以及運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)控制。開發(fā)了相對(duì)獨(dú)立的車間單元級(jí)設(shè)備及控制系統(tǒng)，并按照污水處理工藝過(guò)程和DeltaV系統(tǒng)的配置要求，將控制功能分配在2臺(tái)DeltaV控制器上，其中1號(hào)控制器主要監(jiān)控預(yù)處理工序生產(chǎn)過(guò)程。包括三索格柵，污水泵等設(shè)備，由于沉沙池和一沉池的工藝設(shè)備屬于開關(guān)量控制，且與1號(hào)控制器距離較遠(yuǎn)，因此選擇1臺(tái)PLC控制這些設(shè)備的運(yùn)行。PLC和1號(hào)控制器通過(guò)RS--485總線連接，按相關(guān)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2號(hào)控制器監(jiān)控二級(jí)處理工序生產(chǎn)過(guò)程，包括曝氣池，二沉池，鼓風(fēng)機(jī)和回流污泥泵等。在污泥脫水工序開發(fā)了一套PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)RS--485總線和2號(hào)控制器連接，亦通過(guò)相關(guān)協(xié)議將運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到中央控制室。全廠工藝運(yùn)行的控制系統(tǒng)可劃分為污水泵及三索格柵自動(dòng)化控制、預(yù)處理工序自動(dòng)控制、曝氣池溶解氧與鼓風(fēng)曝氣自動(dòng)控制、曝氣池混合液濃度與污泥回流自動(dòng)控制、二沉池泥水界面檢測(cè)及排泥自動(dòng)控制、污泥脫水工序自動(dòng)等六個(gè)控制單元。

2　各單元控制系統(tǒng)
2.1 污水泵及三索格柵自控系統(tǒng)
污水泵單元設(shè)有4臺(tái)污水泵，其中2臺(tái)通過(guò)變頻器控制。2臺(tái)自耦啟動(dòng)。正常情況下，2臺(tái)污水泵同時(shí)工作，即：1臺(tái)由變頻器控制的泵和1臺(tái)自耦啟動(dòng)的泵（恒轉(zhuǎn)速），根據(jù)集水井液位和總流量要求，在1臺(tái)恒速泵工作的同時(shí)對(duì)變頻器控制的泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使之達(dá)到運(yùn)行需要。中控室DeltaV控制污水泵運(yùn)行。三索格柵是系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中新開發(fā)的設(shè)備，為滿足系統(tǒng)控制的要求，在電氣控制部分增加了遠(yuǎn)程控制功能，在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)時(shí)，DeltaV控制其運(yùn)行。三索格柵的運(yùn)行間隔根據(jù)進(jìn)水量的大小確定。
2.2 污水預(yù)處理工序自控系統(tǒng)。
1、旋流沉沙池和砂水分離器控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)在項(xiàng)目中新開發(fā)的設(shè)備設(shè)施包括：2座旋流式沉砂池；3臺(tái)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，1臺(tái)無(wú)軸螺旋砂水分離器，11個(gè)電磁閥。該系統(tǒng)電氣控制元件多，動(dòng)作復(fù)雜，為此采用PLC做主控制器，控制方式為自動(dòng)，中控，手動(dòng)三種，在這種控制方式下，可分為單獨(dú)工作或同時(shí)工作，該系統(tǒng)輸送給中控室DeltaV系統(tǒng)的信號(hào)有：故障信號(hào)：電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，中控室DeltaV系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)班人員可及時(shí)準(zhǔn)確處理故障。中控信號(hào)：將現(xiàn)場(chǎng)控制旋鈕旋到"中控"位置，中控室得到中控信號(hào)，即可合上中控觸點(diǎn)進(jìn)行中央控制。電機(jī)運(yùn)行信號(hào)，提砂信號(hào)，洗砂信號(hào)，便于中控室進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)還設(shè)有2臺(tái)閘板啟閉機(jī)，1臺(tái)PH計(jì)，2臺(tái)階梯格柵，（新開發(fā)）1臺(tái)皮帶輸送機(jī)，其控制檢測(cè)信號(hào)由MODBUS通訊傳輸?shù)街锌厥业腄eltaV系統(tǒng)，分為中控/手控方式，分別依據(jù)污水處理工藝的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。
2、一沉池自控系統(tǒng)
該系統(tǒng)共有沉淀池4座，在每個(gè)沉淀池增設(shè)4臺(tái)電動(dòng)排泥閥和1臺(tái)刮沫機(jī)。電動(dòng)排泥閥具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)和遠(yuǎn)程操作功能，反饋到上位機(jī)的信號(hào)分別為運(yùn)行，停止，手動(dòng)/自動(dòng)，開閥到位，關(guān)閥到位，閥門故障等信號(hào)。刮沫機(jī)的控制信號(hào)也同樣反饋到上位機(jī)的PLC中，主控制器按工藝要求分別對(duì)刮泥機(jī)，電動(dòng)排泥閥門按時(shí)間函數(shù)進(jìn)行控制，并將相關(guān)的反饋信號(hào)由MODBUS通訊傳輸?shù)街锌厥业腄eltaV系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。
2.3 曝氣池溶解氧與鼓風(fēng)曝氣自控系統(tǒng)
該系統(tǒng)由鼓風(fēng)曝氣裝置（鼓風(fēng)機(jī)，供風(fēng)管，曝氣管）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，溶解氧傳感器及DeltaV控制器組成。各曝氣池溶解氧含量的控制由溶解氧傳感器，控制器，綜合參數(shù)流量控制器，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成串級(jí)控制回路，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度使溶解氧保持在工藝要求的范圍之內(nèi)，鼓風(fēng)曝氣總量控制回路由溶解氧傳感器，綜合參數(shù)流量控制器和變頻調(diào)速器構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制鼓風(fēng)總量的大小，在滿足曝氣池供氧量的前提下，降低鼓風(fēng)機(jī)電耗。
對(duì)于鼓風(fēng)總量控制回路，使用綜合考慮溶解氧均值，進(jìn)水量，MLSS等工藝參數(shù)的控制算法。在鼓風(fēng)機(jī)出口沒有安裝流量計(jì)，只安裝了用來(lái)檢測(cè)鼓風(fēng)機(jī)出口壓力的現(xiàn)場(chǎng)總線型壓力變送器。因此。流量調(diào)節(jié)是按照鼓風(fēng)機(jī)的性能曲線進(jìn)行的。（附圖4）
2.4 曝氣池混合液濃度與污泥回流自控系統(tǒng)
該系統(tǒng)有4個(gè)串級(jí)控制回路組成，每個(gè)回路中包括混合液濃度傳感器和控制器，回流污泥流量傳感器和控制器以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。
在混合液濃度控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)-電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和檢測(cè)儀表-多普勒流量計(jì)均有一定的純滯后時(shí)間，對(duì)于這種控制現(xiàn)象使用常規(guī)控制效果較差，所以采用了采樣值PI控制作為串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器。活性污泥法污水處理過(guò)程是一種生化反應(yīng)過(guò)程，它對(duì)控制系統(tǒng)的要求是使混合液濃度保持在一定的范圍內(nèi)，為使回流污泥調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作不至太頻繁，混合液濃度控制系統(tǒng)的控制器采用采樣-保持式增量控制"方式，這種控制方式是模擬人工控制的方式進(jìn)行的，控制器每隔一段時(shí)間采樣檢測(cè)一次混合液濃度，將該值與前一次監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，得到在區(qū)間內(nèi)的變化量，再根據(jù)當(dāng)前混合液濃度與混合液濃度控制范圍的中值的差，計(jì)算出主控制器對(duì)從控制器的給定流量。
2.5 二沉池泥水量界面檢測(cè)及排泥控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)由泥水界面計(jì)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置和工業(yè)控制機(jī)組成。采集的二沉池泥水界面值通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊送到無(wú)線接收模塊，再通過(guò)RS--485總線傳輸?shù)街锌厥业墓I(yè)控制機(jī)，該機(jī)對(duì)泥水界面的數(shù)字信號(hào)糾錯(cuò)處理后，利用工廠控制網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)的泥水界面交給DeltaV系統(tǒng)。
排泥控制系統(tǒng)中的DeltaV系統(tǒng)，污泥回流泵變頻器，排泥電動(dòng)閥等作為系統(tǒng)的控制和執(zhí)行單元，完成對(duì)二沉池泥水界面值的控制。
2.6 污泥脫水工序自控系統(tǒng)
作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制單元，開發(fā)本系統(tǒng)的目的在于，根據(jù)污泥量，污泥濃度調(diào)節(jié)絮凝劑的投入量，使污泥脫水過(guò)程在最佳絮凝狀態(tài)下運(yùn)行，改變污泥脫水工序無(wú)計(jì)量，無(wú)檢測(cè)的人工經(jīng)驗(yàn)式的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)污泥脫水工序生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，建成運(yùn)行過(guò)程主要工藝參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)及參與實(shí)時(shí)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。
根據(jù)污泥脫水工藝流程和需要控制的設(shè)備的數(shù)量，仍以PLC做為控制計(jì)算機(jī)。控制方式分別采用手動(dòng)和自動(dòng)。
手動(dòng)運(yùn)行方式下，可按照工藝要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況及污泥和絮凝劑的反應(yīng)情況，進(jìn)行手動(dòng)操作。閥門控制器和定量控制器，也設(shè)為手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作方式，在手動(dòng)工作方式下，由面板上的按鍵直接操作。
在自動(dòng)運(yùn)行階段，關(guān)鍵是控制閥門開度和定量泵加藥量，定量泵轉(zhuǎn)速，和給泥閥的開度。但由于加藥量和閥門開度控制都有一定的延時(shí)，所以，關(guān)于給泥閥和加藥泵的控制是一個(gè)帶有滯后的多因素的非線型控制，為使控制準(zhǔn)確，需增加智能控制，選擇專家系統(tǒng)對(duì)閥門開度和定量閥進(jìn)行控制。閥門開度控制在0～100%之間，定量泵的流量控制在0～300m3/h之間，由PLC的模擬量的輸出對(duì)閥門開度和定量泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。
專家系統(tǒng)模型的基本思想是：在確定某一加藥量的前提下（即確定定量泵的轉(zhuǎn)速下）根據(jù)污泥濃度的檢測(cè)在某一濃度范圍內(nèi)，確定閥門的開度。如果在一定閥門開度的基礎(chǔ)上污泥流量偏小，可確定污泥管道或閥門有堵塞現(xiàn)象，這時(shí)可把閥門開到100%，用中間罐的污泥進(jìn)行沖洗，處理完堵塞問題后，再把閥門開到相應(yīng)的度數(shù)。通過(guò)控制柜面板上的顯示儀表，可以對(duì)閥門開度進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)對(duì)加藥量也可以調(diào)整。在另一加藥量的前提下，同樣可利用專家系統(tǒng)在某一污泥濃度下對(duì)閥門開度自動(dòng)調(diào)節(jié)。
在全廠整個(gè)控制系統(tǒng)中沒有考慮中控室對(duì)污泥脫水單元工序進(jìn)行控制，只設(shè)置了該單元與DeltaV系統(tǒng)的通訊方式，使中控室操作人員對(duì)污泥脫水單元運(yùn)行情況能夠掌握。
3　故障診斷專家系統(tǒng)
本系統(tǒng)針對(duì)污水處理工藝這樣的物理和生化變化為主的診斷對(duì)象，故障發(fā)生的特點(diǎn)，提出了面向工藝故障診斷的總體方案。
由于污水處理是一個(gè)較為緩慢的物理和生化變化為主的工藝控制過(guò)程，產(chǎn)生的故障絕大部分是參數(shù)性故障，而且污水處理工藝運(yùn)行過(guò)程屬于少品種大量連續(xù)生產(chǎn)類型，生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的，物流和能量流持續(xù)不斷進(jìn)行，工序先后次序緊湊嚴(yán)格，工藝流程基本不變，緩沖余地小生產(chǎn)均衡平穩(wěn)，并伴隨著一系列物理生化變化，整個(gè)過(guò)程又存在著突變性和不確定性因素，對(duì)管理，控制的協(xié)調(diào)性，實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高，設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境比較復(fù)雜，故障停車損失大，往往故障的發(fā)生是以連鎖的形式出現(xiàn)的，這樣故障停車造成的損失巨大，因此故障診斷是確保安全運(yùn)行的必要手段。
根據(jù)污水處理工藝的故障診斷特點(diǎn)，提出了一個(gè)檢測(cè)診斷和決策支持的系統(tǒng)。
故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其體系結(jié)構(gòu)分為工廠級(jí)、車間級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備聯(lián)機(jī)控制，通訊聯(lián)網(wǎng)，在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)等功能。在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的I/O連線或現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)將傳送到控制器的在線數(shù)據(jù)再通過(guò)預(yù)訂的協(xié)議傳送到上位機(jī)，并存儲(chǔ)在數(shù)<