污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)改造工程與實(shí)效評(píng)價(jià)
——云南景洪污水處理廠實(shí)例

韓詠梅 楊增華

（1.昆明維恒升自控技術(shù)有限公司，云南 昆明 650105；2.昆明科瑞琦科技有限公司，云南 昆明 650105）

0 引言

云南水務(wù)投資股份有限公司下屬的云南景洪江南污水處理廠，廠區(qū)地處熱帶地區(qū)，高溫多雨的特殊氣候條件，鼠患、蟲患情況較為嚴(yán)重。原設(shè)計(jì)對(duì)熱帶地區(qū)特殊情況考慮不周全，沒有設(shè)計(jì)專項(xiàng)設(shè)備保護(hù)措施，加之運(yùn)行中維護(hù)保養(yǎng)不到位，導(dǎo)致設(shè)備生銹，老鼠啃咬電纜破裂短路，部分電路板爬滿昆蟲，設(shè)備故障非常頻繁。廠區(qū)自控系統(tǒng)分二期建設(shè)，建成時(shí)間較早，由于故障多發(fā)，已基本處于停運(yùn)狀態(tài)。為了保證污水處理廠的正常運(yùn)行，提高污水處理廠的運(yùn)維管理水平，節(jié)能增效，需要進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)改造。

1 云南景洪江南污水處理廠自控系統(tǒng)情況

云南景洪江南污水處理廠是早期建成的污水處理廠，設(shè)計(jì)日處理量5 萬t。主工藝采用CASS 生化處理。該污水處理廠分二期建設(shè)，建成投產(chǎn)數(shù)十年?，F(xiàn)在部分設(shè)備和線路老化，經(jīng)常出現(xiàn)故障；一期、二期建設(shè)的自控系統(tǒng)分開設(shè)置，缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，控制范圍覆蓋不全，控制功能不完善，數(shù)據(jù)讀取不全，運(yùn)行管理較亂，不能達(dá)到環(huán)保督查要求，急需進(jìn)行提標(biāo)改造。在改造實(shí)施前，全面摸底檢查污水處理廠自控系統(tǒng)情況。PLC 為西門子品牌，有S7-200、S7-300、S7-400多種系列。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是星型網(wǎng)絡(luò)連接，各PLC 主站通過光纖連接到中控室交換機(jī)，中控室計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)與各PLC 主站連接。PLC 主站與子站之間，采用Profibus DP 總線連接。一期建設(shè)的自控系統(tǒng)控制站包括主站PLC1（S7-300），子站PLC11（S7-300）、PLC12（S7-200）、PLC13（S7-200），由一臺(tái)中控室計(jì)算機(jī)控制。二期建設(shè)的自控系統(tǒng)控制站包括主站PLC2（S7-400），子站PLC21（S7-300）、PLC22（S7-300）、P23LC（S7-200）；主站PLC3（S7-300），由1 臺(tái)中控室計(jì)算機(jī)控制，配一臺(tái)報(bào)表計(jì)算機(jī)。由于一期和二期自控系統(tǒng)相互獨(dú)立，現(xiàn)場設(shè)備和線路故障多；操作人員基本憑經(jīng)驗(yàn)現(xiàn)場手動(dòng)操作。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集不全，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；設(shè)備無法遠(yuǎn)程控制，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)沒有監(jiān)控；報(bào)表計(jì)算機(jī)停用。這些情況，影響了該污水處理廠的運(yùn)行效率，管理工作困難較多。改造目標(biāo)是將分期建設(shè)的自控系統(tǒng)整合成一個(gè)系統(tǒng)，消除現(xiàn)場故障，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，消除暴雨期間人員現(xiàn)場操作；通過設(shè)置合理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)污水處理廠自動(dòng)運(yùn)行，提高全廠的運(yùn)行管理水平。

2 自控系統(tǒng)改造總體方案

通過現(xiàn)場考察和協(xié)商，針對(duì)現(xiàn)場存在的問題，兼顧節(jié)約改造費(fèi)用，確定了自動(dòng)化改造的總體方案：不改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場控制站的進(jìn)線結(jié)構(gòu)；邊生產(chǎn)邊改造，不因改造停產(chǎn)[1]；更換、維修老化故障設(shè)備；室外控制箱增加防雨棚，或換室外為不銹鋼箱；用防火泥封堵線槽和控制柜底，防止老鼠進(jìn)入；用玻璃膠封堵室內(nèi)自控設(shè)備小孔，防止昆蟲進(jìn)入；修理PLC 柜散熱風(fēng)扇，保證散熱；增加新的數(shù)采控制設(shè)備，完善數(shù)據(jù)采集和控制功能；修改程序，重做監(jiān)控畫面，新建報(bào)表趨勢圖；建立全廠統(tǒng)一監(jiān)測和控制系統(tǒng)，中控室2 臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)置為冗余，互為熱備；報(bào)表計(jì)算機(jī)，顯示一期、二期的全部數(shù)據(jù)報(bào)表；實(shí)現(xiàn)全廠自動(dòng)化運(yùn)行。

2.1 自動(dòng)化系統(tǒng)改造內(nèi)容

2.1.1 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定

原自控系統(tǒng)通信經(jīng)常中斷。經(jīng)過檢查診斷，確認(rèn)通信光纖沒有損壞，現(xiàn)場PLC1 柜內(nèi)交換機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，其尾纖插頭連接不穩(wěn)；中控室交換機(jī)經(jīng)常死機(jī)。找到故障點(diǎn)后，更換有問題的交換機(jī)，重新穩(wěn)定連接尾纖插頭，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信正常。

2.1.2 完善數(shù)據(jù)采集

2.1.2.1 主要設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取和控制

2.1.2.1.1 5臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，5臺(tái)提升泵

在配電柜中增加電流互感器和電流變送器，設(shè)備的電流值通過PLC 讀取，上傳計(jì)算機(jī)顯示；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，PLC讀取并上傳計(jì)算機(jī)；由PLC 通過程序計(jì)算，獲得這10 臺(tái)設(shè)備的單次運(yùn)行時(shí)間、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，在計(jì)算機(jī)上顯示，并依據(jù)設(shè)定，控制均衡設(shè)備運(yùn)行時(shí)間；設(shè)備配套的10 臺(tái)變頻器，其頻率給定值和反饋值，能準(zhǔn)確上傳下達(dá)。

2.1.2.1.2 2臺(tái)污泥脫水機(jī)

在控制柜中增加電流互感器和電流變送器，把設(shè)備的電流值上傳中控計(jì)算機(jī)；PLC 讀取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)值，通過程序計(jì)算，在中控計(jì)算機(jī)顯示單次運(yùn)行時(shí)間、累積運(yùn)行時(shí)間。

2.1.2.1.3 紫外線消毒設(shè)備

在控制柜中增加一塊西門子CP243-1 以太網(wǎng)通信模塊，使其與主站通信，在中控計(jì)算機(jī)顯示消毒設(shè)備狀態(tài)及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

2.1.2.2 主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)讀取

增加7 臺(tái)進(jìn)、出水流量計(jì)的中控計(jì)算機(jī)累積流量顯示。原來PLC 讀取瞬時(shí)流量，再經(jīng)過程序計(jì)算得到流量累計(jì)值，每0.1s 讀取一次瞬時(shí)流量，隨著時(shí)間不斷累加，得到流量累計(jì)值，但是0.1s 時(shí)間不夠精確，造成中控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場儀表累計(jì)流量值顯示差異較大?，F(xiàn)改用儀表脈沖信號(hào)輸入PLC，儀表每10m3流量累計(jì)值發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)給PLC，程序進(jìn)行累積計(jì)算，得到的流量累計(jì)值與現(xiàn)場儀表顯示值相同。重新施放脈沖信號(hào)電纜，調(diào)校儀表，在中控計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確顯示每臺(tái)流量計(jì)的瞬時(shí)和累計(jì)流量，突出顯示全廠總進(jìn)水流量和出水流量。

2.1.3 恢復(fù)設(shè)備遠(yuǎn)程操控功能

現(xiàn)場設(shè)備不能在中控計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操控，操作人員需要到現(xiàn)場手動(dòng)。在PLC 上對(duì)故障點(diǎn)位一一核對(duì)，對(duì)全廠有故障的電動(dòng)閥、水泵、攪拌器、風(fēng)機(jī)，逐一進(jìn)行線路檢查，更換破損電纜；檢查現(xiàn)場電控箱，更換故障元件，箱內(nèi)重新布線；現(xiàn)場故障點(diǎn)問題排除后，修改上下位程序，重新調(diào)試，實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場手動(dòng)操作功能保留。重點(diǎn)核對(duì)了脫水機(jī)房PLC 控制站點(diǎn)位，對(duì)于缺失的狀態(tài)反饋和控制輸出點(diǎn)，施放電纜，接入PLC 備用通道，再進(jìn)行組態(tài)、編程，實(shí)現(xiàn)脫水機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1.4 恢復(fù)CASS生化池自動(dòng)控制功能

CASS 生化池的正常運(yùn)行，是污水處理廠處理污水的關(guān)鍵，是本次自動(dòng)化改造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。主要做了以下幾個(gè)部分的修復(fù)。

2.1.4.1 潷水器不平衡修復(fù)

每套潷水設(shè)備帶二個(gè)潷水器，二者不平衡。潷水器下降潷水時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)已經(jīng)在潷水，另一個(gè)還沒有接觸水面，機(jī)械連接部分受力不均易損壞，出水帶渣，潷水速度慢。需操作人員到現(xiàn)場，人工操作潷水器下降潷水，潷水器不能投入自動(dòng)運(yùn)行。廠方請(qǐng)專業(yè)公司重做潷水器連接桿，調(diào)整連接桿長度，修復(fù)了潷水器不平衡問題。潷水器不平衡原來情況，如圖1 所示。

圖1 潷水器不平衡

2.1.4.2 CASS生化池液位計(jì)校準(zhǔn)

CASS 生化池液位值，是自動(dòng)啟動(dòng)、停止?jié)鞯倪\(yùn)行重要條件。水池液位檢測不準(zhǔn)，無法準(zhǔn)確判斷潷水器距離水面高度，潷水器就不能投入自動(dòng)運(yùn)行。原來靠操作人員經(jīng)驗(yàn)判斷，人工啟動(dòng)、停止?jié)?。逐一校?zhǔn)了各CASS 生化池的超聲波液位計(jì)。

2.1.4.3 修復(fù)潷水器現(xiàn)場控制箱和配套元件

潷水器現(xiàn)場控制箱，元件和線路老化，以前維修時(shí)，為了排除故障，多次改線，箱內(nèi)線路混亂，連接不穩(wěn)，潷水器的操控經(jīng)常失效。潷水器上、下行程開關(guān)失效。行程開關(guān)是重要的物理保護(hù)裝置，可以避免潷水器上、下行程超過限位，發(fā)生潷水器拉脫或沖頂事故。潷水器現(xiàn)場控制箱原來情況，如圖2 所示。更換故障箱內(nèi)電氣元件；更換潷水器上、下行程開關(guān)；重新整理和布線現(xiàn)場控制箱。

圖2 潷水器現(xiàn)場控制箱線路混亂

2.1.4.4 恢復(fù)CASS生化池公用設(shè)備控制

原來系統(tǒng)中1#～5#鼓風(fēng)機(jī)，對(duì)應(yīng)為1#～8#CASS 生化池進(jìn)行曝氣提供氣源。這些鼓風(fēng)機(jī)一直運(yùn)行，靠進(jìn)氣閥的切換，對(duì)各CASS 生化池分別曝氣。當(dāng)進(jìn)氣閥無法控制，將出現(xiàn)曝氣失控，出現(xiàn)有的CASS 生化池曝氣階段不能曝氣，而有的在靜置階段有空氣進(jìn)入，導(dǎo)致CASS 生化池不能正常運(yùn)行。排除鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣閥的控制故障，更換損壞的接觸器輔助觸點(diǎn)，閥門開關(guān)到位行程開關(guān)，保證閥門的有效控制。

2.1.4.5 CASS生化池自動(dòng)運(yùn)行

據(jù)工藝設(shè)計(jì)，每個(gè)CASS 生化池的運(yùn)行周期有時(shí)間限制，曝氣時(shí)間、潷水時(shí)間都有相應(yīng)要求。如果生化池液位低于設(shè)定高度，潷水器開始下降潷水，則潷水器下降空行程過長，需較長時(shí)間潷水器才能接觸到水面，按潷水行程時(shí)間規(guī)定，潷水器在水面停留時(shí)間較短，出水量會(huì)減少，污水處理量降低。如果生化池液位超過設(shè)定高度，潷水器下降潷水，則潷水器過早接觸水面，為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成潷水行程，潷水器會(huì)淹沒在水下，機(jī)械連接部分承受增加更多阻力，易損壞，且出水帶渣，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)。與操作人員充分溝通后，重新編制程序。將CASS 生化池上的超聲波液位計(jì)信號(hào)作為控制條件，高液位啟動(dòng)潷水器，控制潷水器的下行速度，空行程快速下行，潷水時(shí)較慢速度下行；低液位停機(jī)，當(dāng)潷水到低液位時(shí)，潷水器停止下行，停留至設(shè)定時(shí)間后，自動(dòng)上行返回。連接現(xiàn)場行程開關(guān)，作為潷水器硬聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，做軟聯(lián)鎖保護(hù)，程序設(shè)置增加高高、低低液位聯(lián)鎖停機(jī)，軟件、硬件雙保險(xiǎn)聯(lián)鎖控制，確保潷水器運(yùn)行安全。鼓風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣閥、污泥回流泵，全部參與CASS 生化池系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。根據(jù)八個(gè)水池的設(shè)備情況，設(shè)置不同的運(yùn)行時(shí)間和參數(shù)，分別聯(lián)機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。污水處理廠最重要的CASS生化處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行。

2.1.5 恢復(fù)進(jìn)水系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行

該廠有5 臺(tái)進(jìn)水提升泵，3 臺(tái)大功率泵，2 臺(tái)小功率泵。原來全部由人工操作控制進(jìn)水量，操作人員根據(jù)現(xiàn)場視頻圖像，觀察進(jìn)水水池液位，憑經(jīng)驗(yàn)啟、停止提升泵。修復(fù)了進(jìn)水水池液位計(jì)，在中控計(jì)算機(jī)顯示液位，重新編制程序。高液位啟動(dòng)大功率進(jìn)水泵，運(yùn)行一段時(shí)間后，出水量小，水池液位下降不能達(dá)到設(shè)定值，再依次啟動(dòng)其他小功率水泵。液位降到設(shè)定低位，依次停泵。5 臺(tái)水泵，可單獨(dú)人工啟、停，也可以全自動(dòng)運(yùn)行。水泵各自有運(yùn)行累計(jì)時(shí)間，先啟動(dòng)的泵，先停止運(yùn)行，水泵均衡運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。

2.1.6 恢復(fù)粗、細(xì)格柵系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行

排除現(xiàn)場故障，恢復(fù)粗、細(xì)格柵遠(yuǎn)程手動(dòng)的功能；增加皮帶運(yùn)輸機(jī)與粗、細(xì)格柵聯(lián)鎖；以格柵前后液位差為條件，液位差達(dá)到設(shè)定高值，格柵機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，據(jù)設(shè)定時(shí)間，皮帶運(yùn)輸機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)送垃圾到收集桶。液位差值到設(shè)定低值，格柵機(jī)停止運(yùn)行，據(jù)設(shè)定時(shí)間，皮帶運(yùn)輸機(jī)延后停止運(yùn)行，保證皮帶機(jī)上沒有垃圾堆積。實(shí)現(xiàn)了格柵系統(tǒng)自動(dòng)控制運(yùn)行。

2.1.7 完善中控室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中控室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，做成全廠統(tǒng)一的控制中心。全廠一期、二期的PLC，全部通過中控室的交換機(jī)，與中控室計(jì)算機(jī)通信。原有的3 臺(tái)計(jì)算機(jī)，其中2 臺(tái)做成冗余，互為備用，監(jiān)控功能相同；另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)，作為數(shù)據(jù)報(bào)表顯示監(jiān)測使用。重做上位計(jì)算機(jī)操控監(jiān)測畫面，顯示水質(zhì)參數(shù)、工藝過程參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；設(shè)置監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警界面；設(shè)置人性化的操作界面，操作人員可以根據(jù)工藝運(yùn)行情況，遠(yuǎn)程操控設(shè)備，也可在參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行。重新制作組態(tài)的工藝流程圖、上位監(jiān)控界面、操作界面。改造后自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。本次改造完成后，幫助廠方消除了一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患，原來自控系統(tǒng)不能正常使用，操作人員需到現(xiàn)場操作。景洪屬熱帶氣候，時(shí)常暴雨傾盆，操作人員到CASS生化池走道上操作設(shè)備，有滑倒落水的危險(xiǎn)，也有雷擊的危險(xiǎn)，現(xiàn)在只需在中控室計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作即可。改造完成后，協(xié)助廠方制定了操作維護(hù)規(guī)程，對(duì)全體人員做了技術(shù)和安全培訓(xùn)。

圖3 自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 自動(dòng)化系統(tǒng)改造經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

景洪江南污水處理廠建成時(shí)間較早，項(xiàng)目分期建成，中間經(jīng)過多次改造，設(shè)備線路老化，資料圖紙不全，電纜管線走向不清，設(shè)備品牌多樣。這是一次非常艱難的改造，憑借多年的污水處理廠工程經(jīng)驗(yàn)，克服困難，一步步解決了問題。

3.1 綜合改造經(jīng)驗(yàn)

前期充分調(diào)查，確定適用的方案，改造實(shí)施中不斷調(diào)整，是改造成功的關(guān)鍵。1）了解熟悉廠區(qū)設(shè)備情況，網(wǎng)上查找設(shè)備圖紙資料，向原設(shè)備供應(yīng)商索取資料，分析故障原因，確定解決方案[2]。2）與廠方技術(shù)人員充分溝通，了解設(shè)備運(yùn)行情況，該廠工藝運(yùn)行特點(diǎn)，確定程序修改方案。3）與廠方操作人員交流，了解操作流程，操作習(xí)慣，確定操作界面和畫面顯示方案。4）與廠方管理人員交流，了解運(yùn)營需求，設(shè)置合理報(bào)表顯示，設(shè)定運(yùn)行維護(hù)規(guī)程。5）根據(jù)熱帶地區(qū)特點(diǎn)，防鼠、防蟲、防潮濕、防高溫，采取封堵、散熱、防銹處理。

3.2 上位計(jì)算機(jī)程序修改方面經(jīng)驗(yàn)

充分了解廠方需求，了解工藝運(yùn)行規(guī)律，熟練運(yùn)用上位軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控目標(biāo)。1）上位運(yùn)行畫面中，要調(diào)用項(xiàng)目外的另外一個(gè)程序，用ProgramExecute 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)較方便。2）組態(tài)王中建立進(jìn)、出水水質(zhì)日?qǐng)?bào)表，以分鐘為單位定時(shí)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)[3]。日?qǐng)?bào)表每小時(shí)填充一次數(shù)值，把分鐘單位記錄的歷史數(shù)據(jù)，用GetHistAveData 取平均值得到填入，日?qǐng)?bào)表數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。3）報(bào)表查詢數(shù)據(jù)時(shí)需用到標(biāo)準(zhǔn)日歷控件Microsoft Date and Time Picker Control 6.0，再用控件屬性CloseUp1 在命令語言編輯框中編寫腳本程序?qū)x擇的日期進(jìn)行處理[4]。4）組態(tài)王建立報(bào)表時(shí)，要注意判斷查詢時(shí)間，等于和小于當(dāng)前時(shí)間2 種情況，避免出現(xiàn)查詢報(bào)表時(shí)未到的日期出現(xiàn)數(shù)據(jù)的情況。

4 結(jié)語

經(jīng)過3 個(gè)月的艱苦工作，綜合應(yīng)用電氣、儀表、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)軟件等專業(yè)知識(shí)，根據(jù)長期的污水處理廠工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合廠方的運(yùn)行管理需求，分析廠方日常操作運(yùn)行記錄，按照設(shè)定的改造原則、改造目標(biāo)，在實(shí)施中，根據(jù)不斷出現(xiàn)的新問題，及時(shí)調(diào)整方案，改造過程精細(xì)管理，現(xiàn)場施工人員與公司后方支持協(xié)調(diào)運(yùn)作，改造工作與生產(chǎn)同步進(jìn)行，按廠方生產(chǎn)安排，合理安排停機(jī)、改造、調(diào)試時(shí)間。

自動(dòng)化改造順利完成，該污水處理廠實(shí)現(xiàn)了自控系統(tǒng)集中統(tǒng)一監(jiān)控運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，改造達(dá)到了預(yù)期效果。