污水处理厂自控系统改造方案

PAGE..自动化改造方案项目名称xxx污水处理厂控制系统升级改造方案周飞一、前言

随着科技水平的不断发展和提高，采用计算机系统对生产的管理越来越深入到各行各业的应用之中。因此，采用计算机为核心建立一个对污水厂进行全面管理的自动化控制系统，不但切实可行，而且能够全面提升企业的管理水平和生产效率，从而提高企业的生产效益。污水处理厂工程监控系统包括了对厂区内部整个污水处理工艺流程的监测和控制。在整个生产厂区内，包括了粗格栅间、污水提升泵房、细格栅间、沉砂池、生化池、沉淀池、回流及剩余污泥泵房、贮泥池、污泥浓缩脱水间、出水流量计井、紫外消毒渠以及总变配电室等，通过本监控系统能够对这些过程进行全面监测和控制；同时，通过本监控系统，使得这些控制既能够通过监控中心进行，还能够采用闭环控制方式进行。二、简介三、系统综述1、项目概述xxx污水处理厂控制系统由中央控制室操作站、现场控制站和闭路视频监控组成，用于该厂的过程控制和全厂监控管理，采用集散型控制结构。由于现系统部分功能不能实现，部分功能需要加强。其中中控部分监测数据与中控室数据不匹配，上位机组态软件对监控数据的历史曲线、实时曲线部分显示不正常(曲线根本就没有，有30多组需要显示曲线)；自控部份信号不正常；部分视频监控不能正常显示等。现在系统需要全面升级，修复原有问题。2、原系统存在问题汇总（1）、自控部分a、D型滤池PLC触摸屏显示缺少出水流量显示，多了一个液位显示b、脱泥机房1#2#加药机运行信号相反，需要进行互换恢复c、进水流量计无计量故障恢复（2）、中控部分a、出水在线监测数据（流量、COD、TP、TN、NH3-N）与中控数据不匹配（只有出水监测数据，且不准，进水数据需要重新做）b、进水在线目前中控无程序c、生化池仪表（DO、MLSS）现场与中控数据不匹配d、上位机组态软件中历史曲线与时实曲线部分显示不正常e、目前数据不能发送到昆明监测网上（3）、监控部分a、大部分监控已经无法正常显示、少部分摄像头已经拆除（4）、其它a、系统布线，没有强弱电分开，造成信号干扰严重b、系统慢c、风机需要工作人员到现场调节挡风板，噪音大，能源浪费3、原系统组成从系统功能方面看，本污水厂计算机监控系统由三层构成：管理计算机子系统、监控计算机子系统、现场控制站。管理计算机子系统、监控计算机子系统属于上级系统，通过以太网相连，监控计算机子系统、现场控制站通过工业以太网进行数据交换，而现场控制站属于下级系统。原中控系统采用计算机＋PLC方式构成的分布式控制系统，设1个中央控制室，3个监控主站，18路视频监控。采用一个二级管理的计算机监控系统，其上级系统位于中控室，用于对全厂的所有站点设备进行监控；下级系统位于3个PLC站点，通过以太网实现上下级数据交换；上下级均可通过网络对系统内的设备进行监测和控制；下级系统只能对本地站点设备进行监控，采用威纶触摸屏实现人机信息互换；而上级系统可以对所有站点设备进行监制。系统网络由工业以太网组成，环型拓扑结构，通讯介质为多模光纤，两台计算机，设在中控室内。中控计算机采用西门子wincc组态软件实现整个系统的监控，PLC采用西门子s7300系列产品。组成如下图：图1.1系统组成四、解决方案根据我们在污水处理厂自控系统改造方面的经验以及该项目技术文件中的描述，我们将改造工程分为两部分：原来系统问题修复和系统升级优化改造。原系统问题修复改造在升级现有系统的同时保持原有功能，完善原来系统遗留问题。系统升级改造目的在于提升数据采集、自动报表、设备管理、数据管理和成本管理等功能，提高污水处理厂的管理运行效率，使系统自动化程度更高，切实实现节能降耗的目的。综合解决目前系统中存在的问题。为方式使用习惯，最终中控系统画面基于原来画面进行修改增补。1、原系统问题修复（1）问题：D型滤池PLC触摸屏显示两个调节池液位，少了出水流量。问题分析：在流量计正常，接线正常的前提下，此类情况原因是程序内部流量采集异常，数据地址分配不正确。解决方法：检查流量计是否完好，在流量计完好的前提下重新做触摸屏程序，重新分配数据地址，如果流量数据采集不正常，需要重新修改PLC程序，必要时更换流量计。（2）问题：脱泥机房1#2#加药机运行信号相反。问题分析：plcDO点接线相反或plc程序内部运行指令相反。解决方法：检查plc接线，如果plc接线正确，修改plc内部程序。（3）问题：进水流量计无计量故障恢复。问题分析：确认流量计故障恢复方式，是自恢复还是通过plc信号给定恢复，还是程序内部检测故障确认恢复。解决方法：如果为plc信号给定恢复方式，或者程序做的故障检测，则需要重新做plc程序。（4）问题：出水在线监测数据（流量、COD、TP、TN、NH3-N）与中控数据不匹配；生化池仪表（主要为DO、MLSS）现场与中控数据不匹配。问题分析：出现此种问题，原因是多方面的，干扰问题，程序问题，仪表自身问题，接线问题都有可能造成以上故障。现系统采用以太网进行数据传输，以太网抗干扰性能较强，数据传输受干扰可能性不大。仪表显示数据和采集到数据不匹配，多出现在程序对信号的处理不正确，如信号的转换，滤波的处理等，其次是仪表到plc模块的信号线存在干扰问题。解决方法：首先对系统现在存在的强弱电走线不分情况进行纠正，进行重新布线，将干扰降到最低。检测仪表信号输出信号是否正常，仪表输出信号类型和plc模块信号类型是否匹配，如果都正常，问题就出在程序对信号的处理问题上，需对程序进行修改。（5）问题：中控室上位机组态软件历史曲线、实时曲线部分无法正常显示等。问题分析：历史曲线，实时曲线为组态软件内部的一类通用控件，此问题纯为系统组态程序问题，系统最初就没有做好。解决方法：中控室软件是整体的，并且没有源代码，无法对原来的程序做修改，只能重新组态中控室监控软件。（6）问题：需要具备与环保部门联网传输的接口；新增网络查询系统，实现厂领导随时随地地查询设备运行情况；问题分析：这几项问题都是中控上位软件的问题，虽然上位机目前采用Wincc组态软件，有网络访问功能，但是现在没有应用此功能。解决方法：更换该软件，采用在国内应用较为广泛组态王软件。该软件具有良好的扩展性，支持国内大部分工控产品的驱动程序，具有开放的接口，便于与环保联网，支持冗余热备功能。（7）问题：现场存在多个视频通道无信号无法使用的情况，部分摄像头已经拆除解决：对原有系统要进行全面检查，包括线路通断测试、防雷系统检验等，更换摄像头，恢复系统。（8）问题：系统运行缓慢问题分析：机器硬件老化，系统配置低等原因解决方法：系统运行慢问题单独从系统和软件进行优化比较有局限，运行速度提升小，本方案暂时不考虑更换工控机，继续沿用原来的，在系统和软件上面进行优化。但是如果不升级硬件系统，速度的提升非常有限，甚至无法提升。2、系统节能升级改造由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%～60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和阀门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%～30%，它们的节能就具有非常重要的意义。污水处理厂的设备是全天候运转的，而且曝气机和提升泵是污水处理的核心设备，对曝气机的鼓风机和提升泵进行节能改造，有很大的节能空间。(1)、鼓风机变频节能改造鼓风机将压缩空气通过管道送入曝气池，让空气中的氧溶解在污水中供给活性污泥中的微生物。鼓风机在正常状态下起动时，电流冲击较大，容易引起电网电压波动，而鼓风机风压一定，风量只能靠工作台数及出气挡板来调节，实际生产运行中往往是通过调节挡板来控制，即增加管道阻力。因而许多能量多浪费在挡板阀门上。随着节能设备的广泛应用，利用节能设备调速范围宽，机械特性硬等特点，在风机上应用，变频启动功能大大的减小了电机起动时对电网的冲击，而且在正常运行的时候，将出挡板门开到最大，根据工艺和参数的要求，适当的调节（通过控制系统的电位器）电机的转速来调节管道的风量，从而来调节污水中的氧气含量。可以实现在中控室远程调节电机转速，达到调节风量的目的，而且可以根据溶解氧传感器反馈的信号很方便的实现闭环自动控制。免去了许多繁琐的人工操作，并且具有明显的节电效果，以下是风机的节电率统计。用两台节能设备控制两台风机，其中一用一备，电机的功率P=55KW，设计风量为Q。空载损耗为10%，转速1250转/分。若风机正常在970转/分以下连续可调，污水处理每天所需的供风量为1.5Q。a、一台正常运行，一台节能设备运行；则全速P0=（55-55*10%）=49.5KWP1=55KWP2=5.5+49.5*（50%）3=11.7KW总消耗的功率为67KWb、两台节能设备运行时每台的平均供风量为75%Q；P1+P2=5.5+（75%）3*49.5=26.4KW总消耗的功率为52.8KW可见两台风机全投入节能设备运行时效果最好。假定每月工30天，每天工作24小时，按每度0.7元计，则方案二可以节省电费5000元左右。（2）、提升泵变频节能改造提升泵起动时的电流冲击及调节压力/流量的方式与鼓风机相似。潜水泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动/停止时需开启/关闭阀门来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜水泵安装节能设备以后，可以根据工艺的需要，使电机软启/软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且节能设备的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。而且可以根据液位传感器反馈的信号很方便的实现闭环自动控制，维持水的液位基本恒定，免去了许多繁琐的人工操作，并且具有明显的节电效果。3、自动化升级改造（1）、自动化系统实现的以下基本功能：a、具有实时监测全厂的生产过程参数（如流量、液位等）、水质参数（如PH值、COD、TP、DO等）、电量参数（如电流、电压、功率因数、有功电度、无功电度等），并对其进行采集、处理、储存、显示和打印；实时监测全厂主要设备的运行状态（如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等），并对其信号进行采集显示。对污水厂重要设备（如提升泵、鼓风机、阀门等）的开/关次数和运行时间进行累计并生成设备管理报表，使用户能够科学合理的安排生产设备检修时间。b、全自动控制现场设备（如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等）。c、在中控室可以实现对全厂设备和仪器仪表的监测和控制。d、上位机采用全中文操作界面。界面友好美观，操作简便易学，响应迅速，可以实现实时动态显示过程参数、水质参数、电气参数的趋势图；可以动态显示全厂生产工艺流程图和各工艺单元流程图，并且可以在流程图上选择弹出多级细部详图。具有自动生成各种生产统计报表。e、具有自动进行越限报警和设备故障报警，并可根据相应的报警数据进行分析。具有故障追忆功能，能够自动记录系统或某台设备故障前和故障过程中的状态信息。f、本自控系统具有以下三种控制方式手动模式：通过就地控制箱或MCC上的按钮实现对设备的启停操作，这种操作模式主要在单机调试、单机检修或非正常情况下常用。遥控模式：操作人员通过操作面板或中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘来控制现场设备，也称为“半自动控制”，主要是指操作人员通过对受控对象（系统或过程）的某一环节或设备进行简单的参数设定或发出控制指令，这一环节或设备即按照控制要求执行控制，操作人员只需查看其状态以及有无报警显示等。如鼓风机远程风量调整、提升泵房的一步化控制等。根据操作人员是否在受控系统或过程的现场来看，半自动控制有远程（通过中央控制室操作员站上实现）和就地（通过PLC控制柜上的人机界面触摸屏上实现）两种操作方式。自动方式：也称为“全自动控制”，主要是指操作人员通过对受控对象（系统或过程）的关键运行参数进行简单的设定或发出控制指令，系统或过程即按照要求进行闭环自动控制，操作人员只需观察系统或过程的状态以及有无报警显示等。三种方式的控制级别由高到低为：手动控制、遥控控制、自动控制。（2）各站点功能分布a、1#PLC预处理控制站本单元应实现以下一些主要功能：1）、根据粗格栅运行时间周期控制格栅机的启停；粗格栅属于拦污设备，安装在泵站污水池的进口出，其主要作用是去除污水中较大的悬浮或漂浮物，以减轻后续污水处理负荷，并起到保护水泵、管道、仪表等作用。粗格栅的运行是通过定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）粗格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；并检测格栅前的液位，设置上限报警。经粗格栅拦截下来得悬浮物或漂浮物由除污耙把它们清除至螺旋输送机将其运走。在控制上螺旋输送机与粗格栅联动，即粗格栅先动作然后螺旋输送机延时启动，粗格栅先停止然后螺旋输送机延时停机。2）、根据细格栅前后液位差和时间周期控制细格栅机的启停；由污水提升泵房输送过来的污水在细格栅间进行进一步的处理，通过细格栅去除可能堵塞水泵机组以及管道阀门的较粗大的悬浮物，为后续级提供较为理想的污水水质。细格栅的运行是通过两种方式的结合来控制完成的。第一种是定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）细格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；第二种是液位差（也叫水头损失）控制，通过液位差计对细格栅前后液位的测量，一般当液位差达到0.2m时启动细格栅，而当液位差小于0.1m时停止运行细格栅，并设置上限报警。液位差控制的优先级大于时间控制的优先级。经细格栅拦截下来得悬浮物或漂浮物由除污耙把它们清除至螺旋输送机将其运走。在控制上螺旋输送机与细格栅联动，即细格栅先动作然后螺旋输送机延时启动，细格栅先停止然后螺旋输送机延时停机。3）、实现对旋流沉砂池的控制；污水经过细格栅作处理后按池体正切方向进入池内，沿池内壁流动后砂粒沿池体下部斜面滑向积砂斗，因污水中砂粒数量、有机物、无机物数量是变量，所以池中设置了搅拌装置，使砂水分离，粗而重的矿物砂粒下沉至积砂斗，细而轻的颗粒随出水悬浮带出，出水至反应沉淀池。为排出积砂斗中的沉砂，池中设置了空气提升泵（由空气压缩机提供气源）。为防止积砂压实，使已沉降的部分细而轻的颗粒重新悬浮起来，回到污水中去，在排砂前采用压缩空气通过空气冲洗装置定时气冲积砂斗。由积砂斗排出的砂经砂水分离器将颗粒分选出来，余水和有机物回流至污水集水池。冲洗排砂自控运行（通过对PLC编程实现）要求：①按时间顺序自动冲砂1次，排砂1次，时间可设定；②砂水分离器与沉砂池排砂连动工作，砂水分离器延时停机（延时时间可设定）；比式沉砂池排砂周期约30分钟（可设定），电动三通切换阀先切换到松砂管路开2分钟（可设定），再转换到排砂管路开3分钟（可设定），然后关掉三通阀，开启螺旋砂水分离器10分钟（可设定）后关闭螺旋砂水分离器。过15分钟（可设定），进入下一个排砂周期。4）、实现对回收水泵的控制；全厂生活污水及沉砂池及生物池回流污水流至回收水池，根据液位信号控制回收水泵的启停，回收水泵把这些污水送至粗格栅前。5）、反应沉淀池；预处理后的污水经配水井流至超细格栅作进一步的处理，通过超细格栅去除较细的悬浮物，为絮凝沉淀提供较为理想的污水水质。超细格栅的运行是通过两种方式的结合来控制完成的。第一种是定时控制，比如每隔30分钟（可以设定）细格栅运行5分钟，间隔时间和运行时间均可调；第二种是液位差（也叫水头损失）控制，通过液位差计对细格栅前后液位的测量，一般当液位差达到0.2m时启动细格栅，而当液位差小于0.1m时停止运行细格栅，并设置上限报警。液位差控制的优先级大于时间控制的优先级。絮凝沉淀反应池主要作用是使污水的胶体悬浮物絮凝，经过沉淀形成污泥排至污泥处理系统。在絮凝沉淀反应池入水口设有搅拌机，它使污水与絮凝充分混合达到良好的絮凝效果，搅拌机控制方式为长时间运行。刮吸泥机的运行通过定时控制完成，在上位机设置定时调节画面，可通过其设置启/停时间间隔b、2#PLC生物滤池处理子站2#PLC站其监控范围为：生物滤池、反冲洗水池、接触消毒池1）、本单元实现的主要功能：检测配水井液位、排泥管到压力并显示。根据进水流量控制进水调节阀；实现对曝气鼓风机的控制，并根据工艺要求启/闭曝气阀；按工艺要求实现对气水反冲过程的自动控制；根据液位及需要控制接触池潜水泵的启停。2）、控制方案：生物滤池是本污水处理厂的关键，此处控制方案的优劣直接影响到出水水质。工艺要求对各滤池的进水调节阀、出水闸门、气冲阀、水冲阀、排水阀、泄气阀及鼓风机、反冲水泵进行监控，来控制滤池的正常过滤和反冲洗这两个过程。实现过程控制可通过手动和自动两种方式。手动过程控制手动控制通过控制柜面板上的按钮和旋钮完成。过滤阶段正常过滤阶段，每格滤池PLC模拟量输出控制进水阀调节阀的开度控制进水，使滤池滤床上的水位保持恒定，从而保证出水水质。在此阶段通过控制曝气鼓风机及曝气进气阀达到控制曝气量的目的，使滤料保证很好的生物作用，起到净化水质效果。反冲洗阶段滤池反冲洗过程，当某滤池运行到一定时间后，手动将出水阀开到最大开度，等到水位降到过滤水位时，关闭出水阀。打开排水阀，打开气冲阀，起动鼓风机，进行气冲3分钟。打开反冲水阀，起动反冲水泵，进行混和冲洗3分钟。关闭气冲阀，停鼓风机，进行水冲3分钟。关闭反冲水阀，停反冲水泵，冲洗过程结束。将泄气阀打开排气3分钟，同时将滤砂沉下。开进水阀3分钟，进行漂洗。漂洗后关进水阀，等待一分钟，关排水阀。开进水阀等待水位上升到过滤水位时，慢慢打开出水调节阀，进入正常过滤阶段。滤池有水头损失上限值、水位上限值、浊度上限值、冲洗周期、人工强制等五种申请冲洗方式向调度PLC申请冲洗。当某一格滤池被允许冲洗时，此格滤池即进入冲洗状态。此时，将出水阀开到最大开度，等到水位降到过滤水位时，关闭出水阀。打开排水阀，打开气冲阀，起动鼓风机，进行气冲3分钟。打开反冲水阀，起动反冲水泵，进行混和冲洗3分钟。关闭气冲阀，停鼓风机，进行水冲3分钟。关闭反冲水阀，停反冲水泵，冲洗过程结束。将泄气阀打开排气3分钟，同时将滤砂沉下。开进水阀3分钟，进行漂洗。漂洗后关进水阀，等待一分钟，关排水阀。开进水阀等待水位上升到过滤水位时，慢慢打开出水调节阀，进入正常过滤阶段。c、3#PLC污泥脱水系统处理子站3#PLC站位其监控范围为：脱水机间、贮泥池、厂区污水池本单元实现的主要功能1）根据生产工艺要求，完成对污泥贮泥池的控制；本污水处理厂的污泥贮泥池具有两个作用。第一是汇集管道输送过来的稀污泥；第二是起到污泥调质池的作用，调质池的作用是调匀污泥，使进入污泥浓缩机的污泥浓度比较均衡。根据液位控制仪测定的信号，PLC在实际运行中泥位太高时自动停止污泥泵工作，泥位太低时自动停止污泥浓缩机的进料泵的工作，以调控本池的泥位保持在工艺设计的合理范围之内。3）根据生产工艺要求，完成对污泥压滤间设备的控制；在脱水机房主要完成对污泥投加絮凝剂、混合、浓缩、脱水功能，最后生成污泥饼外运。絮凝剂配置、加药设备主要包括加药罐、投药泵和静态混合器组成。加药罐按全自动方式工作，首先将聚合物粉末在配药池内与自来水混合，并进行搅拌，使聚合物溶解，然后将配好的聚合物药液贮存在投药池里。投药泵将药液提升送到安装在物泥贮泥池与污泥浓缩机之间污泥管上的静态混合器，使药液与污泥混合。浓缩是降低污泥含水率的一种方式，在污泥处置过程中，常采用重力浓缩的方法作为污泥脱水的预处理，带式浓缩机是连续运转的污泥浓缩设备，一般进泥含水率为99.2%，经絮凝、重力脱水后含水率降低到95%～97%，浓缩时间一般为10～30s，达到后续工艺进一步污泥处理的要求。一般情况下带式浓缩机和带式压滤机直接连接，因而污泥浓缩后可直接进入带式压滤机进行脱水。带式浓缩机可替代混凝土浓缩池及大型浓缩栅耙构成的浓缩池，因而减少占地面积，节省土建投资。带式压滤机是一种连续运转的固液分离设备，由机架、布料箱、真空箱、滤带张紧装置、滤带调偏装置、传动机构及挤压辊组成。污泥经过絮凝、低真空重力脱水、低压脱水、高压脱水，压轧段的停留时间约为1～5min滤饼随滤布运行到卸料辊时被卸落。为节约成本，以上方案会充分利用原来的物品器件。以上为我公司根据常规污水处理工艺结合禄劝国祯污水处理厂基本情况做的初步方案，未详尽或有误之处还望多多指正。五、初步方案物品清单及报价1、系统修复及升级物品清单、报价序号名称型号规格单价数量合计备注1上位机系统软件组态王6.555000点￥1套￥亚控工控机IPC-610P4R-25H2套研华2组态中控系统软件￥1套￥3S7300程序￥3套￥4威纶触摸屏程序￥3套￥5屏蔽电缆RVVP2×0.20㎜²100m/卷￥5卷￥6硬聚氯乙烯保护管HD-UPVCφ80mm4m/￥50根￥7STEP7v5.46ES7810-4CC08-0KA5￥1套￥西门子8高清摄像头NS-F86028mm￥3个索尼9安装调试￥￥10其他￥￥总计￥大写2、变频节能改造物品清单、报价序号名称型号规格单价数量合计备注1变频器AC60-T3-110G/132P110KW￥1台￥2变频柜1700*800*550mmH1.5mm￥1套￥3导线铜芯/50mm2100m/卷￥1/2卷￥4导线铜芯/1.5mm2100m/卷￥1卷￥5空开DZ47-3P/2016A￥1个￥正泰6塑盒空开NM1-400S/3300350A￥1个￥正泰7接触器NC1-250/10250A线圈220V/50HZ￥5个￥正泰8铜头250A￥70颗￥正泰9端子TC-2003250A/3P￥3个￥正泰10热继电器NRE8-300380V/300￥1个￥正泰11电压表42L6-v450V￥1只￥正泰12电流表42L6-A450A￥1只￥正泰13电流互感器LMZJ1-0.5450/5￥1只￥正泰14熔断器+扣壳RT28-16A￥1套￥正泰15按钮LA10-1H￥4个￥正泰16指示灯ND16￥3个￥正泰17报警灯ND16￥1个￥正泰18转换开关LW5D-3档位￥1个￥正泰19继电器JZX-22F/4Z+CZY14A线圈220V￥2个￥正泰20PLC6ES7214-2BD23-0XB8CPU224xp￥1台￥西门子含程序21威纶触摸屏10寸Mt6100i￥1套￥威纶通22以太网模块6GK7243-1EX00-OXE0CP243-1￥1套￥23辅材￥1批￥24风扇/防护罩￥1套￥25安装调试￥￥26运输费￥￥27其他￥￥以上为一套，总计两套。总计*2￥大写3、自动化升级及其进水监测改造物品清单、报价序号名称型号规格单价数量合计备注1S7300cpu6ES7315-2EH14-0AB0CPU315-2PN/DP￥1块￥西门子2IM模块6AG1365-0BA01-3AA0IM365￥2块￥西