管控一体化系统在张贵庄污水厂中的应用

邓胜琳，王舜和，张泳（天津市市政工程设计研究院，天津 300051）

1 引言

进入21世纪以来，我国污水处理事业进入高速发展阶段，污水处理厂成为各个城市最重要的基础设施之一。随着自动化、计算机、通讯技术的快速发展，污水厂的自动化水平也相应提高，“大自控，无人值守，集中管理”的理念已经形成。

2 张贵庄污水厂自控系统的建设目标

张贵庄污水处理厂控制系统按照工艺单元分为三部分，包括污水处理系统、污泥处理系统、再生水处理系统，每部分都需要完成独立的控制功能，全厂又需要形成完整的控制系统。

建设初期，建设方——创业环保提出要使其成为国内领先的现代化污水处理和污泥干化厂，实现生产过程自动化与信息管理自动化，其建设目标：

（1）中控系统可以完成污水处理厂的管理、调度、集中操作、监视、系统功能组态、控制参数在线修改和设置、记录、报表生成及故障报警，对实时采集的数据进行处理以及分析统计等功能。操作人员可通过显示器及大屏幕直观、动态观察全厂各工艺流程段的实时工况、各工艺参数的趋势画面，能够及时掌握全厂运行情况。建立各类信息库，根据工艺要求自动进行调节和控制现场设备，通过运行数据的规律，找出水厂的最佳运行工况，改进管理方法，保证出水水质，提高经济效益。

（2）项目要基于“集中管理，分散控制”的模式，数字化、信息化的思想，着眼于 “管控一体化”系统的建设，建立一个先进、安全、可靠、高效、人性化且便于扩展的系统。要求监控系统集监视、过程控制和调度管理于一体，完成对整个工艺过程及全部生产设备的监测与自动控制，实现“现场无人值守，总站少人值班”的目标。系统平台应具有良好的扩展性，可将所有的子系统整合成统一、开放的大系统。

3 管控一体化系统的设计

3.1 管控一体化系统结构

整套系统分为四层管控结构：第一层为厂长管理层，通过web发布功能，可随时随地使用外部网络通过设定的固定IP连接上管控系统，实时查阅水厂运行状况，检查水质参数变化情况，但不能对各个设备进行远程控制，具备“只监不控”功能；第二层为运行数据管理层，该层权限用户可查阅数据库存储的历史数据，可进行存储、打印和归档；第三层为控制管理层，授权工程师或管理人员可对各工艺设备进行自控系统高级参数进行调整，深化工艺过程，查阅各工艺参数；第四层为设备监控层，操作员可对全厂仪表、设备参数、故障信息进行查询，对设备进行简单的启停动作，并作运行记录。如图1所示。

图1 污水厂控制系统结构图

3.2 采用三维技术建立监控系统

为了建立完善的污水厂监控功能，便于扩展和提升，首先采用三维技术建立监控系统核心。监控画面高度模拟工艺流程，工艺过程中涉及的液位、压力、温度、流量、水质分析等数据分布在各个工艺组态画面中，并且实时显示；通过软件进行数据交换与存储，制作数据报表及数据曲线，进行数据存储，以便相关工作人员进行数据分析。监控画面使用3Dmax软件和FLASH软件，制成3D效果动态画面，立体显示工艺组态，与现场实际相吻合。如图2、图3所示。

图2 SF-AO反应池3D组态画面

图3 深度处理单元3D组态画面

3.3 网络搭建与服务器设置

设在中控室的监控系统通过光纤以太环网与进水泵房、反应池、加氯加药、深度处理及脱水机房等五个PLC分控制站和初沉污泥泵房、回流污泥泵房、雨水泵房等五处远程I/O子站进行数据交换，对所有设备进行控制及状态显示，提供系统的宏观调度，协调各分站的运行，处理局部发生的事故和紧急状态，维持系统的整体协调。数据服务器采用磁盘阵列，对数据进行备份，一旦主硬盘出现故障，副硬盘零扰动接收数据，保证数据的完整性。

4 基于管控一体化的系统优化

4.1 智能化的控制，先进的能源管理

结合工艺，设计确定进水、曝气等单元是全厂电能消耗的主要单元，所以有针对性地采用进水泵智能控制和精确曝气实现节能降耗。

（1）进水泵的智能控制

根据进水水量的历史规律，以及水泵的组成情况，确定不同的开启组合以及液位控制条件。跟踪进水的日变化情况以及水泵每天的启停统计数据，动态修正液位控制条件以及泵的组合情况，利用液位在安全范围内的波动抵消来水量的瞬时变化，保持进水的平稳化。

根据动态液位控制条件，选择最佳的水泵启停切入点，优化水泵的编组运行方式，减少泵的启停次数，采用优先级轮换的方式，使每台泵运行总时间保持近似相等，延长设备的使用寿命。

在确保管网不溢流的情况下，尽量保持集水池的平均液位在较高的安全水位，减少水泵扬程，降低提升能耗。并根据泵的特征曲线，设法提升水泵工作在效率较高的工况点。

（2）精确曝气智能控制

目前，国内大多数以活性污泥法为处理工艺的城市污水处理厂的曝气系统采用了衡量控制、简单的自动控制或人工就地控制等控制策略。这三种控制方法存在明显的缺陷，不能稳定控制具有多变量、高相关、非稳态、大滞后等特点的污水处理系统中的溶解氧浓度，从而导致曝气量与实际需气量相比冗余过大，不利于保持曝气池内微生物生长环境的稳定，对污水处理工艺的运行造成一定的干扰，并且使得曝气单元的能耗水平偏高。利用“动态变化反馈控制”可以解决溶解氧浓度稳定控制的问题。

采用精确曝气智能控制系统以后，能保持曝气池各段的曝气量满足生化反应的需要，保持工艺的稳定运行，适应城市污水处理厂进水的水质和水量的变化，保持曝气池中溶解氧浓度的稳定，同时还可以根据污水处理厂进水负荷和生化单元微生物生长情况，及时调节污水处理厂中的重要运行参数，使污水处理厂的工艺状态参数保持比较稳定，达到“按需调节、稳定工艺、节能降耗”的效果，根据计算及实际运行测算，达到10%～25%的节能效果。

4.2 数字信息化服务

管控一体化的自控系统增加了Web发布平台，实现全厂远程实时监控。管理人员不仅可以在处理厂中央控制室查看全厂所有工艺过程中的设备状态及水质参数，还可在家中或办公室上网通过IE浏览器实时监视整个污水处理厂的运行状况，随时发现处理过程中的异常状况，远程进行实时查看报警并记录。

数字信息化服务基于Web开发，使用Asp动态网页编程技术，主要包括运营管理、设备管理、药剂管理、电能管理等模块，通过集控中心的电脑、大屏幕等多媒体显示手段，及时了解处理厂各项指标，供管理人员分析决策。

图4 污水厂中控室

同时系统平台具有良好的扩展性，将所有的数据源和子系统整合成统一、开放的大系统，扩展的子系统包括财务、厂务、档案、化验、办公、安防等，完成办公生产的数据共享，有机结合。

5 结语

污水处理厂对自控系统的要求是能保证污水厂的稳定、可靠运行，随着计算机技术的发展，自控系统也不断地在增加人性化的设计元素，系统应该能够完成更多的功能，掌握更多的信息量，提供更便捷、更直观的控制和操作环境，这些都对污水处理厂控制系统提出了更高的要求。张贵庄污水处理厂在这些方面进行了设计与实践，为该厂最终荣获“鲁班奖”贡献了一份力量。

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