污水处理厂自动化系统改造工程与实效评价——云南景洪污水处理厂实例

韩咏梅 杨增华

（1.昆明维恒升自控技术有限公司，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

云南水务投资股份有限公司下属的云南景洪江南污水处理厂，厂区地处热带地区，高温多雨的特殊气候条件，鼠患、虫患情况较为严重。原设计对热带地区特殊情况考虑不周全，没有设计专项设备保护措施，加之运行中维护保养不到位，导致设备生锈，老鼠啃咬电缆破裂短路，部分电路板爬满昆虫，设备故障非常频繁。厂区自控系统分二期建设，建成时间较早，由于故障多发，已基本处于停运状态。为了保证污水处理厂的正常运行，提高污水处理厂的运维管理水平，节能增效，需要进行自动化系统改造。

1 云南景洪江南污水处理厂自控系统情况

云南景洪江南污水处理厂是早期建成的污水处理厂，设计日处理量5 万t。主工艺采用CASS 生化处理。该污水处理厂分二期建设，建成投产数十年。现在部分设备和线路老化，经常出现故障；一期、二期建设的自控系统分开设置，缺乏统一协调，控制范围覆盖不全，控制功能不完善，数据读取不全，运行管理较乱，不能达到环保督查要求，急需进行提标改造。在改造实施前，全面摸底检查污水处理厂自控系统情况。PLC 为西门子品牌，有S7-200、S7-300、S7-400多种系列。网络结构是星型网络连接，各PLC 主站通过光纤连接到中控室交换机，中控室计算机通过交换机与各PLC 主站连接。PLC 主站与子站之间，采用Profibus DP 总线连接。一期建设的自控系统控制站包括主站PLC1（S7-300），子站PLC11（S7-300）、PLC12（S7-200）、PLC13（S7-200），由一台中控室计算机控制。二期建设的自控系统控制站包括主站PLC2（S7-400），子站PLC21（S7-300）、PLC22（S7-300）、P23LC（S7-200）；主站PLC3（S7-300），由1 台中控室计算机控制，配一台报表计算机。由于一期和二期自控系统相互独立，现场设备和线路故障多；操作人员基本凭经验现场手动操作。现场数据采集不全，数据不准确；设备无法远程控制，设备运行状态没有监控；报表计算机停用。这些情况，影响了该污水处理厂的运行效率，管理工作困难较多。改造目标是将分期建设的自控系统整合成一个系统，消除现场故障，实现远程控制，消除暴雨期间人员现场操作；通过设置合理参数，实现污水处理厂自动运行，提高全厂的运行管理水平。

2 自控系统改造总体方案

通过现场考察和协商，针对现场存在的问题，兼顾节约改造费用，确定了自动化改造的总体方案：不改变现有的网络结构和现场控制站的进线结构；边生产边改造，不因改造停产[1]；更换、维修老化故障设备；室外控制箱增加防雨棚，或换室外为不锈钢箱；用防火泥封堵线槽和控制柜底，防止老鼠进入；用玻璃胶封堵室内自控设备小孔，防止昆虫进入；修理PLC 柜散热风扇，保证散热；增加新的数采控制设备，完善数据采集和控制功能；修改程序，重做监控画面，新建报表趋势图；建立全厂统一监测和控制系统，中控室2 台计算机设置为冗余，互为热备；报表计算机，显示一期、二期的全部数据报表；实现全厂自动化运行。

2.1 自动化系统改造内容

2.1.1 实现网络通信的稳定

原自控系统通信经常中断。经过检查诊断，确认通信光纤没有损坏，现场PLC1 柜内交换机的运行状态不稳定，其尾纤插头连接不稳；中控室交换机经常死机。找到故障点后，更换有问题的交换机，重新稳定连接尾纤插头，实现系统网络通信正常。

2.1.2 完善数据采集

2.1.2.1 主要设备的运行监测数据读取和控制

2.1.2.1.1 5台鼓风机，5台提升泵

在配电柜中增加电流互感器和电流变送器，设备的电流值通过PLC 读取，上传计算机显示；设备运行状态，PLC读取并上传计算机；由PLC 通过程序计算，获得这10 台设备的单次运行时间、累计运行时间，在计算机上显示，并依据设定，控制均衡设备运行时间；设备配套的10 台变频器，其频率给定值和反馈值，能准确上传下达。

2.1.2.1.2 2台污泥脱水机

在控制柜中增加电流互感器和电流变送器，把设备的电流值上传中控计算机；PLC 读取设备运行状态值，通过程序计算，在中控计算机显示单次运行时间、累积运行时间。

2.1.2.1.3 紫外线消毒设备

在控制柜中增加一块西门子CP243-1 以太网通信模块，使其与主站通信，在中控计算机显示消毒设备状态及累计运行时间。

2.1.2.2 主要工艺参数的数据读取

增加7 台进、出水流量计的中控计算机累积流量显示。原来PLC 读取瞬时流量，再经过程序计算得到流量累计值，每0.1s 读取一次瞬时流量，随着时间不断累加，得到流量累计值，但是0.1s 时间不够精确，造成中控计算机与现场仪表累计流量值显示差异较大。现改用仪表脉冲信号输入PLC，仪表每10m3流量累计值发送一个脉冲信号给PLC，程序进行累积计算，得到的流量累计值与现场仪表显示值相同。重新施放脉冲信号电缆，调校仪表，在中控计算机准确显示每台流量计的瞬时和累计流量，突出显示全厂总进水流量和出水流量。

2.1.3 恢复设备远程操控功能

现场设备不能在中控计算机远程操控，操作人员需要到现场手动。在PLC 上对故障点位一一核对，对全厂有故障的电动阀、水泵、搅拌器、风机，逐一进行线路检查，更换破损电缆；检查现场电控箱，更换故障元件，箱内重新布线；现场故障点问题排除后，修改上下位程序，重新调试，实现这些设备的远程操作，现场手动操作功能保留。重点核对了脱水机房PLC 控制站点位，对于缺失的状态反馈和控制输出点，施放电缆，接入PLC 备用通道，再进行组态、编程，实现脱水机远程监控。

2.1.4 恢复CASS生化池自动控制功能

CASS 生化池的正常运行，是污水处理厂处理污水的关键，是本次自动化改造的重点和难点。主要做了以下几个部分的修复。

2.1.4.1 滗水器不平衡修复

每套滗水设备带二个滗水器，二者不平衡。滗水器下降滗水时，出现一个已经在滗水，另一个还没有接触水面，机械连接部分受力不均易损坏，出水带渣，滗水速度慢。需操作人员到现场，人工操作滗水器下降滗水，滗水器不能投入自动运行。厂方请专业公司重做滗水器连接杆，调整连接杆长度，修复了滗水器不平衡问题。滗水器不平衡原来情况，如图1 所示。

图1 滗水器不平衡

2.1.4.2 CASS生化池液位计校准

CASS 生化池液位值，是自动启动、停止滗水器的运行重要条件。水池液位检测不准，无法准确判断滗水器距离水面高度，滗水器就不能投入自动运行。原来靠操作人员经验判断，人工启动、停止滗水器。逐一校准了各CASS 生化池的超声波液位计。

2.1.4.3 修复滗水器现场控制箱和配套元件

滗水器现场控制箱，元件和线路老化，以前维修时，为了排除故障，多次改线，箱内线路混乱，连接不稳，滗水器的操控经常失效。滗水器上、下行程开关失效。行程开关是重要的物理保护装置，可以避免滗水器上、下行程超过限位，发生滗水器拉脱或冲顶事故。滗水器现场控制箱原来情况，如图2 所示。更换故障箱内电气元件；更换滗水器上、下行程开关；重新整理和布线现场控制箱。

图2 滗水器现场控制箱线路混乱

2.1.4.4 恢复CASS生化池公用设备控制

原来系统中1#～5#鼓风机，对应为1#～8#CASS 生化池进行曝气提供气源。这些鼓风机一直运行，靠进气阀的切换，对各CASS 生化池分别曝气。当进气阀无法控制，将出现曝气失控，出现有的CASS 生化池曝气阶段不能曝气，而有的在静置阶段有空气进入，导致CASS 生化池不能正常运行。排除鼓风机、进气阀的控制故障，更换损坏的接触器辅助触点，阀门开关到位行程开关，保证阀门的有效控制。

2.1.4.5 CASS生化池自动运行

据工艺设计，每个CASS 生化池的运行周期有时间限制，曝气时间、滗水时间都有相应要求。如果生化池液位低于设定高度，滗水器开始下降滗水，则滗水器下降空行程过长，需较长时间滗水器才能接触到水面，按滗水行程时间规定，滗水器在水面停留时间较短，出水量会减少，污水处理量降低。如果生化池液位超过设定高度，滗水器下降滗水，则滗水器过早接触水面，为了在规定时间内完成滗水行程，滗水器会淹没在水下，机械连接部分承受增加更多阻力，易损坏，且出水带渣，出水水质不达标。与操作人员充分沟通后，重新编制程序。将CASS 生化池上的超声波液位计信号作为控制条件，高液位启动滗水器，控制滗水器的下行速度，空行程快速下行，滗水时较慢速度下行；低液位停机，当滗水到低液位时，滗水器停止下行，停留至设定时间后，自动上行返回。连接现场行程开关，作为滗水器硬联锁保护停机，做软联锁保护，程序设置增加高高、低低液位联锁停机，软件、硬件双保险联锁控制，确保滗水器运行安全。鼓风机、进气阀、污泥回流泵，全部参与CASS 生化池系统的联锁控制。根据八个水池的设备情况，设置不同的运行时间和参数，分别联机调试，实现全自动运行。污水处理厂最重要的CASS生化处理系统，实现了全自动运行。

2.1.5 恢复进水系统的自动化运行

该厂有5 台进水提升泵，3 台大功率泵，2 台小功率泵。原来全部由人工操作控制进水量，操作人员根据现场视频图像，观察进水水池液位，凭经验启、停止提升泵。修复了进水水池液位计，在中控计算机显示液位，重新编制程序。高液位启动大功率进水泵，运行一段时间后，出水量小，水池液位下降不能达到设定值，再依次启动其他小功率水泵。液位降到设定低位，依次停泵。5 台水泵，可单独人工启、停，也可以全自动运行。水泵各自有运行累计时间，先启动的泵，先停止运行，水泵均衡运行时间，实现了进水系统自动运行。

2.1.6 恢复粗、细格栅系统的自动化运行

排除现场故障，恢复粗、细格栅远程手动的功能；增加皮带运输机与粗、细格栅联锁；以格栅前后液位差为条件，液位差达到设定高值，格栅机启动运行，据设定时间，皮带运输机启动，运送垃圾到收集桶。液位差值到设定低值，格栅机停止运行，据设定时间，皮带运输机延后停止运行，保证皮带机上没有垃圾堆积。实现了格栅系统自动控制运行。

2.1.7 完善中控室计算机系统

中控室计算机系统，做成全厂统一的控制中心。全厂一期、二期的PLC，全部通过中控室的交换机，与中控室计算机通信。原有的3 台计算机，其中2 台做成冗余，互为备用，监控功能相同；另外一台计算机，作为数据报表显示监测使用。重做上位计算机操控监测画面，显示水质参数、工艺过程参数、设备运行状态；设置监测数据趋势图、数据报表、报警界面；设置人性化的操作界面，操作人员可以根据工艺运行情况，远程操控设备，也可在参数设置界面，设置运行参数，系统投入自动运行。重新制作组态的工艺流程图、上位监控界面、操作界面。改造后自控系统结构图，如图3 所示。本次改造完成后，帮助厂方消除了一个严重的安全隐患，原来自控系统不能正常使用，操作人员需到现场操作。景洪属热带气候，时常暴雨倾盆，操作人员到CASS生化池走道上操作设备，有滑倒落水的危险，也有雷击的危险，现在只需在中控室计算机上进行操作即可。改造完成后，协助厂方制定了操作维护规程，对全体人员做了技术和安全培训。

图3 自控系统结构图

3 自动化系统改造经验总结

景洪江南污水处理厂建成时间较早，项目分期建成，中间经过多次改造，设备线路老化，资料图纸不全，电缆管线走向不清，设备品牌多样。这是一次非常艰难的改造，凭借多年的污水处理厂工程经验，克服困难，一步步解决了问题。

3.1 综合改造经验

前期充分调查，确定适用的方案，改造实施中不断调整，是改造成功的关键。1）了解熟悉厂区设备情况，网上查找设备图纸资料，向原设备供应商索取资料，分析故障原因，确定解决方案[2]。2）与厂方技术人员充分沟通，了解设备运行情况，该厂工艺运行特点，确定程序修改方案。3）与厂方操作人员交流，了解操作流程，操作习惯，确定操作界面和画面显示方案。4）与厂方管理人员交流，了解运营需求，设置合理报表显示，设定运行维护规程。5）根据热带地区特点，防鼠、防虫、防潮湿、防高温，采取封堵、散热、防锈处理。

3.2 上位计算机程序修改方面经验

充分了解厂方需求，了解工艺运行规律，熟练运用上位软件，实现自动化监控目标。1）上位运行画面中，要调用项目外的另外一个程序，用ProgramExecute 函数来实现较方便。2）组态王中建立进、出水水质日报表，以分钟为单位定时存储历史数据[3]。日报表每小时填充一次数值，把分钟单位记录的历史数据，用GetHistAveData 取平均值得到填入，日报表数据较为准确。3）报表查询数据时需用到标准日历控件Microsoft Date and Time Picker Control 6.0，再用控件属性CloseUp1 在命令语言编辑框中编写脚本程序对选择的日期进行处理[4]。4）组态王建立报表时，要注意判断查询时间，等于和小于当前时间2 种情况，避免出现查询报表时未到的日期出现数据的情况。

4 结语

经过3 个月的艰苦工作，综合应用电气、仪表、自动化、计算机软件等专业知识，根据长期的污水处理厂工程经验，结合厂方的运行管理需求，分析厂方日常操作运行记录，按照设定的改造原则、改造目标，在实施中，根据不断出现的新问题，及时调整方案，改造过程精细管理，现场施工人员与公司后方支持协调运作，改造工作与生产同步进行，按厂方生产安排，合理安排停机、改造、调试时间。

自动化改造顺利完成，该污水处理厂实现了自控系统集中统一监控运行，各项指标符合国家标准，改造达到了预期效果。