DCS 控制系统在某污水处理厂中的应用

李波

（中铁建发展集团有限公司北京水务分公司，北京 100043）

0 引言

自动控制系统在工业生产中已经得到广泛应用，其中分散控制系统（distributed control system, DCS）和现场总线控制系统（fieldbus control system, FCS）在大型电厂和化工厂等流程行业中比较普遍，PLC 在离散型制造业中比较流行。一般污水处理厂中，使用PLC 的比较多[1]。但位于西北某市的X 大型污水处理厂采用了常规循环活性污泥工艺法（cyclic activated sludge system,CASS）对生活污水进行处理，最大处理量为5 万t/d。鉴于其规模比较大，对生产稳定性的要求较高，故采用了冗余的DCS 系统，对全厂生产进行监控。从污水厂投产以来，这套DCS 系统表现稳定，有效提高了全厂生产的自动化水平，降低了人员数量和劳动强度。

1 污水工艺介绍

生活污水处理主要是居民日常排出的污水，主要包括清洁污水、排泄污水和厨房污水，废水中包含脂肪、尿素、蛋白质和碳水废物等，处理方法为预处理+生化处理，常见工艺有上流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket, UASB）、缺氧/好氧（Anoxic/Oxic,A/O）工艺、序批式活性污泥法工艺法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process, SBR）、CASS、生物滤池、膜生物流花床、活性污泥、水解酸化+好氧池、微电解法等处理工艺，将废水中有机污染物氧化降解成无害物质[2]。CASS 工艺是在间歇式活性污泥法的基础上改进而来，主要过程分成曝气、沉淀、排水、闲置四个阶段，周期循环进行。污水连续进入预反应区，经隔墙底部进入主反应区，在保证充足供养的条件下，在分解池中将有机物降解。具有占地较小、运转费用低、技术成熟、工艺稳定的特点，具体有格栅井、CASS 池、鼓风机房、加药间、储泥池、脱水机房、分解消毒池组成[3]。其四阶段细节如下。

（1）曝气阶段：边进水边曝气，活性污泥从主反应区回流，回流量约为污水量的20%。曝气装置向反应池中充氧，既满足好氧生物的需求，又利于有机物与活性污泥混合与接触。

（2）沉淀阶段：停止曝气，澄清上清液和浓缩污泥，微生物利用溶解氧（dissolved oxygen, DO）进行氧化分解，反应池也由好氧状态转向缺氧状态，开始进行硝化反应。活性污泥沉到水底，上层水变清。

（3）排水阶段：沉淀结束后，反应池末端滗水器开始工作，从上到下逐渐排出清水。滗水器是整个CASS 工艺的关键设备。

（4）闲置阶段：闲置阶段是滗水器上升到原始位置阶段。主要目的是周期结束转为下个周期，为反应池提供时间以完成它的整个周期。

2 DCS 控制介绍

2.1 DCS 系统的选型

该DCS 系统是新华控制的Nexus，细节如下：①共4 对分布式控制单元（distributed processing unit, DPU）电源柜和网络柜一共8 个柜子，总点数在1200 点内。控制逻辑不复杂，基本以单体设备操作为主，有简单的逻辑关系。②上位控制站的画面组态色彩丰富，组态便捷，控制器逻辑由可视化的模块搭建，模块功能强大，逻辑实现方便，可在线修改逻辑。③包含一个远程输入输出（input output, IO）控制柜，方便就地安装，节省了电缆敷设距离[4]。④系统价格比较优惠，是这个系列产品在大型污水处理中的首次使用。

与常规PLC 控制方案比较，此DCS 控制系统具有更强大的功能和稳定性，在满足实际生产需求的同时，价格也比较优惠。

2.2 Nexus DCS 系统的特点

Nexus 是新华控制最新一代的DCS 控制传统，由高速实时数据网络和连接在网络上的人机交互计算机（man machine interface, MMI）与DPU 三部分组成。DPU面向被控制对象，进行快速数据输入和输出处理，以及闭环控制计算，完成报警检测、接收操作指令和逻辑修改指令[5]。

MMI 包括操作员站（operation unit, OPU）、工程师站（engineer station, ENG）、历史数据站（historian unit,HSU）。面向操作员以流程图、棒状图、曲线、表格、按钮等方式提供数据，解释操作指令并送到DPU 中进行执行。

Nexus 控制系统采用两级网络模式，包括连接全局的UDH 全局高速工业以太网和IO 总线，中央集控室设置3 台操作员站，机房有7 个控制柜，包括电源柜、网络柜以及5 个控制柜，在现场电气配电间有1 个远程IO 柜。

通过现场控制、集中监视的方式来实现信息的传递和交互，在现场实现了提升泵、CASS 池、鼓风机房、加药间、储泥池、脱水机房、分解消毒池的控制，控制范围包括电气设备的启停及保护、生产参数监控等[6]。信息监控主要以集控室为主，实现了操作员站与大屏幕显示信息的联通与互动。

2.3 DCS 系统配置及构成

Nexus 系统具有冗余容错的系统架构，包括冗余的网络，冗余的控制器，冗余的电源，冗余的IO 总线；灵活分散的系统布置，强大的现场总线，先进的优化控制算法。其中，总体网络结构如图1 所示。

图1 总体网络结构

冗余高速全局网络：包括A 网和B 网两个冗余的实时以太网，将DPU 各控制器和MMI 站（包括操作员站、工程师站和历史站）连接起来，网速为100/1000M自适应；A/B 两个网络同时工作，同步传输数据，当其中一个网络发生故障后，系统会进行报警提示，同时不影响另一个网络的安全运行。冗余DPU 控制器：所有控制器成对出现，互为备用，任何一个时间，其中一个为主控制器，另一个为备用控制器，两个控制器同时接收网络数据和操作指令，但同一时间，只执行其中的一个指令，当主控制器故障时，将备用控制器自动切换成主控制器。冗余电源则是在每个机柜同时输入两路220V 交流电源，同时机柜内安装有两套5V 和24V 的直流电源，冗余的电源间互为备用，当其中一路缺电或故障时，系统报警，但不影响系统使用。冗余IO 总线如图2所示，每对控制器下可以挂多个工作站，A/B 控制器与工作站间的IO 模块通信也是冗余的，通信接口的单一故障不影响系统通信[7]。

图2 OC 6000e Nexus IO 通信系统

#1DPU 冗余控制单元主要负责控制范围包括污水格栅井、提升泵、污水沉砂池、#1CASS 池、#2CASS 池、#3CASS 池、#4CASS 池等所有主要设备、附属设备，以及各种测量参数。#2DPU 冗余控制单元主要负责控制范围包括鼓风机房、污水储泥池、流量井流量测量装置、接触消毒池等所有的主要设备和附属设备，以及各种测量参数等。#3DPU 冗余控制单元主要负责控制范围包括加药间的电磁阀、隔膜泵、搅拌器、气动门、电动执行机构，以及电流、电压等测量参数[8]。远程IO 站，实现远离主控系统的所有外围设备的监控。

3 DCS 系统软件

DCS 软件主要包括上位MMI 画面组态软件、DPU逻辑控制软件，以及安全监控软件。

3.1 逻辑控制软件

图形化逻辑工具SystCFG，具有丰富的控制算法库（基本控制/高级控制/诊断），具有如下特点：①在线、自动维护系统数据库；②增强的安全功能-逻辑加锁、口令保护；③在线组态/调试，无须编译/重启控制器；④支持虚拟控制器及IO 通道仿真。

3.2 操作员软件和趋势显示工具

过程控制画面显示工具FigView，具有人机工程学设计的过程显示元素，结构化的流程框图设计及菜单系统，优化设计的设备操作面板，丰富的过程状态信息及操作指导。

趋势显示工具Trend，具有历史、实时显示能无缝衔接，多光标截取，可随时隐藏或显示选中的曲线，并且具有趋势导出功能。

3.3 历史收集及报表

Nexus 系统历史收集功能强大，无点数的限制，将1000 多外接入的信号和系统中的中间信号点共计2500 多都成功收集；主要特点及功能：①可定义的采集死区和周期，有效控制数据采集量。②可选择抽取、生成数据文本文件。③快速、高保真压缩存储，满足长时间历史数据收集需求。④支持周期性、事件型、触发型等多种报表工具。⑤数据存储功能，对生产过程中重要设备的工艺参数、设备状态等进行储存，需要时能及时调取查看。⑥操作记录，对生产过程中操作人员的操作指令实时记录，如调节设备操作，电机的启停操作等等，并且支持实时按节点或设备查找及筛选[9]。⑦历史数据记录及展示，对所有保存记录的历史数据，支持以曲线或数据的方式展示或导出。⑧密码保护，各操作员站、历史站、工程师站、DPU 控制器等都有密码设置，需要输入密码后才能获得相应的权限。⑨打印功能，曲线打印、报表打印、图形打印、操作记录打印。

4 系统使用情况

该工程于2016 年3 月份运行以来，DCS 系统运行稳定无故障情况，此系统在污水厂的有效落地使用，大幅提升了全厂自动化水平，实现了操作远程化，控制集中化，全厂所有的设备和生产过程在一个系统中得以全部监控，有效支撑了生产的持续性和高负荷。并且Nexus 系统上手方便，操作人员及工程技术人员无须经过复杂长期的培训，即可胜任岗位。该污水厂生产以及工艺水平得到了各级领导部门的良好的评价。

5 结语

常规PLC 控制算法简单，性价比高，污水生产工艺的要求不高，因此在污水处理厂中得到了广泛应用。随着污水处理厂的规模越来越大，工艺要求越来越高，对系统的稳定性和控制逻辑的完备性也提出了更高的要求，DCS 作为做成熟的，面向复杂流程的控制系统，网络、控制器、电源等往往都采用一备一用的冗余技术，来保证控制的高效实时和系统稳定性。DCS 的这些特点，很好的契合了大型污水处理厂的自动化需求，同时工程造价相比PLC 也不贵，具有良好的应用前景。