市政污水處理工程案例分析
北京華富惠通技術有限公司
———孫強——
隨著我國城市化建設力度的加強，大城市的改建及中小城市的擴容速度越來越快。我國在七、八十年代興建的市政污水處理廠隨著城市化步伐的加快，無論從處理工藝還是從日處理污水吞吐量上，都已經不能滿足城市污水處理的需求。另一方面，隨著我國人民對環保意識的整體提高，我國政府對污水處理建設方面的投資力度也在逐漸加大。從95年開始，我國政府開始逐漸把污水處理的建設正式提到工作日程上來，但是由于我國組態軟件的發展比較晚，在一些市政設施的自動化工程中，由于工程的重要性和投資力度的龐大，國內的組態軟件只在一些小型污水處理項目上（工廠級，礦廠級）有過應用案例，對于一些大型市政污水處理工程主要還是以國外的組態軟件和國內外知名廠家的DCS產品為首選。對于國內組態軟件在大型的市政污水處理自動化工程中能否穩定，可靠的運行一直還是一個疑問。針對這種狀況，北京華富惠通技術有限公司集合了公司大部分的技術骨干，針對市政污水處理工程的特點，組態了下面的市政污水處理廠自動化系統，并在工程實際中獲得了應用。
工程背景：
德山全市轄2區、5縣、1市，總人口587萬人，是沿清江經濟區的食品、輕工、紡織工業基地，經濟建設正以前所未有的速度發展，水電站、火電廠、石長鐵路、高速公路、德山機場等一大批國家“八五”、“九五”重點建設工程相繼在德山市建成并投入使用，投資環境正在迅速改善，經濟發展前景十分廣闊。
德山位于清江南岸，現有大中型工礦企業72家，涉及造紙、化工、紡織、制革、釀酒、食品、機械加工制造等行業。根據德山市環境監測站1995年、1996年對德山35家主要工業企業實施環境監測的情況，以及德山市的第二自來水廠的年供水量估算，德山開發區目前的城市日用水量在8.5萬噸以上，其中生活用水1.5萬噸，工業用水7萬噸。隨著經濟的發展和城市人口的增長，生活污水和工業廢水的排放量將會越來越大，預計到2010年將增加到15萬噸左右。
但是到目前為止，德山市只在城市主干道有一些清、污合流的管道，還沒有一個統一規劃建設的清、污分流城市污水排放管網和污水處理廠。除少量工業廢水僅經過初步處理以外，大部分的工業廢水和全部生活污水，都未經任何處理而直接排入城市下水道或經星水河、長風河等天然溝渠和河湖港叉，自然排入清江，使城區及其周圍水域和清江甚至洞庭湖水體受到了嚴重污染，不僅使大片水面失去水產養殖功能，而且直接威脅到人民群眾身體健康，破壞了正常的生態環境，影響了開發區經濟建設和社會事業的發展。據測算，由于未經處理，德山開發區15家主要工業企業目前排入清江的工業廢水在6萬噸/日以上，每年排放的污染物中，有固體懸浮物8,530噸，有機物12,964噸，COD 15,444噸。
工程概況：
1 項目名稱：清江地區德山城市污水處理系統
2 項目規模：日處理污水15萬噸
3 占地面積：8公頃（120畝）
4 建設規模：據測算，德山開發區目前的城市污水日排放量已達8.5萬噸以上，并以每年5%的速度遞增。再根據《德山市城市發展總體規劃》，到2010年，德山開發區城市污水日排放量將增加到15萬噸左右。因此本工程規模擬定為日處理污水15萬噸，計劃分兩期實施，于2012年底全部建成。首期工程實施時間為2000年至2002年，包括敷設全區污水管網和建造一個占地8公頃，日處理10萬噸污水的污水處理廠。第二期工程則將污水處理廠的處理能力由10萬噸/日擴大到15萬噸/日，實施時間為2010年至2012年。
5 廠址選擇：根據城市排水現狀和城市排水規劃，通過多次實地察勘和選擇，確定污水處理廠選址在德山南郊。該處位于德山市造紙廠的南面和清江西面，是德山開發區的城鄉結合部和工業污染源較集中的地帶，周圍有德山市造紙廠、德山市棉紡織廠、德山市清江制藥廠、德山市滌綸廠、德山市機械廠，不遠處還有德山市酒精廠、德山市肉聯廠等大中企業，隔東風河還有德山市化工廠；另外，由于該處地勢較低，平均海拔只有31.2米，遠低于德山城區其它部位（42米～57米），利于匯集城市污水，符合城市發展的要求，是建設德山城市污水處理廠比較理想的地方。
6 工藝方案：目前國內污水處理工藝可分為三類，即一級處理，二級處理，三級處理，還有考慮綜合利用的。國內目前綜合考慮投資，運行成本，處理效果等因素，根據污水水質情況，大多采用一級和二級處理方式。一級處理也稱物理法處理，其工作原理是利用過濾、旋流分離等方法去除污水中的懸浮物和泥砂。一級處理可去除污水中約50%的污物，適用于污水中有機物質含量較低的情況，常作為二級污水處理廠的預處理工序。
在本工程案例中采用了一級和二級處理方式串聯的模式。工業污水經工業企業自行處理達標后，連同生活污水一起，經由污水管網集中輸入污水處理廠，一級污水處理工藝如圖1所示。主要設備有格柵、水泵、沉砂池、風機、吸砂泵、旋轉篩網、除渣機、濾清器等。工藝的流程為：城市污水匯集到集水池，由一組水泵提升到前池；弧形格柵清除污水中的體積較大的污物和漂浮物；在沉砂池中，壓縮空氣與污水混合，分離出的泥砂沉淀于底部，由吸砂泵吸出；旋轉篩網進一步的濾除污物；濾清器用于對篩網進行沖洗。
圖1中的水位、濁度、流量等為被調量；生物耗氧量和酸堿度測量值供監視。
（圖1）一級污水處理工藝示意圖
經過一級污水處理設備處理后的污水進入二級處理環節，二級處理工藝如圖2所示。使污水中pH值、固體懸浮物、動植物油類、酚類、石油類、氨氮類、表面活性劑類及BOD、COD等污染物及汞、鎘、銅、鋅、鉛、鎳、鉻、鈷等元素或化合物含量接近漁業水質標準(TJ35-79)，凈化后的出水水質達到污水綜合排放標準（GB8978-1996）二級以上標準。凈化后，一部分污水可作為工業循環水循環使用，一部分就近排入清江，污泥干化后送鄰近的城市養漁場，垃圾處理場處理。
（圖2）二級污水處理工藝示意圖
一：功能劃分：
結合用戶的需求和上面的兩個工藝流程。由開物軟件搭建的德山市政污水處理廠監控系統主要實現以下的功能。
1． 廠區變配電系統，重要機房的供電監控
2． 辦公區暖通送風的監控
3． 一級和二級污水處理工藝流程的監控：
·機械處理部分：完成對污水泵，粗細格柵，沉砂池攪拌器，空壓機械的狀態監控；實施泵閥聯動，備用輪換，格柵清洗，旋轉篩網清洗，污泥池刮泥，自動打包等控制操作。
·生化處理部分：完成對處理工藝參數的監測控制，如對溶解氧，污泥濃度，PH值，ORP，BOD值等參數的測控。對曝氣設備，攪拌設備，排水設備，污泥回流泵，鼓風機等進行操作控制，以滿足對處理出水水質的要求。
·加藥處理部分：對于污水處理工藝流程中的加藥處理系統要求上位軟件實現對污水處理等級自動識別加藥，及專家算法配藥系統。
·淤泥處理部分：監測控制污泥錯池，污泥消化池，污泥脫水機及干燥設備的運行參數和狀態。
4． 自動生成每月城市污水處理情況圖文統計報表，圖文報表的存儲時間不少于10年
5． 對暴雨季節的排洪系統進行監控。
6． 污水廠的各項監控數據能夠通過MODEM遠程傳送到市政各部門便于衛生防疫，市政環境監測等部門對城市環境監察工作的開展。
二：系統監控功能論述：
1． 污水處理廠供配電的監控：
為了保證污水處理廠的設備正常運轉，對變配電系統的重要組成部分進行監控是有必要的。開物2000搭建的上位供配電監控平臺實現的監控功能主要體現在下面幾個方面：
·controX 2000變配電監視系統可顯示變配電系統的網絡拓撲圖，顯示回路的開關狀態及實時參數，顯示綜合保護設備的時間記錄和故障錄波（利用CONTROX2000的X-Y曲線顯示插件記錄三相電流波形，低電壓動作和系統電壓波動時的三相電壓波形，零序電流動作時電流波形，所錄波形存儲在計算機節點的硬盤上，并標志日期，時間，并可以隨時調用，查看和分析）。
· 在controX 2000變配電監視系統的監控畫面上提供每條配電線路電量參數（包含三相電壓，電流，有功功率，功率因數，電度等）進行時實畫面監視。并通過對每條配電線路的實時數據分析，在上位監控系統構建變配電最低能耗工作方式。
·controX 2000變配電監視系統設有故障分析和預測功能，對將要發生故障的重要供電電力器件提供預報警。（主要是通過對各電力器件通過的電流，器件的溫度變化來判斷重要供電電力器件的運行情況）。
·controX 2000變配電監視系統對變配電系統中的故障元器件具有動畫鎖定功能，當配電系統有故障發生時，監控系統將強制切換到故障元器件所在的監控頁面，同時發生故障電力元件的顏色將發生改變，同時發出音響報警功能。通過對線路和元件的編號處理，便于維護人員對故障的排除，縮短維修時間。
·controX 2000變配電監視系統具有變電站監控的SOE功能可對過流，過載，速斷，低電壓，單相接地和電氣聯鎖，聯動跳閘等的報警和跳閘功能具有故障原因顯示功能。
·controX 2000變配電監視系統，系統數據可把運行事故的紀錄以報表的方式保存3年以上，并可隨時調用，打印和查看。
·controX 2000變配電監視系統對污水處理廠的各設備回路用電可進行電量能耗統計，統計數據可以保存3年以上，同時可以通過報表的方式進行打印輸出（ controX 2000支持多種報表格式），便于對整個污水廠的電量能耗進行管理。
由于在供配電系統的MCC（配電柜）中采用了很好的保護功能，對于應付各種緊急故障具備了很強的應變能力，同時從設備安全的角度考慮，在controX 2000變配電監控系統中只對高壓進電部分的真空鎧裝開關開放了上位遙控功能；對低壓配電部分的各電力元件完全屏蔽了上位的控制功能，主要對各回路的電量參數進行監視。對高壓變電進線電力元件的遙控通過對用戶操作權限（0—999級）的設定，只有具有很高權限的用戶才可以使用，同時對使用者的用戶名，操作時間進行自動記錄（為只讀文件）。為了安全起見，在上位進行電力系統的操作時具有文字提示欄提示和二次確認功能。
2. 暖通送風系統：
由于污水處理廠地勢較低，環境潮濕，為了保證污水處理設備的正常運行和工作人員在冬季的取暖。要對污水處理廠的除濕機，通風機，電鍋爐，中央空調制冷系統等設備進行集中監控。對污水處理廠辦公區和加藥車間中央空調制冷系統的監控所要完成的主要功能有：1。通過對中央空調系統的送風和回風溫度差值，冷凍水供水回水溫度差，經過上位的軟邏輯運算，對下位控制器（進行標簽變量回寫）來調節最佳制冷機組的投切運行臺數，實現制冷機組的節能；2。通過對現場溫濕度的監測來調節中央空調的新風機組，為工作人員提供一個舒適的工作環境。同時通過對DDC控制器上傳的數據進行專家算法的調節運算，對DDC控制器的標簽變量進行回寫控制新風系統的風機盤管，送風閥開度以達到節約能耗地目的。CcontroX 2000搭建的中央空調上位監控平臺主要完成的功能是通過對環境溫濕度的監測來協調空調制冷系統的各機電設備運行并進行集中監視和聯動控制，通過對現場標簽變量的聯接controX 2000軟件可以根據標簽變量的時實變化模擬動態的中央空調制冷系統工作畫面，通過對現場溫濕度數據的采集和存儲自動生成制冷量歷史分析曲線，和統計報表，對于監控頁面相同，但是連接變量不同的工作場所的監控，可利用標簽組替換的功能，頁面刷新的時間不超過1s.在上位監控平臺上可構建軟邏輯專家算法功能模塊實現真正意義上的節能。
對于除濕系統的監控主要通過對工作現場環境濕度的采集，連接到DDC控制器對通風機組進行啟停控制，在開物軟件的監控平臺上通過對現場環境的模擬監測（顯示）現場的濕度變化并對現場濕度進行最大濕度值的篩選。同時在上位節點以報表的方式進行濕度的數據存儲。
3. 一級處理工藝流程:
一級污水處理工藝流程主要是依靠沉淀，旋流分離等物理處理方法對市政污水中的懸浮物和泥沙進行處理。在一級污水處理的工藝流程監控中，主要是對各污水處理機械設備的監控。完成對污水泵，粗細格柵，沉砂池攪拌器，空壓機械，吸砂泵的狀態監控；實施泵閥聯動，備用輪換，格柵清洗，旋轉篩網清洗，污泥池刮泥，自動打包等控制操作。
一級處理工藝流程如下所述：
§城市污水經市政排污管網進入污水處理廠的集水井中；對集水井的水位要進行監測，當集水井的水位過高時污水渠槽的水閘要落下，停止進水；當污水集水井內水位過低時污水槽水閘提起，市政污水流入集水井。
§集水井內的污水通過污水提升泵到達污水處理的前池，在前池進行污水的濁度測量，對污水的濁度測量可定時進行（時間間隔5—10分鐘），對前池的濁度測量是為了保證前池內污水濁度保持在一定范圍內（混濁度過高時要對污水進行稀釋調節），在污水提升過程中對水泵組的出水管口壓力和管網末端壓力要進行監測和調控，監測和調控的目的主要是觀察提升管網內是否發生堵塞（通過出口和末端的壓力差），壓力是否超出安全范圍等。在對提升泵組運行狀態進行監控的同時還要對前池的液位進行監控，當前池液位滿時，提升泵組要停機。當前池的水位降到最低水位時，泵組要重新啟動。
§前池的出水經過弧形格柵分離飄浮污物，和體積較大的污物，除清機每日定時對弧形格柵進行清洗或通過壓差傳感器測定弧形格柵的阻塞狀態，如壓差過高則進行清洗。
§通過弧形格柵的污水進入沉砂池。在沉砂池內設有沉砂池攪拌器，同時在沉砂池內設置空壓機管道出口，在沉砂攪拌器把污水攪拌均勻后，利用壓縮空氣分離泥沙和水。吸砂泵吸出分離出來的泥砂到污泥池，再經除渣機（刮泥機）清理，
§由沉砂池出來的污水進入到后池，在后池對污水的混濁度進行監控，PH值進行監視，讀取的數據為二級處理使用，同時可通過該數據監測經一級處理工藝后污水的狀況。
§由后池出來的污水進入旋轉篩網進行進一步的過濾，濾除污水中細小的污物。濾清器使用經旋轉篩網過濾后的污水對旋轉篩網進行沖洗，對旋轉篩網的清洗可通過過濾后的污水流量變化進行判定。旋轉篩網上被沖洗下的污物由除渣機（刮泥機處理）。經旋轉篩網后的污水進入深排槽，在深排槽內設置流量傳感器（調控通過旋轉篩網的污水量），和污水內的生物耗氧量測量，為二級污水處理提供數據。
4．二級處理工藝流程
從德山市整體工業概況考慮，污水二級處理工藝采用RSTP法和加藥處理（生物和化學處理）并用兩種處理模式。當經過RSTP工藝處理的污水還不能達到污水排放標準時，污水進入加藥處理工藝流程。在二級處理工藝流程中對污水處理工藝監控的對象主要是：
·生化處理部分：完成對處理工藝參數的監測控制，如對溶解氧，污泥濃度，PH值，ORP，BOD值等參數的測控。對曝氣設備，攪拌設備，排水設備，污泥回流泵，鼓風機等進行操作控制，以滿足對處理出水水質的要求。
·加藥處理部分：對于污水處理工藝流程中的加藥處理系統要求上位軟件實現對污水處理等級自動識別加藥，及專家算法配藥系統。
·淤泥處理部分：監測控制污泥錯池，污泥消化池，污泥脫水機及干燥設備的運行參數和狀態。
污水二級處理工藝流程如下所述：
§一級處理后的污水經污水提升泵到達污水中和池，在進入中和池的過程中要對污水提升過程中污水管線壓力進行監測，同時對中和池的水位進行調控（在中和池中設立最高和最低兩個水位線）。通過讀取中和池的PH值對中和池內的污水進行加酸/加堿，進行中和處理，調節中和池內的污水PH值恒定接近于中性。在加酸/加堿的過程中，通過PLC對加酸和堿的特種電控閥進行開度和啟停調控，在上位監控平臺能通過模擬水顏色的變化來監視污水酸堿中和的過程；通過藥液流動來觀測加藥閥門的啟停狀態，通過模擬閥門開度儀表，來觀測加酸/堿閥門的開度。（對于污水酸堿中和的過程，在上位只能進行監視，不能進行上位人工手動控制）。經過中和池后的污水進入沉淀池，由于經過一級處理工藝只能去掉污水中50%的污物，在沉淀池內通過定時系統對污水進行初步的沉淀處理，沉淀池出來的污水進入RSTP法生物處理過程。RSTP工藝流程簡介如下：
RSTP(Reciprocal Sewage Treatment Process往復式污水處理工藝)工藝由一組配有充氧裝置的處理構筑物組成，其間設有連通管道及控制閘閥，能組成多種污水處理系統。污水按指定的順序依次通過各個構筑物，分別進行曝氣，固液分離和污泥回流。在處理污水時污泥也同時得到穩定，利用系統內共生的微生物(活性污泥)和高等水生生物(魚類)共同完成凈化任務。
RSTP工藝流程：
(1) 借鑒氧化溝工藝將"污泥的穩定和污水的凈化"納入同一道工序的經驗，將處理污泥的厭氧消化工藝改為好氧消化，將污泥和污水的無害化過程合并為一道工序，取消初次沉淀，不再設置污泥消化系統。
(2) 借鑒"完全混合型"的流態能提高耐沖擊負荷的經驗，借鑒"多級曝氣"有助于發揮微生物種群特性的經驗，按"完全混合型"及"多級曝氣"的原則組織生化處理系統，以此穩定并提高凈化效果。
(3) 利用"改變流向"使污泥回流的經驗，組織生化系統，減免二次沉淀和污泥回流工序，以此來降低成本。
(4) 借鑒華南地區糞便養魚及華東地區肥水養魚的經驗。利用RSTP生化系統中能保持較高溶解氧的條件，為微生物(活性污泥)與高等水生物(魚類)創造共生的條件，互為餌料，共同完成凈化任務，籍以降低能耗并清除剩余活性污泥，實現剩余污泥的"零排放"。利用延長泥齡可以降低產泥率的經驗，RSTP系統對一般生活污水處理的產泥量均能降到懸浮物排放標準以下。當凈化水用于農田灌溉及漁業生產時，可以將已經穩定的污泥(肥料)以混合液的形式隨凈化水直接送到再利用現場。在不具備利用消化污泥條件時，采用充分"投魚及供氧" 的措施，作為餌料將剩余污泥清除在系統內，選用方案根據現場具體情況決定。以此取消重力濃縮、化學絮凝、機械脫水、車輛運輸及最后處置等全部工序，這樣簡化了工藝流程、降低了工程造價。
(5) 利用原污水中的碳源進行脫氮的經驗，重新組織配水系統及處理構筑物的組合方式，提高原污水中的碳源與凈化水中硝酸氮接觸的機會。在改變污水流向時所形成的局部缺氧區內，使凈化水中的硝酸氮與新污水中的碳源多次接觸，進行反硝化，達到脫氮的目的
(6) 借助污水管網內的厭氧條件，并利用多級曝氣強化活性污泥再生的經驗組織生化系統，提高活性污泥的吸附再生能力，達到除磷的目的。富磷的活性污泥做為餌料被共生的魚類清除在處理系統內，緩解常規工藝中剩余污泥在濃縮工序內因停留時間過長而使已經被活性污泥吸附的富磷又重新返回到污水處理系統中去的弊端。
(7) 利用調整負荷、停留時間及充氧強度的方法能改變污染質去除率的經驗，重新組織配水系統、排水系統及充氧裝置，以此來提高處理設施的靈活性。根據污水資源化的具體服務對象，調整運行方式，改變凈化程度，同時提供不同標準的凈化水。漁業生產有時需要提供 BOD為50～80 mg/L的凈化水，農業灌溉無須除磷脫氮，籍以節約能耗。
(8) RSTP生化設施兼備曝氣及固液分離的功能，其單體按完全混合型流態布置，有淡化污水異臭的功能，為壓縮衛生防護帶創造條件，處理系統的總體按串聯方式組織，籍以消除短路，穩定凈化效果。
(9) RSTP設備簡單，為降低成本實現處理設備國產化、提高自動化程度及遙測水平創造條件，也為方便管理、便于監督奠定基礎。
(10) 借鑒消除噪音擾民的經驗，避免采用鼓風機類的高噪音充氧設備，優先選用表面曝氣器及轉刷類的低噪音充氧設備，藉以壓縮污水處理廠的隔離防護帶，節約用地。
（11）氧化溝站的控制功能要由兩部分來實現：用計時器來控制進水堰門、出水堰門的開/關；根據溶解氧濃度來（反饋）控制曝氣轉刷的快/慢轉動，以保證三溝處于相應的工作狀態。
RSTP由四個為一組配有充氧裝置的處理構筑物組成，其間設有連通管道及控制閘閥，能組成多種處理系統。處理系統的流態在全程上為推流式，在處理構筑物的單體內為完全混合型。污水按指定的順序依次通過各個構筑物，分別進行曝氣、固液分離和污泥回流。 RSTP可以一組單獨使用，也可兩組或四組聯合使用，合理的應用范圍達20萬3/d。
RSTP具有以下特點：
（1） 凈化污水的同時污泥也得到穩定，減免常規工藝中的污泥處理工序。
（2）系統中的泥齡延長，產泥率低，具有免排剩余污泥的特性。
（3）為多級生化系統，能充分發揮微生物種群的特性，具備處理效果穩定的優勢。
(4) 系統中能維持較高的DO，為高等水生生物(魚類)的存活創造了條件，利用系統內共生的微生物(活性污泥)和高等水生生物(魚類)共同完成凈化任務，具有降低能耗的作用。
(5) 系統對于活性污泥具有較強的吸附再生能力，提高活性污泥吸附磷的功能，同時利用共生的魚類將吸附在活性污泥內的富磷作為餌料，將磷清除在處理系統內。
(6) 利用改變流向的辦法使原污水中的碳源與先期進入RSTP系統污水中已經轉化為硝酸氮的氨氮進行多次接觸，完成脫氮任務。
(7) 系統為完全混合型，有淡化污水異臭的功能，為接近居民區就地實現污水資源化創造了條件。
(8) 能同時提供不同標準的凈化水，滿足污水資源化不同的需求。
(9) 工藝流程簡單，操作方便，易于實現運行自動化。
§RSTP處理后的污水在二次沉淀池內對污水中的殘余污物進行沉淀處理，在上位能夠監測到沉淀池的水位高低（保持恒定）二次沉淀的過程實際上是對污水的過濾過程沉淀池分兩層結構中間的過濾層由（砂石，木炭，煤渣）三層結構組成，過濾層上是污水，過濾層下是經過過濾后的清水，保持水位的恒定是通過重力的作用使污水通過過濾層。經RSTP處理后的污水如果達到排放標準則排入地下或江河中，如果仍不能達標，則要再經過加藥（化學處理過程）
§加藥系統：
加藥系統實際上是污水的第三級處理工藝。把經過RSTP處理的污水分成兩部分，
一部分直接排放到江河中，另一部分按照城市工業回用水和市政設施中水的需求量把
經過RSTP處理后的污水進行加藥處理生成中水，供給工廠和市政設施回用。加藥處理
的配藥系統主要是根據對每次進入加藥處理池內污水的各項指標把污水分成10個等級
利用controX 2000的配方功能配制不同比例成份的7種化學混合制劑，加入到污水中
混合，對污水中的殘余有機物質進行絮凝，分解處理。
6．污泥處理:
淤泥處理部分：淤泥處理主要是對沉淀池，RSTP處理工藝，二次沉淀池內的污泥進行處理。上位監控要完成功能：監測控制污泥池，污泥消化池，污泥脫水機及干燥設備的運行參數和狀態，對干燥后的污泥要監視自動打包外運系統的工作狀態
7．暴雨排洪：
當暴雨季節來臨時，由于污水處理廠地勢較低，在暴雨來臨時，所有的污水處理設備停止工作，排洪系統通過上位的確認后啟動，排洪渠的水閘全部提起，污水處理過程的進水閘關閉防止洪水對污水廠設備的沖擊，同時每個水池的泄洪閥打開，對降落在廠區的雨水進行疏導。廠區內二條排洪渠道自動進行泄洪處理。ControX 2000搭建的上位監控平臺對全部的排洪過程進行動畫模擬監控，同時設置在監控中心的視頻監視系統啟動，對排洪過程進行視像監視。
8． 統計功能：
controX 2000軟件通過自帶的報表編輯器能夠自動生成各種格式的統計報表，并可隨時調用，查詢和打印。ControX 2000的報表可對污水處理流程中的各項參數（BOD,COD,SS,PH，含磷量，含金屬量，含其他有機物質量）等進行統計，按照需求生成日報表，周報表，月報表和年報表等；對污水處理的噸數按每月生成統計棒圖；對污水處理流程中發生的設備報警自動生成報警統計報表。
9．Web功能
controX 2000軟件的web瀏覽功能可做到無限客戶端，利用controX 2000強大的web瀏覽功能，可滿足衛生防疫，城市環境監察，市政府等各衛生和行政部門對城市水資源再利用，污水凈化，環境保護的狀況數據提取需求。通過開放的工程端口和web登陸權限，衛生防疫部門和城市環境監察部門可通過IE瀏覽到城市污水原水的各項參數指標，凈化后的可排放水參數指標。市政有關部門根據所擁有權限的不同，可瀏覽到不同層次的處理概況。
10．網絡冗余
由于市政污水處理工程的重要性，德山市污水處理廠的自控系統利用controX 2000強大的網絡冗余功能構造了全機雙冗余系統。
三：自控系統介紹：
污水處理廠自控系統遵循“集中管理，分散控制，數據共享”的原則，設計選型先進，安全可靠，經濟合理，并能保證系統長期穩定高效地運行。
自控系統滿足污水處理廠運行管理和安全處理的要求，即生產過程自動控制和報警、自動保護、自動操作、自動調節、提高運行效率，降低運行成本，減輕勞動強度，對污水處理廠內各系統工藝流程中的重要參數、設備工況等進行計算機在線集中實時監測，重要設備進行計算機在線集散控制，確保污水處理廠的出水水質達到設計排放標準。
自控系統分為兩級總線網絡形式，即由服務器和客戶機構成多用系統終端總線型式和現場過程控制的開放式現場總線型式。自控系統網絡及設備主要技術指標見下表。
自控系統網絡及設備主要技術指標
終端總線速度
10Mbit/S
總線傳輸速度（max）
12Mbit/S
總線設備容量
≥64個
總線通信距離
≥1.2km（不加中繼）
現場控制部數據處理
≤0.3ms（處理1024二進制語句）
現場控制站I/O點數（max）
1024 DI/DO，256 AI/AO
污水處理廠自控系統的基本構成：
污水處理廠自控系統由兩臺互為熱備的中央服務器（兼操作員站）和一臺管理計算 機、一臺總工程師計算機構成的中央控制站、10個現場控制站、工藝儀表、電量變送器構成。10個現場控制站均設彩顯各一臺，用于現場操作和動態顯示工藝參數和設備工況。各現場控制站與中控站連接采用有線數據通訊電纜。
現場控制站根據污水處理廠的實際工藝和構筑物的幾何分布，設置在控制對象和信號源相對集中的幾個單體中，并考慮在不影響控制功能和設備安全的前提下，盡量節省投資。本控制系統由10個現場控制站組成。它們分別位于：廠外變電站；廠內空調暖通機房；廠外污水提升泵房的污水站；廠內一級處理工藝站；廠內提升泵站；廠內污水PH中和站；廠內污泥間的污泥站；廠內低壓配電間的RSTP工藝處理站；加藥系統的配藥站；廠內中水消毒和排放計量站。
(1)污水站
采集污水提升泵房的液位，控制污水提升泵的升/停及運行臺數，水泵在一定時間間隔內的啟停次數將嚴格按照水泵特性要求執行。每臺水泵的運行時間應累計并且記錄，以保證各臺水泵運行時間的均勻，同時根據泵組保養規定，發出保養維修信息提示。控制截污閘閥，1#、2#啟閉機運行。1#、2#格柵機的運行根據超聲波液位差計的信號及時間由污水站PLC予以控制。采集污水流量，泵房配電的電量參數，污水提升泵電流。
(2)RSTP工藝站
根據氧化溝溶解氧值和時間要求對每組氧化溝的六臺充氧轉刷自動開/停及變換旋轉速度，控制相應的三角配水井及氧化溝的電動堰門的開/閉，實現工藝所要求的控制過程。氧化溝控制共有三種操作方式：
① 就地手動操作方式
在這種方式下，進水堰門、出水堰門和曝氣轉刷均由就地控制箱（盤）上的按鈕來控制開/停。氧化溝站僅對這些設備進行監視。
② 遠方手動操作方式
在這種方式下，操作員在本站的監控節點上進行對被控設備的開/停操作。
③ 自動操作方式
在這種方式下，進水順序、出水切換、溢流堰升降、轉刷開停及低速、高速運行，各工藝工況的變換，均由本站PLC按預先編制的程序及氧化溝溶解氧自動控制系統控制運行。每種工藝工況的運行參數可以在線或離線調整，每臺設備和每種運行工況也由本站監視。
此外，本站在任何操作方式下還應采集檢測配電間的電量參數、厭氧池的溶解氧值、氧化溝的污泥濃度等。
(3)污泥站
根據污泥濃度，控制污泥回流泵的開/停和運行臺數，均衡泵的工作時間。根據細格柵的前后液位差及時間，控制細格柵的自動運行。監視污泥脫水系統的工況及工藝參數，監視加藥裝置的運行工況和加藥量，以時間周期控制砂水分離系統（旋轉沉砂器、吸砂泵、砂水分離器）的聯鎖運行。根據殘液提升泵的液位、控制殘液提升泵的運行及運行工作時間。采集污泥回流流量及排水流量。
（4）PH值中和站：
根據中和池內的污水PH值在controX2000的上位監控平臺上采用上位軟邏輯功能單元搭建模糊控制算法以次來實現對中和池內污水的PH值調節。在污水處理裝置中，二曝池前、后兩端的pH值對污水處理影響較大。在二曝池內的活性污泥微生物生長需要中性環境，而在前期處理中，向含油污水中加入硫酸，使其成為酸性，因此，在二曝池前段，向池中加入堿液，控制pH值在7~9之間。二曝池出水經過沉淀池后排海，因此二曝池后段pH值對最終污水處理的質量有較大影響，活性污泥在二曝池的生化反應會產酸，在二曝池末端加入堿液，控制pH值在7~8之間。
pH值控制是工業控制中廣泛存在的控制問題。從污水處理、集成電路蝕刻、冷卻塔、鍋爐供水、制藥廠的生化反應都需要對pH值進行控制。pH中和過程中的旨烈非線性。尤其當在pH接近終點的控制是非常困難的。
對于污水處理中的pH控制，還有更復雜的因素。首先，污水中參加中和反應的成份復雜，而且不穩定，而由操作和負荷改變引起的干擾又常常非常大。其次，加堿過程和產酸過程的時間常數不一樣。加堿過程中和反應速度比較快，滯后較小，而產酸過程的生化反應速度比較慢，滯后很大，這使得污水處理的pH控制更加困難。
由于污水處理pH值的特殊性，在控制中常用的PID控制難以達到控制要求。針對pH控制提出了多種建模和控制方法。一類是將pH中和過程看作是線性時變系統，采用線性自適應控制方法進行控制[4]。另一類是采用非線性模型進行建模，采用非線性自適應控制方法進行控制[2]。當反應成分滴定曲線變化不大時，這種控制可以達到較好的控制效果。而當滴定曲線有較大變化時，控制器的特性迅速變壞。另一類獲得高質量pH控制的方法是采用智能控制的方法，如模糊控制[5]、專家系統控制[6]、神經網絡控制[3]等。
在本系統中根據工藝特點采用模糊控制的方法對pH值進行控制。模糊系統模擬人腦對信息處理的模糊性，能夠利用人的語言信息等知識進行模糊推理。模糊控制器本質上是一種非線性控制器。采用的模糊控制器結構如下圖所示。
圖中，SP為pH設定值（精確量）；e、ec為pH值誤差和誤差變化率（精確量）；E~，E~C分別為反映pH值偏差和偏差變化率的語言變量的模糊集合（模糊量）；U~是控制器輸出的語言變量的模糊集合（模糊量）；u為控制器的輸出（精確量）；y為pH實際值（精確量）。輸入輸出變量均離散化為[-6，+6]間整數，模糊變量選為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，模糊變量的隸屬度函數選擇為三角函數，模糊推理方法采用Mamdani推理法。根據污水處理過程pH值變化的特點，采用如表1所示的模糊推理規則，經過運算后得模糊查詢表，如上表所示。
模糊控制算法程序采用controX2000中的腳本編輯語言實現。腳本編輯是controX 2000軟件向用戶提供的一個擴展功能接口。用戶可以在這里用pascal語言編寫自定義函數程序，這些自定義函數可以在整個工程中被調用。
通過對controX 2000的腳本進行編輯，自定義生成兩種不同的函數：項目函數（Project functions）和動作（Actions）。這兩種函數用于完成不同的功能。項目函數與高級語言中的函數功能相似，都是用來完成一定的計算、顯示、數據處理等功能。項目函數本身并不能被執行，必須被一個主函數調用以后才能夠完成預定功能。動作則不一樣，在開物軟件中可以給動作增加觸發器，一旦滿足了觸發條件，動作就能夠自動執行。在controX 2000中通常用項目函數完成數據計算、處理等功能，然后在動作中調用該項目函數。這樣在滿足觸發條件的情況下，項目函數便能夠不斷地執行。在全局腳本中生成一個項目函數，用它來實現模糊控制算法。
由于項目函數本身不能被執行，必須生成一個全局動作來調用項目函數。在本系統中，對pH值的控制除了模糊控制外，還設置了手動控制和常規PID控制。PID控制由PLC來完成，PLC中PID控制算法由西門子公司提供的軟模塊來實現。PID控制模塊中，除了需要由上位機提供KP、KI、KD參數外，還需要一個狀態控制字來決定手/自動狀態，PID模塊會根據狀態字選擇輸出信號，并實現手/自動之間的無擾切換。
由于在controX 2000中嵌入了模糊控制算法，使得狀態的邏輯關鍵變得比較復雜。在具體實現的過程中，我們設置了STATUS和CTRLMODE兩個狀態字，通過這兩個狀態字來區分PID控制、模糊控制和手動控制，其邏輯關系見表3。
當選擇PID控制時，STATUS被設置為0，PLC輸出的是PID控制信號；當選擇的是模糊控制或手動控制時，STATUS被設置為1，相應的PLC輸出的是傳給PLC的手動控制信號。由于PLC的手動控制信號是由controX 2000提供的，在組態時，我們把模糊控制算法給出的信號和手動控制給出的信號同時給到一個標簽變量上，通過CTRLMODE的值進行選擇。除進行了上述設置外，還需添加觸發器。控制算法采樣周期為T，則在全局動作中添加一個觸發周期為T的觸發信號。這樣，每隔T時間全局動作就調用模糊控制算法一次，控制算法輸出一個控制變量，完成對被控對象的一次控制作用。
該算法已成功應用于德山污水處理工藝中，在二曝池前、后段投入模糊控制后，pH值控制精度可達到±0.2，滿足了污水處理工藝要求。同時，降低了操作人員工作強度，堿液消耗量下降。
主要控制回路設置及現場站I/O點數
在生產的關鍵環節設置自動控制回路，現場站I/O點數的估算如表2所示：
（缺表）
以上I/O點數應再加15%～20%的余量。
監控軟件：controX2000;
應用范圍：廠級中控室監控、監控節點、設備單元的控制等。
系統的擴展：
要求本系統的三級網絡采用國際上先進的開放式結構，本系統與其它系統進行數據交換傳輸，能適應今后污水處理廠控制系統擴展，如：要求采集城市管網的工藝參數和污水泵房的工況；要求接受總公司的調度，要求與公司或其它污水處理廠的聯網等。
SAMPLEIMAGE四：自控系統的總體設計：
根據污水處理的工藝流程及其控制要求，自控系統的結構設計見下圖。從結構上看，本自控系統為三級分布式控制系統：廠級決策管理中心為第一級；設備自動化監控網絡為第二級。各下位控制站，現場總線為第三級。
功能設計：
從功能上看，本自控系統為二級控制方式：
第一級為人工控制方式：通常在設備檢修、手動工況時采用人工控制。
第二級為計算機控制方式：現場監控節點和中央控制室數據采集、處理、動態顯示各設備運行狀態工作狀態及各種參數的實況并實施控制。
中央控制室的監控畫面分為三級：第一級為工藝流程總圖；第二級為各工藝流程分圖；第三級為設備參數顯示圖。
中央控制室各節點的具體功能如下：
(1)服務器1#/2#
它是由終端總線聯接的多用戶系統的核心，完成中央任務，所有組態數據和過程控制數據均集中的放在中央服務器內。它為其它客戶機提供中央服務，例如：數據采集和存貯。服務器是廠級控制和管理中心，還具有以下主要功能：
§控制操作：在中控室里能對全廠被控設備進行控制，對各下位監控站和現場控制站PLC的參數進行設定和修改，具有良好的人機交互界面，可方便地進行圖形間的切換和各種功能的調用。設立不同的安全操作等級，針對不同的操作者，設置相應的加密等級，記錄操作員及其操作信息。
§顯示功能：用設計或實地圖片的方法生成圖形，實時顯示某參數，可定義不同的顏色來表示被測參數所處的不同范圍，使參數的變化過程一目了然。對全廠工藝過程、工藝參數、設備狀態等通過顏色的變化，百分比，色標填充等多種直觀方式動態顯示。
§數據處理及管理：記錄并顯示工藝參數、電量參數的變化曲線或趨勢圖，利用在線數據和數據庫的數據進行分析、統計、計算、顯示。
§報警功能：當某一參數異常或設備的故障時，可根據不同的報警類別，發出聲光報警、屏幕報警、輸入報警表，打印輸出或播放事先錄制的語言提示，同時顯示相應的提示信息，并記錄在報警數據庫中，且可分等級。
§報表功能：分成年度、季度、月度、日班報表及運行參數報表（如：污水處理量、加藥量、耗電量等）。
§打印功能：各種報表的打印，各種事件及報警實時打印。
(2)廠長辦公節點
用于廠長對整個污水處理廠的生產狀況和各項指標的隨時查詢，并有成本分析，統計計算功能。
(3)總規劃節點
主要用于對控制系統進行在線或離線方式的編制和修改或對參數調整。
（4）總工辦公節點
主要為污水處理廠總工程師提供污水處理的各設備運行和處理結果，監測設備和工藝的進行情況。對整個污水處理過程進行集中調控。
（5）總調度辦公節點
主要是對整個污水處理廠的各站點進行集中監測和管理。
四、現場控制器：
PLC選用OMRON的SYSMAC CVM1，因PLC可靠性很高，而MCC柜中均裝有常規保護裝置，未采取冗余措施。
PLC編程軟件采用OMRON公司為其SYSMAC系列PLC產品開發的、在WINDOWS環境下運行的SYSWIN V3.1。SYSWIN編程軟件與其它的PLC編程軟件相比，能將整個控制程序分解為被稱作任務的子程序。這種編程方式最突出的特點是以功能為目的，將任務以標準程序單元創建，可以反復調用，編寫的程序容易理解，易于調試。
PLC控制程序分為10個標準模塊：
· 公用程序：包括寢化部分和提供秒、分、時等時間脈沖；
· 順序控制：協調控制各設備的運行；
· 聯鎖保護：出現異常工況時，保護設備安全；
· 水泵軟啟停：由1臺變頻器實現4臺潛水泵的啟停操作；
· PID調節：根據集水池水位、排放濁度控制流量；
· 模擬量計算：將電量、流量、濁度、水位等轉換為工程量；
· 臺時累積計算：累積各設備運行時間；
· 設備均時控制：根據同類設備累積運行時間，啟停操作時使之趨于平衡；
· 日常工作：定時啟動濾清器、出渣機；
· 通訊處理：接操作員站發出控制指令和各類參數設置。
系統性能指標：
a. 網絡傳輸正常時，系統告警響應時間，數據響應時間，命令執行時間不超過1秒。
b. 故障報警準確率為100%
c. 整個系統全網系統時鐘保持同步，時鐘誤差小于1秒
d. 所有監測采集原始數據存儲時間不小于一年，告警數據存儲時間不小于一年
e. 系統平均故障時間MTBF>10000小時
f. 系統的采用不影響被監測系統及設備的正常工作
g. 系統具有自診斷功能，對數據紊亂，通信干擾等可自動恢復；對通信中斷,軟硬件故障等能及時診斷并告警。
h. 系統采用雙冗余結構，在發生故障時可自行切換。系統自身故障不會影響被監測系統和設備的正常運行
i. 系統為將來的擴容和升級留有足夠的空間
j. 系統具有內部安全管理機制，能防止非法用戶的訪問。
k. 在系統斷電，復電后可自啟動運行。
l. 上位的開物軟件具有很好的開放性，較強的容錯能力;軟件系統在運行時可提供詳細的在線幫助。開物軟件采用分布式的模塊化結構，對將來系統的擴容和升級沒有任何困難可言。
結束語：德山市市政第一污水處理廠于2002年6月投入運行，達到了設計要求，實現了設計目標，受到了用戶的好評。本自動控制系統具有良好的性能價格比，完全可替代國外的成套設備。
作者簡介：北京華富惠通技術有限公司 自動化工程部 項目經理 孫強
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