1 概述
近年来，各地相继利用外资建设了一批城市污水处理厂，将先进的工艺及设备引进国内，在提高工艺设备技术水平的同时，控制系统和管理水平也有了很大的提高。结束了以往污水处理全部用人工或简单的电器控制的落后局面。
唐山市西郊污水处理厂建于80年代中期，日处理能力3.6万吨。受历史条件局限，全部采用的国产设备，工艺设备为人工操作或简单的电器控制。运行中的工艺参数调整大多凭经验，这种低水平的运行管理状态在很大程度上影响了正常运行。
污水处理成套设备综合智能自动化系统开发研制目标是对污水处理运行过程的全面控制及全厂管理系统进行研究开发，实现污水处理全过程的自动化控制和现代化管理。
针对自动化系统的发展趋势及西郊污水处理厂的现状，将现场总线技术，智能控制，故障诊断及常规DCS和PLC技术作为开发的重点。
系统按纵向分层，横向分站的原则构造，纵向分为远程终端，计算机集成生产系统，控制网络和现场设备及各层面。横向则根据污水处理工艺划分为若干个控制站，用户可根据自己的实际情况，合理地选择系统的配置。考虑到污水处理厂的改造与发展，系统可扩展性和兼容性比较强。针对污水处理工艺过程，开发了智能化控制软件，实现污水处理工艺运行参数以及运行过程的自动控制。开发了相对独立的车间单元级设备及控制系统，并按照污水处理工艺过程和DeltaV系统的配置要求，将控制功能分配在2台DeltaV控制器上，其中1号控制器主要监控预处理工序生产过程。包括三索格栅，污水泵等设备，由于沉沙池和一沉池的工艺设备属于开关量控制，且与1号控制器距离较远，因此选择1台PLC控制这些设备的运行。PLC和1号控制器通过RS--485总线连接，按相关协议进行数据通信。2号控制器监控二级处理工序生产过程，包括曝气池，二沉池，鼓风机和回流污泥泵等。在污泥脱水工序开发了一套PLC控制系统，通过RS--485总线和2号控制器连接，亦通过相关协议将运行数据上传到中央控制室。全厂工艺运行的控制系统可划分为污水泵及三索格栅自动化控制、预处理工序自动控制、曝气池溶解氧与鼓风曝气自动控制、曝气池混合液浓度与污泥回流自动控制、二沉池泥水界面检测及排泥自动控制、污泥脱水工序自动等六个控制单元。
2 各单元控制系统
2.1 污水泵及三索格栅自控系统
污水泵单元设有4台污水泵，其中2台通过变频器控制。2台自耦启动。正常情况下，2台污水泵同时工作，即：1台由变频器控制的泵和1台自耦启动的泵（恒转速），根据集水井液位和总流量要求，在1台恒速泵工作的同时对变频器控制的泵进行调节，以使之达到运行需要。中控室DeltaV控制污水泵运行。三索格栅是系统实施过程中新开发的设备，为满足系统控制的要求，在电气控制部分增加了远程控制功能，在远程控制状态时，DeltaV控制其运行。三索格栅的运行间隔根据进水量的大小确定。
2.2 污水预处理工序自控系统。
1、旋流沉沙池和砂水分离器控制系统
该系统在项目中新开发的设备设施包括：2座旋流式沉砂池；3台罗茨鼓风机，1台无轴螺旋砂水分离器，11个电磁阀。该系统电气控制元件多，动作复杂，为此采用PLC做主控制器，控制方式为自动，中控，手动三种，在这种控制方式下，可分为单独工作或同时工作，该系统输送给中控室DeltaV系统的信号有：故障信号：电机出现故障时，中控室DeltaV系统报警，当班人员可及时准确处理故障。中控信号：将现场控制旋钮旋到中控位置，中控室得到中控信号，即可合上中控触点进行中央控制。电机运行信号，提砂信号，洗砂信号，便于中控室进行监控。本系统还设有2台闸板启闭机，1台PH计，2台阶梯格栅，（新开发）1台皮带输送机，其控制检测信号由MODBUS通讯传输到中控室的DeltaV系统，分为中控/手控方式，分别依据污水处理工艺的数学模型进行控制。
2、一沉池自控系统
该系统共有沉淀池4座，在每个沉淀池增设4台电动排泥阀和1台刮沫机。电动排泥阀具有现场手动和远程操作功能，反馈到上位机的信号分别为运行，停止，手动/自动，开阀到位，关阀到位，阀门故障等信号。刮沫机的控制信号也同样反馈到上位机的PLC中，主控制器按工艺要求分别对刮泥机，电动排泥阀门按时间函数进行控制，并将相关的反馈信号由MODBUS通讯传输到中控室的DeltaV系统进行检测。
2.3 曝气池溶解氧与鼓风曝气自控系统
该系统由鼓风曝气装置（鼓风机，供风管，曝气管）电动调节阀，溶解氧传感器及DeltaV控制器组成。各曝气池溶解氧含量的控制由溶解氧传感器，控制器，综合参数流量控制器，电动调节阀构成串级控制回路，通过调节阀门开度使溶解氧保持在工艺要求的范围之内，鼓风曝气总量控制回路由溶解氧传感器，综合参数流量控制器和变频调速器构成。通过调节风机转速控制鼓风总量的大小，在满足曝气池供氧量的前提下，降低鼓风机电耗。
对于鼓风总量控制回路，使用综合考虑溶解氧均值，进水量，MLSS等工艺参数的控制算法。在鼓风机出口没有安装流量计，只安装了用来检测鼓风机出口压力的现场总线型压力变送器。因此。流量调节是按照鼓风机的性能曲线进行的。（附图4）
2.4 曝气池混合液浓度与污泥回流自控系统
该系统有4个串级控制回路组成，每个回路中包括混合液浓度传感器和控制器，回流污泥流量传感器和控制器以及电动调节阀等。
在混合液浓度控制系统的内环，由于执行机构-电动调节阀和检测仪表-多普勒流量计均有一定的纯滞后时间，对于这种控制现象使用常规控制效果较差，所以采用了采样值PI控制作为串级控制系统的控制器。活性污泥法污水处理过程是一种生化反应过程，它对控制系统的要求是使混合液浓度保持在一定的范围内，为使回流污泥调节阀的动作不至太频繁，混合液浓度控制系统的控制器采用采样-保持式增量控制方式，这种控制方式是模拟人工控制的方式进行的，控制器每隔一段时间采样检测一次混合液浓度，将该值与前一次监测值进行比较，得到在区间内的变化量，再根据当前混合液浓度与混合液浓度控制范围的中值的差，计算出主控制器对从控制器的给定流量。
2.5 二沉池泥水量界面检测及排泥控制系统
该系统由泥水界面计，无线数据传输装置和工业控制机组成。采集的二沉池泥水界面值通过无线发射模块送到无线接收模块，再通过RS--485总线传输到中控室的工业控制机，该机对泥水界面的数字信号纠错处理后，利用工厂控制网络将实时的泥水界面交给DeltaV系统。
排泥控制系统中的DeltaV系统，污泥回流泵变频器，排泥电动阀等作为系统的控制和执行单元，完成对二沉池泥水界面值的控制。
2.6 污泥脱水工序自控系统
作为一个相对独立的控制单元，开发本系统的目的在于，根据污泥量，污泥浓度调节絮凝剂的投入量，使污泥脱水过程在最佳絮凝状态下运行，改变污泥脱水工序无计量，无检测的人工经验式的工作状态，实现污泥脱水工序生产过程的自动控制，建成运行过程主要工艺参数的在线监测及参与实时控制的自动化系统。
根据污泥脱水工艺流程和需要控制的设备的数量，仍以PLC做为控制计算机。控制方式分别采用手动和自动。
手动运行方式下，可按照工艺要求，根据现场设备状况及污泥和絮凝剂的反应情况，进行手动操作。阀门控制器和定量控制器，也设为手动/自动两种工作方式，在手动工作方式下，由面板上的按键直接操作。
在自动运行阶段，关键是控制阀门开度和定量泵加药量，定量泵转速，和给泥阀的开度。但由于加药量和阀门开度控制都有一定的延时，所以，关于给泥阀和加药泵的控制是一个带有滞后的多因素的非线型控制，为使控制准确，需增加智能控制，选择专家系统对阀门开度和定量阀进行控制。阀门开度控制在0～100%之间，定量泵的流量控制在0～300m3/h之间，由PLC的模拟量的输出对阀门开度和定量泵的转速进行控制。
专家系统模型的基本思想是：在确定某一加药量的前提下（即确定定量泵的转速下）根据污泥浓度的检测在某一浓度范围内，确定阀门的开度。如果在一定阀门开度的基础上污泥流量偏小，可确定污泥管道或阀门有堵塞现象，这时可把阀门开到100%，用中间罐的污泥进行冲洗，处理完堵塞问题后，再把阀门开到相应的度数。通过控制柜面板上的显示仪表，可以对阀门开度进行微调，同时对加药量也可以调整。在另一加药量的前提下，同样可利用专家系统在某一污泥浓度下对阀门开度自动调节。
在全厂整个控制系统中没有考虑中控室对污泥脱水单元工序进行控制，只设置了该单元与DeltaV系统的通讯方式，使中控室操作人员对污泥脱水单元运行情况能够掌握。
3 故障诊断专家系统
本系统针对污水处理工艺这样的物理和生化变化为主的诊断对象，故障发生的特点，提出了面向工艺故障诊断的总体方案。
由于污水处理是一个较为缓慢的物理和生化变化为主的工艺控制过程，产生的故障绝大部分是参数性故障，而且污水处理工艺运行过程属于少品种大量连续生产类型，生产过程是连续的，物流和能量流持续不断进行，工序先后次序紧凑严格，工艺流程基本不变，缓冲余地小生产均衡平稳，并伴随着一系列物理生化变化，整个过程又存在着突变性和不确定性因素，对管理，控制的协调性，实时性和可靠性要求较高，设备运行的环境比较复杂，故障停车损失大，往往故障的发生是以连锁的形式出现的，这样故障停车造成的损失巨大，因此故障诊断是确保安全运行的必要手段。
根据污水处理工艺的故障诊断特点，提出了一个检测诊断和决策支持的系统。
故障诊断系统的数据采集是通过现场总线和网络来实现的，其体系结构分为工厂级、车间级、现场级。通过现场级与车间级自动化监控集成系统主要完成底层设备联机控制，通讯联网，在线设备状态监测及现场设备运行和生产数据的采集，存储统计等功能。在现场级网络，通过控制器与现场设备之间的I/O连线或现场总线的数字化通信网络将传送到控制器的在线数据再通过预订的协议传送到上位机，并存储在数据库，这部分的功能是通过数据通讯部分实现的。
诊断系统中，数据采集，数据检查和故障诊断之间的控制信息和在线数据的交互是通过相关部件和数据库的查询技术实现的。
下面介绍一下系统中采用的离线诊断和在线诊断两部分的一些特殊功能。
诊断模型采用层次分类方式，根据层次分类的方法构建为工艺链-故障树诊断模型，借鉴了当前较成熟的结构树-故障树诊断模型。将污水处理工艺流程划分为若干个彼此不相干的线性链表，每条线性链表就是一条工艺链，它表现的是在处理同一物质的过程中，各工艺环节之间的关系应该是“图”，即有些环节有多个输入和输出，但是对于在工艺流程中出现的两个工艺链交叉的环节，另一个链表的物质流，可作为控制参数或状态参数对待。
污水处理厂的在线故障诊断，就是要根据通过传感器获得的某个输出参数的状态（是否超标）以及其它的一些在线数据判断是哪个输入参数对应的设备出现故障。在污水处理工艺过程中，由于生化反应需要时间，在线参数的变化不是阶越而是连续的。因此某些输入参数发生了某种变化后，输出参数的变化会有一个滞后，而不是同时跟随输入参数发生相应的变化，由于这个原因就要求该系统不仅需要根据当前的输出参数的数据判断出是哪个输入参数超标，也就是哪个输入参数对应的设备出了故障。该系统的故障诊断不仅是依照当前数据进行诊断，更重要的是要根据历史数据判断出故障源。根据输出参数而不是直接判断输入参数是否超标进行诊断主要基于以下原因：
（1）增加报警的准确性，由于对产品（即所处理的污水）的质量起决定作用的是输出参数的值，也就是说，有时即使某些输入参数代表的工艺参数超标，但是如果它对产品的质量指标不产生过分的影响（既不是产品的质量指标超标），那么对于输入参数的这种超标状态，可以不予考虑，只对确实应报警的工艺状态报警。
（2）增加系统的智能化，根据诊断可以直接判断是那个工艺参数（指输入参数）发生了问题。
（3）减少误报警次数，由于干扰等原因造成的输入参数的瞬时超标不会对输出参数产生影响，因此这样的报警就能够剔除。因为经常是几个输入参数影响一个输出参数，所以因对输入参数干扰引起的误报警次数可以大大减少。
（4）在线参数都是通过组态软件获取，而对于参数的超标的报警在组态软件中已经做得相当完善。
本系统以污水处理厂工艺流程控制智能诊断为主要内容，实现了实时性要求不高的在线，离线智能故障诊断。其主要特点如下：
（1）采用面向对象的思想分析，设计和实现了诊断模型。
（2）采用实时方式传送在线数据，轮询方式征兆提取的在线诊断机制。
（3）实现了对多故障分组并以此诊断的多故障诊断。
（4）应用层次分类的方法，建立了工艺链，故障树模型及按照多对多关系组织故障树知识库。
（5）实现了在线和离线两种诊断方式的诊断系统，其中故障树推理实现两种诊断策略。
（6）实现了系统管理模块，可以进行用户管理，数据库维护和对在线诊断参数和界面参数进行设置。
4 小结
污水处理成套设备综合智能自动化系统作为西郊污水处理厂的改造嫁接工程项目，已于2000年3月份通过了专家鉴定验收，结合前段的运行实践，作如下小结：
4.1 运转状况：
（1）工艺设备
通过项目开发了GGS型三索格栅，旋流沉沙池，无轴螺旋砂水分离器，JTS1110型阶梯格栅，一沉池刮沫机，DQY2000-C带式压滤机，电动阀门执行机构等新设备，新设施，提高了西郊污水处理厂的装备水平。
（2）仪器仪表
引进一批国内国外先进的计量检测仪器仪表，可完成对污水污泥的流量，液位，PH，鼓风量的测定，并实现了曝气池溶解氧，混合液污泥浓度，二沉池泥水界面等关键工艺参数的在线监测与控制。
（3）智能化控制系统
系统主控制器采用国外公司新近推出的DeltaV控制系统，项目研制开发的智能化控制系统界面友好，操作方便。各工艺环节运行良好，并实现了曝气池，污水脱水系统的智能化控制，项目研制开发的管理软件，控制软件，故障诊断软件功能完善。
4.2 预期效益
（1）在高电耗设备上采用了变频调速及系统控制等项技术，合理匹配机泵，节能降耗，全年可节约电费17万元。
（2）通过选用高效的DQY2000-C带式压滤机和增设污泥脱水生产工序自动化控制，使污泥脱水过程在最佳絮凝状态下进行，不仅可大大增加脱水污泥量，而且可降低运行成本11万元。
总之“污水处理成套设备综合智能化自动化系统”项目工程的实施不仅提高了西郊污水处理厂生产运行的管理水平和科技含量，同时也希望能对中小型污水处理厂的改造与建设提供一些经验。
