自动化控制系统在垃圾渗滤液处理中的应用

1 前言 在垃圾渗滤液处理站的管理方面，早期主要是由技术人员现场检测、调试，需要进行实时检测的项目指标多而复杂，例如：进出水pH值、进水流量、曝气池溶解氧量等。若对这些指标逐一实时检测，无疑会耗费大量的人力物力。随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制系统渐渐应用到渗滤液处理工艺监测过程当中。近年来，各地相继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，结束了以往渗滤液处理全部用人工或简单的电器控制的落后局面。 福州市红庙岭垃圾填埋场是一座处理城市生活垃圾的大型卫生填埋场，其渗滤液处理厂设计规模为2500t/d，其中原一期渗滤液处理站规模1000t/d，二期拟扩容改造的渗滤液处理站规模1500t/d。该工艺流程中的氨吹脱、CASS工艺对控制程度要求较高，因此自控系统是实现整个工艺的关键，目的在于能够及时了解和掌握处理站处理过程的运行工况、工艺参数的变化及大小、优化各工艺流程的运行，保证出水水质，降低处理成本，节省能耗，提高运行管理水平，使处理站能长期正常稳定地运行，取得最佳效益。 2 总体设计 2.1 设计目标 根据工艺流程及构筑物的地理分布，依据“实用、可靠、经济、先进”的原则，采用“集中管理、分散控制”模式本厂建立了一套经济可靠的现场监测、过程控制和计算机管理一体化的系统。按工艺流程将生产区域分为两个不同的现场控制单元，全厂设立一个中央监控管理站，利用网络通讯实现了信息、资源的共享和“现场无人值守、总站少人值班”的目标。2.2 设计思想 随着自动控制技术和设备的飞速发展，控制方面的选择也在增加，由于可编程序控制器（PLC）具有可靠、灵活、易学、易用、功能齐全等优点，适用于包含逻辑控制、顺序控制和批处理控制等许多复杂算法的系统，故在渗滤液处理站得到了广泛运用，因此该站自控系统也采用了PC+PLC模式。整个自控系统按3级结构设计，包括现场设备级、现场监控级和中心监控级。 全站网络系统有基于TCP/IP协议的高速以太网信息管理级和控制网络的过程监控级，其中过程监控级的控制网络由各个现场控制站组成，主要任务是进行过程数据的采集及处理，然后将生产过程的各种数据送到中央监控管理站，借助于监控软件和PLC内的控制程序完成数据统计、分析和计算功能，从而实现对工艺过程的连锁保护及整个生产过程的监控。 建立在信息管理基础上的以太网管理级由主控计算机和管理计算机组成，对整个系统的数据信息进行管理，将生产过程控制网络与全厂管理系统连接在一起，在完成数据交换、数据共享的基础上实现了测、控、管一体化。 2.3 PLC设备选型 采用美国Rockwell Automation公司的ControlLogix系列PLC。从处理器到：I/O模块、从硬件到软件，整个产品的结构具有开放、可靠、灵活和易于扩展的特点。独特的背板结构、先进的通讯技术、丰富的通信接口使ControlLogix系统具有无缝连接、快速传输、可组态的特点。此外，ControlLogix系统将离散量控制、运动控制、相互协调的变频控制、批量控制以及过程控制综合在一个集成式结构中，并且可耐震动、高温及各种工业环境下的电气干扰，使其具有工业化、集成化、结构紧凑的优点，可以满足使用需求。 3 控制方案 3.1 控制方式 根据所需要的控制功能，系统采用3级控制层：手动、自动控制和中央监控管理站远程监控。手动控制具有最高控制优先级，由配电屏或控制柜旁的按钮控制；自动控制是指由各现场控制站的PLC控制器按照所编制的程序对设备进行自动控制（控制级别高于中央控制）；中央监控管理站远程监控是指通过中控室对生产过程进行调度，调度指令通过控制网络由现场PLC控制站实施。 对于某台具体的设备，根据控制信号的来源分为手动、远控两种控制方式。手动控制的信号来自设备旁的按钮，远控的信号则来源于PLC现场监控站输出的控制信号。中央监控管理站层的监控信号先通过网络传送至相应的现场PLC站，然后由PLC对设备发出控制信号达到监控的目的。 控制系统在保证现场设备自带小闭环控制系统相对独立的前提下，使监测系统、电气系统、小闭环系统与计算机控制系统协调，保证现场控制站能按工艺要求和操作规程实现设备运行自动化，通过中央监控管理站实现对整个生产过程的监控、统计分析及管理，达到无人值守的目的。 3.2 现场控制站 控制站负责对加药间、石灰投加系统、鼓风系统、CASS池、吹脱系统等工段的工艺运行参数、设备运行状态等进行监测和控制，同时现场控制站还将采集的数据通过全站控制网络送至渗滤液处理站中控室进行集中监控。各工段具体检测内容及仪表配置如下： （1）进厂水质监控：对进水水质的BOD、COD、氨氮等进行定期人工监测，以指导后续处理工艺的运行操作。 （2）石灰混凝反应沉淀池和中和反应沉淀池：安装pH检测仪，以进行渗滤液pH值的监测，调整酸、碱的投加量。 （3）CASS池：每一组CASS池上分别设4套溶解氧检测仪和4套污泥浓度计，分别用于预反应区溶解氧测量、混合液测量、主反应区的溶解氧测量以及混合液测量。分别在回流污泥总管和剩余污泥总管上设电磁流量计，用于计量回流污泥量和剩余污泥量。 （4）鼓风机房：出风总管上设风量检测计、压力变送器、一体化温度计。 （5）污泥脱水机房：用于脱水机房污泥量根据剩余污泥管上安装的电磁流量计计算。 （6）尾水计量、监测：在出厂尾水干管上设COD、氨氮等在线监测仪表，用于出厂水水质监测。 （7）动力计量、监测：电气设备的电量、电压、电流、功率、cosφ等检测量采用微机综合保护装置。 3.3 系统配置 现场控制站以LOGIX5550处理器模块为核心，配上相应的输入输出（I/O）模块、机架、电源模块、Control Net通讯模块以及远程I/O模块等。 3.4 系统软件 3.4.1 组态软件 PC+PLC控制模式下的PLC主要完成数据采集、执行生产过程的控制、实现连锁保护等功能，而作为操作站的PC机除提供友好人机界面外，还需要有实时处理数据的能力以及提供各种复杂的控制算法、趋势分析、报警管理及报表生成功能。这些功能的实现依赖于组态软件的选择。经过综合分析，采用了美国Rockwell Software公司的RSView32中文版组态软件。由于ControlLogix PLC控制器与之自然集成，为由Con-trolLogix PLC组成的控制系统提供了极大的灵活性。 3.4.2 编程软件 编程软件采用RSLogix5000。它是一个32位与Windows 2000/NT兼容的编程软件包，编程设计简单、直观、具有高级诊断功能、可靠的通信能力、通用的用户界面和设置、灵活易操作的编辑器、文件处理和打印、通用的梯形图指令集、点击即可组态及可靠的通讯功能，适合具有任何层次、经验的开发人员。 3.5 系统功能 （1）功能组显示 功能组显示包含过程输入变量、报警条件、输出值、输入值、设定值、回路标号、缩写的文字标题、控制方式、报警值。功能组显示画面包含所有调节回路及顺控回路。 （2）细节显示 利用细节显示可观察以某一回路为基础的所有信息，其细节可与用户协商。 （3）标准画面显示 包含报警、趋势、成组、棒图显示等。 （4）其他显示 包含班组、系统状态、通讯状态显示等。 （5）报表打印 使用指定的格式将所有历史记录制成打印表格。报表包含交接班记录、日报、月报、操作记录、设备运行记录等。 （6）历史数据的存储和检索 对重要的过程数据和计算数据进行在线存储，并至少可保存48h，当发生事故时可以立即调出相应的趋势画面。可定期将这些数据转存成历史数据以及根据数据的组号、测点号、测点名称、时间间距等任一项目来检索所存储的历史数据。 （7）控制功能 在中控室对现场设备进行控制操作便于实现顺序控制、批处理控制。同时提供具有二阶以上的PID控制方法以保证根据现场设备实际运行情况实现完善的控制。 4 总体评价及存在的问题 红庙岭垃圾渗滤液处理站扩容改造工程所采用的自动化控制系统借鉴了国内外先进的计算机软、硬件技术，控制理论及算法，实现了渗滤液处理全过程自动智能控制，节省了人力资源，能够及时、准确地反映工艺过程中各个工艺参数的变化情况，保证整套处理过程长期稳定、高效地运行。 自动化控制应用于渗滤液处理工艺过程，在国外已有许多成功范例和典型工程实例，近年来，我国也有许多渗滤液处理厂借鉴国外先进技术，将自动化控制合理地应用到渗滤液处理工艺过程当中，并且取得了良好的效果。但是在两者相结合的过程中仍然存在以下问题。 （1）渗滤液处理自动控制系统中所采用的一些自动化检测设备、仪表、阀门的功能和精度目前还不完善，在实际应用中达不到预期的效果，误差很大，因此，如果单纯依靠这些检测设备来判断污水处理情况并实施自动控制，往往很难达到处理水质达标排放和节约能源的目的。 （2）渗滤液水质的监测与控制存在滞后问题。例如：根据耗氧池中的DO来控制鼓风机的曝气风量，由于生化处理系统本身是处于动态平衡当中的，操作人员通过在线实时监测发现DO偏低（或偏高），并通过调节鼓风机叶轮转速来实现增加（或减少）曝气量。在此过程中，DO值监测与鼓风机风量调节之间的滞后可能会导致鼓风机无法准确地根据耗氧池中实际溶解氧的浓度来提供曝气量，难以真正达到节能的目的。 （3）仪器设备维护难度大。例如pH计、污泥浓度计、泥位计等仪器均有严格的使用维护要求，包括接触探头的定期清洗、标定，设备损耗维修等，价格昂贵，这也在一定程度上增加了投资费用。