再生水處理工程自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用探討

摘要：近年來，在環(huán)境污染及水資源緊缺的大背景下，城市生活污水經(jīng)過深度處理，作為再生水回用越來越受到關(guān)注。膜處理作為最有前景的再生水處理工藝，涉及到較為復(fù)雜的處理工藝流程和大量的設(shè)施、設(shè)備，在其控制過程中自動化的應(yīng)用尤為重要。文章對再生水處理工程自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：自動化控制系統(tǒng)；污水處理；再生水處理工程；雙膜法；環(huán)境污染；水資源 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）22-0084-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.041

1 概述

孝義市污水處理廠再生水處理工程旨在實現(xiàn)城市生活污水回用。其將經(jīng)前期處理達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級A類標(biāo)準(zhǔn)的處理水，通過再生水車間處理，使水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步提升，滿足再生水用戶的水質(zhì)需求。

再生水處理工程采用超濾（UF）和反滲透（RO）結(jié)合的“雙膜法”處理工藝，經(jīng)過反滲透膜處理后，可將原水電導(dǎo)率從2000?s/cm降至反滲透產(chǎn)水電導(dǎo)率30?s/cm左右，同時降低CODcr、NH3-N等其他指標(biāo)。反滲透產(chǎn)水與原水或超濾產(chǎn)水混合配置后，將電導(dǎo)率控制在600?s/cm，供給再生水用戶使用。

為了保證再生水生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效，同時提高再生水車間的現(xiàn)代化生產(chǎn)管理水平，在充分考慮再生水處理工藝特性的基礎(chǔ)上，建設(shè)了完備的自動化控制系統(tǒng)。

2 再生水處理工藝

2.1 再生水處理流程

本再生水處理工程采用了“雙膜法”處理工藝，超濾作為反滲透的高級預(yù)處理設(shè)備，能有效去除大部分膠體、大分子化合物和微生物，確保了反滲透等設(shè)備的長期安全連續(xù)運行。反滲透系統(tǒng)可有效去除無機鹽類物質(zhì)，系統(tǒng)回收率為75%以上，反滲透系統(tǒng)對無機離子的去除率可達(dá)98%以上。超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)分別由進(jìn)水系統(tǒng)、膜組系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其工藝流程圖如圖1所示：

2.2 再生水處理工藝概述

再生水處理工藝所用原水為污水處理廠一級A出水，原水一部分進(jìn)入處理系統(tǒng)，作為超濾進(jìn)水和配水；多余一級A出水排放水體。原水池作為超濾進(jìn)水取水點，具有水量緩沖調(diào)節(jié)作用。UF進(jìn)水系統(tǒng)包含超濾進(jìn)水泵和自清洗過濾器，其作用是將原水過濾后進(jìn)入UF膜組系統(tǒng)。UF膜組系統(tǒng)包括5組超濾膜，其主要去除水中的膠體、大分子化合物和微生物，超濾出水一部分用于配水，一部分補充中間水池水量。反滲透進(jìn)水取自中間水池，其通過反滲透進(jìn)水泵和反滲透高壓泵提升進(jìn)入反滲透膜組，RO膜組系統(tǒng)包含4組反滲透膜，其主要去除原水中的無機鹽離子。RO出水經(jīng)配制后，供給再生水用戶使用。

與處理工藝相配套的有超濾反沖洗系統(tǒng)、超濾化學(xué)清洗系統(tǒng)、反滲透化學(xué)清洗系統(tǒng)、反滲透藥劑投加系統(tǒng)、在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)等。超濾反沖洗系統(tǒng)每間隔設(shè)定時間進(jìn)行一次沖洗，將膜上附著物清除；化學(xué)清洗系統(tǒng)主要是在膜元件發(fā)生堵塞情況下或定期進(jìn)行清洗，用以恢復(fù)膜元件性能；反滲透加藥系統(tǒng)通過投加阻垢劑、還原劑、殺菌劑等防止膜污染的發(fā)生；在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)實時檢測水質(zhì)情況，為運行參數(shù)調(diào)整提供參考。

3 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

監(jiān)控系統(tǒng)分三級控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)再生水處理生產(chǎn)過程監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集。生產(chǎn)管理監(jiān)控級是工業(yè)控制PC機，位于綜合樓中心控制室；現(xiàn)場監(jiān)控級是工業(yè)控制PC機和可編程控制器，其位于再生水處理車間控制室；現(xiàn)場設(shè)備級為三套ET200分布式I/O控制柜，兩臺觸摸屏，MCC柜、就地電控柜和各種檢測儀表。兩套分布式I/O控制柜和兩臺觸摸屏分別安裝在超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)附近，一套分布式I/O控制柜安裝在化洗間。自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)的配置和功能

4.1 中央控制室監(jiān)控管理級

本工程自控系統(tǒng)與孝義市污水處理廠自控系統(tǒng)通過基于光纖冗余網(wǎng)的工業(yè)以太網(wǎng)無縫連接，實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享。中央控制室設(shè)置一臺工業(yè)控制計算機、一套工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過Windows XP操作平臺，配以系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件可實現(xiàn)以下功能：一是通過光纖以太網(wǎng)數(shù)據(jù)總線，可遠(yuǎn)程監(jiān)視再生水處理車間運行工況，建立各參數(shù)/狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，儲存主要參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，顯示各操作畫面、工藝流程圖，進(jìn)行事故和異常情況報警；二是可進(jìn)行設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及操作控制。

4.2 現(xiàn)場控制級

現(xiàn)場控制級位于再生水車間控制室，主要配置有一套工業(yè)控制計算機、一套PLC控制柜、兩套打印機（包括事件、圖表、報表打印機）、一套工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、一套UPS電源，主要功能為集中監(jiān)視、管理、控制整個再生水處理的全部生產(chǎn)工藝流程：一是對生產(chǎn)過程的自動控制、自動保護、自動操作進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是對工藝流程中的各重要參數(shù)、設(shè)備工況等進(jìn)行在線實時監(jiān)控；三是進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、報警管理、事件處理、報表及打印輸出。

再生水處理車間監(jiān)控站PLC控制柜下設(shè)三個ET200分布式I/O，分別對應(yīng)超濾處理系統(tǒng)、反滲透處理系統(tǒng)、化學(xué)清洗系統(tǒng)。

4.2.1 I/O1控制柜位于超濾處理系統(tǒng)旁，負(fù)責(zé)原水池、UF產(chǎn)水池液位的檢測，超濾系統(tǒng)各設(shè)備的狀態(tài)檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時現(xiàn)場裝有觸摸屏，用以就地觀察設(shè)備運行數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)定。

第一，原水池：配置超聲波液位計，根據(jù)水池液位控制超濾系統(tǒng)的啟、停和待機，保護水泵和系統(tǒng)安全

運行。

第二，UF產(chǎn)水池：配置超聲波液位計，根據(jù)水池液位控制超濾系統(tǒng)及反滲透系統(tǒng)的啟停和待機，保護水泵和系統(tǒng)的安全運行。

第三，超濾進(jìn)水泵：其出水管配置壓力表，根據(jù)超濾膜組進(jìn)水壓力要求調(diào)節(jié)進(jìn)水泵變頻器的頻率及進(jìn)水泵啟動的數(shù)量。

第四，超濾膜組：膜組常規(guī)運行分為產(chǎn)水、氣洗、氣水洗、水洗、正洗幾個過程，通過PLC程序及設(shè)定的時間參數(shù)自動完成。

第五，超濾反洗泵：根據(jù)超濾膜組運行時間控制，當(dāng)膜組反洗時自動啟停超濾反洗水泵。反洗總管上設(shè)有電磁流量計，用于監(jiān)控和累積反洗流量。

第六，超濾反洗消毒泵：當(dāng)超濾反洗次數(shù)達(dá)到設(shè)定的反洗加藥頻率時，超濾反洗消毒泵與超濾反洗泵聯(lián)動，在反洗過程中投加消毒劑。

4.2.2 I/O2控制柜位于反滲透處理系統(tǒng)旁，負(fù)責(zé)反滲透系統(tǒng)各設(shè)備的狀態(tài)檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC柜之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時本站還裝有觸摸屏，用于現(xiàn)場觀察設(shè)備運行數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置。

第一，反滲透進(jìn)水泵：與反滲透膜組的運行聯(lián)動。

第二，反滲透高壓泵：當(dāng)反滲透膜組進(jìn)入產(chǎn)水過程時，該水泵開啟，同時根據(jù)膜組進(jìn)水壓力要求調(diào)節(jié)高壓泵變頻器的頻率，實現(xiàn)反滲透膜組的恒壓進(jìn)水方式。

第三，反滲透膜組：每個膜組上安裝有進(jìn)水壓力變送器、濃水壓力變送器、產(chǎn)水壓力變送器、進(jìn)水電磁流量計、濃水電磁流量計、進(jìn)水電導(dǎo)儀、產(chǎn)水電導(dǎo)儀和進(jìn)水ORP儀，可對膜組運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護。膜組運行分為開機沖洗、產(chǎn)水、停機沖洗三個過程，通過PLC程序及設(shè)定的時間參數(shù)自動完成。各氣動閥門按設(shè)定時序動作。

4.2.3 I/O3控制柜位于化學(xué)清洗系統(tǒng)旁，負(fù)責(zé)化洗系統(tǒng)各設(shè)備的狀態(tài)檢測和控制。通過本站ET200與主站PLC柜之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

第一，超濾化洗泵：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的化洗循環(huán)時間和次數(shù)，自動控制化洗泵的啟停，完成化洗循環(huán)過程。

第二，反滲透化洗泵：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的化洗循環(huán)時間和次數(shù)，自動控制化洗泵的啟停，完成化洗循環(huán)

過程。

第三，CIP鹽酸泵、CIP氫氧化納泵、CIP次氯酸鈉泵：當(dāng)需要化學(xué)清洗時，在加藥系統(tǒng)配電箱上手動控制啟停。

第四，CEB鹽酸泵、CEB次氯酸鈉泵：當(dāng)超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)進(jìn)行維護性化學(xué)清洗時，根據(jù)程序設(shè)定的動作順序，自動啟停。

第五，空壓機及冷干機：僅在配電柜中進(jìn)行配電，手動啟停。

4.3 報警和保護

系統(tǒng)中央控制室還設(shè)有各種工藝參數(shù)報警功能，如液位高低報警、水質(zhì)參數(shù)報警、泵過載和高壓泵進(jìn)出口高低壓力報警等，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自我診斷能力，同時保證系統(tǒng)運行的安全性。MCC柜、MNS柜上主要有用電設(shè)備的缺相保護、過載保護、短路保護等。

5 設(shè)備的操作控制方式

5.1 系統(tǒng)設(shè)備控制方式的種類

系統(tǒng)設(shè)備的控制方式分為本地手動和遠(yuǎn)程自動兩種方式，可通過就地按鈕箱上的“本地/停止/遠(yuǎn)程”轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換。

5.1.1 本地狀態(tài)是由就地按鈕箱上的按鈕進(jìn)行就地手動操作，一般只作為設(shè)備檢修或調(diào)試試車時使用。

5.1.2 遠(yuǎn)程狀態(tài)是通過PLC控制器依據(jù)內(nèi)部設(shè)定程序所進(jìn)行的自動控制。

5.2 工藝設(shè)備的控制方式

工藝設(shè)備的控制方式按照處理工藝的要求與監(jiān)測儀表構(gòu)成連鎖控制。

5.2.1 超濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)采用液位控制。根據(jù)原水池液位控制超濾系統(tǒng)的啟停和待機，根據(jù)中間水池的液位控制反滲透系統(tǒng)的啟停和待機，保護水泵和系統(tǒng)安全。

5.2.2 超濾進(jìn)水泵采用變頻調(diào)速閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)超濾系統(tǒng)恒壓進(jìn)水方式。

5.2.3 反滲透高壓泵采用變頻調(diào)速閉環(huán)控制，通過調(diào)節(jié)高壓水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)反滲透膜的恒壓進(jìn)水方式。

5.3 保護控制

反滲透高壓泵的進(jìn)出口分別設(shè)置了壓力開關(guān)，高壓泵前壓力過低或泵后壓力過高，都會聯(lián)鎖停車。RO機組上設(shè)置了進(jìn)口水壓力傳感器，對反滲透系統(tǒng)的進(jìn)口水壓力實時檢測，同時控制上增加了高壓聯(lián)鎖保護，防止壓力過高損壞RO膜組件。

6 結(jié)語

本工程硬件配置超前，選用了SIEMENS公司的S7-300系列可編程控制器、通訊模塊ET200I/O，ABB公司的變頻調(diào)速器。工藝設(shè)備采用了德國進(jìn)口水泵，RO膜組系統(tǒng)采用了日本東麗公司TM抗污系列膜元件。儀表采用了哈希、E+H等品牌產(chǎn)品。系統(tǒng)可靠性高、擴展靈活、操作維護簡便，人機界面操作簡便、直觀，同時再生水處理車間自控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與孝義市污水處理廠自控系統(tǒng)融為一體，實現(xiàn)了資源共享，方便合理調(diào)度。

作者簡介：燕林斌（1970-），男，供職于孝義市公用事業(yè)管理局，研究方向：自動控制技術(shù)在公用事業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用。

（責(zé)任編輯：王 波）