T-APOCN 0006-2024 污水处理厂土建控制系统规范

ICS01.040.93CCSP00/09APOCN武汉光谷光电中小企业产业协会团体标准IT/APOCN0006—2024前言 2规范性引用文件 3术语和定义 3.1污水处理厂土建控制系统 3.2控制站 3.3监控中心 4总体要求 4.1可靠性 4.2安全性 24.3可扩展性 24.4兼容性 24.5实时性 25硬件配置 35.1控制站硬件 35.2监控中心硬件 35.3传感器与仪表 35.4通信设备 46软件功能 56.1数据采集与处理 56.2控制功能 56.3报警功能 56.4历史数据存储与查询 56.5报表生成与打印 56.6人机界面（HMI）设计 57控制策略 57.1污水处理工艺控制策略 67.2设备联动控制策略 67.3节能控制策略 68通信与网络 68.1通信协议 68.2网络架构 68.3网络安全 69安装与调试 69.1安装要求 69.2调试步骤 710运行与维护 7T/APOCN0006—202410.1运行管理 710.2维护保养 710.3故障处理 710.4技术培训 7 7T/APOCN0006—2024本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由武汉光谷光电中小企业产业协会归口。本文件起草单位：武汉鑫泽丰建设有限公司、四川中知汇创标准化技术研究院、山西中知标准管理研究院有限公司本文件主要起草人：熊光明、李超、王霜1T/APOCN0006—2024污水处理厂土建控制系统规范本标准规定了污水处理厂土建控制系统的总体要求、硬件配置、软件功能、控制策略、通信与网络、安装与调试、运行与维护等方面的规范。本标准适用于新建、改建和扩建的污水处理厂土建控制系统的设计、建设、运行及维护管理。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB50014室外排水设计规范GB50318城市排水工程规划规范GB12801生产过程安全卫生要求总则GB5005310kV及以下变电所设计规范GB50171电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范GB50311综合布线系统工程设计规范GB50204混凝土结构工程施工及验收规范GB50268给水排水管道工程施工及验收规范GB50334城镇污水处理厂工程质量验收规范GB/T20279信息安全技术网络和终端设备隔离部件安全技术要求GB/T31962污水排入城镇下水道水质标准GBZ1工业企业设计卫生标准GBZ2工作场所有害因素职业接触限值HJ/T91地表水和污水监测技术规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1污水处理厂土建控制系统指在污水处理厂土建工程范围内，对各类工艺设备、仪表等进行监测、控制和管理，以保障污水处理工艺正常运行的自动化控制系统。3.2控制站具备数据采集、处理、控制算法运算以及与其他设备通信等功能的硬件设备站点，通常位于污水处理厂现场。3.3监控中心对污水处理厂整体运行情况进行集中监视、控制和管理的场所，可实现远程操作、数据分析等功能。4总体要求4.1可靠性4.1.1土建控制系统应具备高可靠性，以保障污水处理厂能够在连续运行过程中稳定、高效地工作。关键设备与核心控制环节应采用冗余设计，如冗余电源、冗余控制器、冗余通信链路等，确保在部分设2T/APOCN0006—2024备出现故障时，系统仍能维持正常运行，最大程度降低故障对污水处理工艺的影响。4.1.2控制系统的平均无故障时间（MTBF）应满足污水处理厂的运行要求，对于不同规模和重要性程度的污水处理厂，可设定相应的标准值，但一般不应低于4小时。同时，平均故障修复时间（MTTR）应尽可能短，以便在出现故障后能迅速恢复系统正常运行，通常要求MTTR不超过4小时。4.2安全性4.2.1应建立全面且严密的安全防护体系，从物理安全、网络安全、数据安全以及操作安全等多方面入手，防止未经授权的访问、操作对控制系统造成破坏或影响污水处理厂的正常运行。4.2.2在物理安全方面，控制站、监控中心等关键设施应设置在安全的区域，具备防火、防水、防盗、防雷击等防护措施，确保设备免受自然灾害和人为破坏的威胁。4.2.3网络安全方面，需设置防火墙、入侵检测系统（IDS）、防病毒软件等网络安全防护设备和软件，对进出控制系统的网络流量进行实时监控和过滤，防止网络攻击、恶意入侵等行为。同时，应采用加密技术对网络通信数据进行加密处理，确保数据在传输过程中的保密性、完整性和可用性。4.2.4数据安全保障至关重要，应具备完善的数据备份与恢复机制。定期对重要数据进行备份，备份数据应存储在异地的安全存储介质中，以防本地数据因设备故障、火灾、水灾等原因丢失。并且，数据应具备校验和验证功能，防止数据被篡改。4.2.5操作安全层面，应设置严格的用户权限管理系统，根据不同岗位和职责划分用户权限级别，确保只有经过授权的人员才能进行相应的操作，如设备的启停、参数设置等。同时，在操作界面应设置操作提示和确认机制，避免因误操作而引发系统故障或安全事故。4.3可扩展性4.3.1控制系统应采用模块化、开放式的设计理念，具备良好的可扩展性，以适应污水处理厂未来的改造、扩建需求以及技术更新换代。4.3.2在硬件方面，控制站的机柜应预留足够的空间用于安装新增的输入输出（I/O）模块、控制器扩展单元等设备；通信网络应具备可扩展性，能够方便地接入新的节点或设备，如新增的传感器、仪表或工艺设备等，且不会对现有系统的运行造成干扰。、4.3.3在软件方面，控制系统软件应支持插件式或模块化的功能扩展方式，能够轻松集成新的控制算法、数据处理模块或人机界面功能等。同时，软件架构应具备良好的兼容性，便于与新开发的或不同厂家的软件进行对接和协同工作。4.4兼容性4.4.1应确保与污水处理厂内现有的及可能采用的各类设备、仪表、通信协议等具有广泛且良好的兼容性，实现系统间的无缝对接。4.4.2对于设备和仪表，控制系统应能兼容不同厂家、不同型号的产品，只要其符合污水处理工艺相关的技术规范和性能要求。在信号采集和控制方面，应能准确识别和处理各类模拟量（如电压、电流、温度、压力等）和数字量（如开关状态、脉冲信号等）信号。4.4.3针对通信协议，控制系统应支持多种常用的工业通信协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等，同时也应具备自定义通信协议的能力，以便与特定设备或系统进行高效通信。此外，系统内部应采用统一的通信协议进行数据传输，确保数据的一致性和兼容性，避免因协议不一致导致的数据传输错误或通信故障。4.5实时性4.5.1能够实时采集、处理和传输污水处理厂内各监测点的数据，确保控制指令的下达及时准确，以满足污水处理工艺对控制时效性的严格要求。4.5.2在数据采集环节，传感器和仪表应具备快速响应能力，能够在短时间内将监测到的数据准确无3T/APOCN0006—2024误地传输给控制站。控制站对采集到的数据应进行即时处理，去除噪声、异常值等干扰因素，确保数据的准确性和可用性。4.5.3从控制站到监控中心以及各控制设备之间的通信链路应具备高速、稳定的传输能力，确保数据传输的时延在可接受范围内，一般要求数据传输的往返时延不超过300毫秒。同时，控制指令从发出到执行的时间间隔应尽可能短，以保证污水处理工艺的实时调控，通常要求指令执行时延不超过100毫秒。5硬件配置5.1控制站硬件5.1.1控制站应采用性能可靠的工业控制计算机或可编程逻辑控制器（PLC）作为核心控制器，其处理器性能、内存容量等应满足污水处理厂数据处理和控制运算的需求。5.1.2配备足够数量的输入输出（I/O）模块，包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出模块等，以实现对各类工艺设备和仪表信号的采集与控制。5.1.3应设置不间断电源（UPS在市电停电时能够为控制站提供持续的电力供应，保障系统正常关机或维持关键设备运行一段时间，UPS供电时间应不少于30分钟。5.2监控中心硬件5.2.1监控中心应配置高性能的服务器，用于存储、处理和分析污水处理厂的运行数据，服务器的配置应根据污水处理厂的规模和数据量确定。5.2.2配备多台监控工作站，供操作人员进行实时监控、操作控制等，工作站应具备良好的图形显示能力和人机交互界面。5.2.3设置大屏幕显示系统，用于集中展示污水处理厂的关键运行参数、工艺流程等信息，方便管理人员进行全局把控。5.3传感器与仪表5.3.1根据污水处理厂的具体工艺要求、处理规模以及监测目标的特点，精确选型各类传感器与仪表。选型过程应充分考虑测量范围、精度等级、响应时间、稳定性、可靠性以及环境适应性等因素，确保所选设备能够准确、持续地监测污水处理过程中的各类参数。5.3.2水质监测仪5.3.2.1常规水质指标监测仪：应配备齐全的常规水质指标监测仪，如化学需氧量（COD）监测仪、生化需氧量（BOD）监测仪、氨氮监测仪、总磷监测仪、总氮监测仪等。这些监测仪应满足污水处理工艺对相应水质指标监测精度的要求，例如，COD监测仪的测量精度应达到±5mg/L，氨氮监测仪的测量精度应达到±5mg/L等，且具备快速响应能力，能够实时反映水质变化情况。5.3.2.2特殊水质指标监测仪：针对污水处理厂可能涉及的特殊水质处理工艺或特定排放要求，可按需配备特殊水质指标监测仪，如重金属离子监测仪（如汞、镉、铅等）、有机污染物监测仪（如多环芳烃、挥发性有机物等）。此类监测仪应根据具体监测目标的特性，具备相应的高灵敏度和高精度测量能力，确保对特殊水质指标的有效监测。5.3.3液位计根据污水处理厂不同位置的液位监测需求，选用合适类型的液位计。例如，在污水调节池、反应池、沉淀池等部位，可选用超声波液位计、雷达液位计或静压式液位计等。液位计的测量范围应覆盖相应水池的最大和最小液位变化范围，测量精度应达到±10mm，且具备良好的抗干扰能力，能够在存在泡沫、悬浮物等复杂工况下准确测量液位高度。5.3.4流量计4T/APOCN0006—2024针对污水进水、出水以及各处理环节之间的流量监测需求，配备多种类型的流量计。如电磁流量计适用于具有一定导电性的污水流量测量，其测量精度应达到±0.5%；涡街流量计可用于测量气体或液体的流量，在污水处理厂中常用于曝气系统等部位的气体流量监测，测量精度应达到±1%。所选流量计应具备稳定的测量性能，能够适应不同流量范围和工况条件下的流量监测要求。5.3.5压力计在污水处理厂涉及压力监测的部位，如污水管道、水泵进出口、曝气设备等，应安装相应的压力计。压力计的测量范围应根据实际压力变化范围确定，测量精度应达到±1kPa，且能够准确反映压力变化情况，为污水处理工艺中的压力相关控制环节提供可靠的数据支持。5.3.6安装与维护要求5.3.6.1传感器与仪表的安装位置应根据其测量原理和污水处理厂的工艺流程进行科学合理确定。安装过程应严格遵循设备的安装说明书要求，确保安装牢固、接线正确，并采取必要的防护措施，如防水、防晒、防腐蚀等，以延长设备使用寿命。5.3.6.2定期对传感器与仪表进行维护保养，包括清洁设备表面、检查接线是否松动、校准测量参数等。对于易损件，应建立定期更换制度，确保设备始终保持良好的测量性能。同时，应建立设备故障记录和处理机制，以便及时发现和解决设备运行过程中出现的问题。5.4通信设备5.4.1选型依据根据污水处理厂的规模、厂区布局、通信距离、数据传输速率要求以及现场环境条件等因素综合考虑，选型合适的通信设备。确保所选通信设备能够满足控制系统在不同工况下的数据传输需求，实现控制站与监控中心、控制站与现场设备之间稳定、高效的通信连接。5.4.2工业以太网交换机在污水处理厂的通信网络中，工业以太网交换机是实现数据交换和传输的关键设备之一。应根据网络节点数量、端口需求以及数据传输速率要求，选择合适规格的工业以太网交换机。所选交换机应具备高可靠性，采用冗余电源设计，确保在电源故障时仍能正常工作；具备高速数据传输能力，端口速率应满足控制系统的通信需求，如支持10/100/1000Mbps自适应端口；具备良好的抗干扰能力，能够在污水处理厂存在电磁干扰、潮湿等恶劣环境下稳定运行。5.4.3光纤收发器当通信距离较远或对数据传输的抗干扰能力要求较高时，可选用光纤收发器作为通信设备。光纤收发器应根据实际通信距离、光纤类型（单模或多模）以及数据传输速率要求进行选型。其应具备高灵敏度的光信号接收和发射能力，能够实现远距离、高速率的数据传输，如支持传输距离可达[X]公里以上的单模光纤通信，且传输速率可达到100Mbps或更高。同时，光纤收发器应具备良好的温度适应性和稳定性，能够在污水处理厂的不同环境温度条件下正常工作。5.4.4无线通信模块在一些不适宜敷设有线通信线路的区域，如污水处理厂的露天水池周边、部分移动设备所在区域等，可选用无线通信模块实现通信连接。无线通信模块应根据现场环境的无线信号覆盖情况、通信距离要求以及数据传输速率要求进行选型。例如，对于近距离且数据传输速率要求不高的区域，可选用ZigBee或蓝牙等低功耗无线通信技术的模块；对于中远距离且需要较高数据传输速率的区域，可选用Wi-Fi、LoRa或4G/5G等无线通信技术的模块。所选无线通信模块应具备良好的抗干扰能力，能够在污水处理厂存在电磁干扰、建筑物遮挡等复杂环境下稳定传输数据。5.4.5通信线路敷设有线通信线路（如网线、光纤等）的敷设应遵循安全、规范、整齐的原则。线路应尽量沿建筑物、管道等固定设施敷设，避免与动力线路平行敷设，以防电磁干扰。敷设过程中应采取必要的防护措施，5T/APOCN0006—2024如穿管保护、架空敷设时设置防护栏等，以保护线路免受机械损伤、潮湿、腐蚀等影响。对于无线通信线路，应合理规划信号覆盖范围，设置足够数量的无线接入点或天线，确保信号覆盖全面且均匀，同时应考虑周边环境对无线信号的影响，如建筑物遮挡、电磁干扰等，并采取相应的措施加以解决。5.4.6通信设备维护定期对通信设备进行维护保养，包括清洁设备表面、检查接线是否松动、测试设备性能等。对于工业以太网交换机，应定期检查端口状态，确保端口正常工作；对于光纤收发器，应检查光信号强度，确保光信号传输正常；对于无线通信模块，应检查信号强度、频段设置等是否正常。建立通信设备故障记录和处理机制，以便及时发现和解决通信设备运行过程中出现的问题，确保通信链路畅通，数据传输稳定。6软件功能6.1数据采集与处理6.1.1能够实时采集来自各传感器、仪表以及现场设备的各类数据，包括模拟量数据（如温度、压力、液位等）和数字量数据（如设备的启停状态、故障报警等）。6.1.2对采集到的数据进行滤波、转换、校验等处理，去除异常数据，提高数据质量，确保数据的准确性和可用性。6.2控制功能6.2.1具备多种控制模式，如手动控制、自动控制、远程控制等，以满足不同工况下的操作需求。6.2.2实现对污水处理厂内各类工艺设备的启停控制、调节控制（如调节阀门开度、变频器频率等根据污水处理工艺的设定参数和实时监测数据进行合理的控制操作。6.3报警功能6.3.1建立完善的报警机制，当监测到设备故障、工艺参数异常等情况时，能够及时发出声光报警信号，并在监控界面上明确显示报警信息，包括报警位置、报警原因、报警时间等。6.3.2可设置不同级别的报警，以便操作人员根据报警级别采取相应的处理措施。6.4历史数据存储与查询6.4.1对污水处理厂的运行数据进行长期存储，存储时间应不少于[具体时长]年，以便进行数据分析、故障追溯等。6.4.2提供方便快捷的历史数据查询功能，操作人员可根据时间、设备名称、参数名称等条件进行数据查询，查询结果应能以图表、报表等形式直观呈现。6.5报表生成与打印6.5.1能够根据用户需求生成各类报表，如日报表、月报表、年报表等，报表内容应涵盖污水处理厂的关键运行参数、设备运行状态、能耗情况等。6.5.2具备报表打印功能，方便管理人员进行纸质资料存档。6.6人机界面（HMI）设计6.6.1设计友好、直观的人机界面，通过图形、图表、文字等多种形式展示污水处理厂的工艺流程、设备状态、运行参数等信息。6.6.2操作人员可通过人机界面方便地进行设备操作、参数设置、报警查询等活动，界面操作应简单便捷，符合人体工程学原理。7控制策略6T/APOCN0006—20247.1污水处理工艺控制策略7.1.1根据污水处理厂采用的具体工艺（如活性污泥法、生物膜法等），制定相应的控制策略，如进水流量控制、曝气控制、污泥回流控制等。7.1.2进水流量控制应根据污水处理厂的设计处理能力和实际运行情况，合理调节进水阀门开度或进水泵的运行频率，确保进水流量稳定且符合工艺要求。7.1.3曝气控制应结合水质监测数据（如溶解氧含量），通过调节曝气设备的运行功率或曝气时间，维持合适的溶解氧浓度，满足微生物代谢对氧气的需求。7.1.4污泥回流控制应根据污泥沉降性能、污泥浓度等指标，合理调节污泥回流泵的运行频率，保证污泥在污水处理系统中的合理循环。7.2设备联动控制策略7.2.1建立设备联动控制机制，实现不同设备之间的协同工作。例如，当进水流量增加时，相应地增加曝气设备和污泥回流设备的运行负荷，以维持污水处理工艺的平衡。7.2.2设备联动控制应考虑设备的启动顺序、停止顺序以及运行过程中的相互配合关系，避免设备之间的冲突和故障。7.3节能控制策略7.3.1采用节能控制技术，如变频调速技术应用于水泵、风机等设备，根据实际运行需求动态调节设备的运行频率，降低能耗。7.3.2在满足污水处理工艺要求的基础上，合理安排设备的运行时间和运行模式，如采用间歇运行方式代替连续运行方式，实现节能减排目标8通信与网络8.1通信协议8.1.1控制系统应支持多种常用的工业通信协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP等，以便与不同厂家生产的设备、仪表进行通信。8.1.2在系统内部，应采用统一的通信协议进行数据传输，确保数据的一致性和兼容性。8.2网络架构8.2.1采用分层分布式网络架构，一般可分为设备层、控制层和管理层。设备层主要由各类传感器、仪表和现场设备组成，通过现场总线或工业以太网与控制层连接；控制层由控制站组成，负责数据采集、处理和控制运算，并与管理层进行通信；管理层主要包括监控中心，用于集中管理和监控污水处理厂的运行情况8.2.2网络应具备冗余设计，如采用双环以太网结构或冗余交换机等，提高网络的可靠性和抗干扰能8.3网络安全8.3.1建立网络安全防护体系，包括防火墙设置、入侵检测系统安装、用户认证与授权等措施，防止网络攻击、恶意入侵等对控制系统造成破坏。8.3.2对网络通信数据进行加密处理，确保数据在传输过程中的保密性和完整性。9安装与调试9.1安装要求7T/APOCN0006—20241)控制站、监控中心等硬件设备应安装在环境条件适宜的场所，避免潮湿、高温、粉尘等恶劣环境对设备造成损害。2)传感器与仪表应按照其安装说明书的要求准确安装在相应的监测位置，确保测量准确。3)通信设备应合理布局，保证通信线路的敷设顺畅，避免信号干扰。