作者簡(jiǎn)介：劉海峰（1960-），男，吉林九臺人，現任中國市政工程東北設計研究總院，咨詢(xún)公司副經(jīng)理。

    摘要：本文針對城市污水處理自動(dòng)控制系統進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)設計了一套基于PLC，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的污水處理自控系統。該系統采用改良型A2/O工藝，在長(cháng)春市北郊污水處理廠(chǎng)實(shí)現了污水處理的全自動(dòng)控制，實(shí)際運行穩定，效果良好。

    關(guān)鍵詞：PLC； A2/O；Profibus-DP；污水處理自動(dòng)控制系統

    1 引言

    水污染是我國城市面臨的嚴重環(huán)境問(wèn)題，它不僅危害人民的身體健康，還抑制了我國經(jīng)濟的發(fā)展，破壞了生態(tài)平衡，并容易導致水荒的發(fā)生。城市污水處理設施的建設是現代化城市經(jīng)濟發(fā)展和水資源保護不可缺少的組成部分，工業(yè)污水由于成分復雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業(yè)發(fā)展壯大的瓶頸。為了實(shí)現污水處理的過(guò)程能在惡劣的環(huán)境中（溫差大、污水水質(zhì)水量變化大、電網(wǎng)電壓波動(dòng)大、電氣干擾嚴重）連續、穩定、可靠、準確地工作，對控制系統的要求有著(zhù)比一般的過(guò)程控制系統更高的要求。

    隨著(zhù)計算機控制技術(shù)的發(fā)展，可以對污水處理實(shí)現日常的信息化管理。本文針對長(cháng)春市北郊污水處理廠(chǎng)的污水再生利用處理系統，結合了北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司的相關(guān)項目經(jīng)驗，設計了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線(xiàn)的污水處理自控系統，對污水處理過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制和遠程監視。

    2 工程概況

    長(cháng)春市北郊污水處理廠(chǎng)升級改造及污水再生利用工程設計規模為污水39萬(wàn)噸/日，中水回用10萬(wàn)噸/日，處理工藝為改良型A2/O工藝+生物濾池，主要處理來(lái)自市中心、二道、南湖、小南和八里堡五個(gè)排水區的生活用水和工業(yè)廢水，經(jīng)過(guò)處理后的污水可以直接排到伊通河內，不會(huì )污染伊通河水質(zhì)，能有效改善沿岸周邊居民的生活環(huán)境?；赜盟疃人幚碓O施可以用于熱電廠(chǎng)的循環(huán)水，以緩解長(cháng)春市用水緊張的局面。

    3 自控系統設計

    長(cháng)春市北郊污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化控制系統是基于現代先進(jìn)的控制思想，采用以PLC為主的集中與分散相結合的計算機控制系統，它集成了當代計算機技術(shù)、高性能控制器及智能化儀表的各自特點(diǎn)于一身，使其在污水處理廠(chǎng)的運行管理方面發(fā)揮了巨大作用。

                     

    由可編程序控制器（PLC），遠程I/O (RIO)及自動(dòng)化儀表組成檢測控制系統——現場(chǎng)控制站，以控制分區為對象，具有獨立的區域控制能力，能接受中央控制的調控，但不依賴(lài)中央控制的存在，對污水處理廠(chǎng)各過(guò)程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對全廠(chǎng)實(shí)行集中管理?，F場(chǎng)控制站及遠程I/O根據污水處理廠(chǎng)所采用的工藝和構筑物的平面分布，設置在控制對象和信號源相對集中的建筑物中。

    工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )系統采用客戶(hù)/服務(wù)器模式，環(huán)形拓撲網(wǎng)絡(luò )結構，光纖網(wǎng)，客戶(hù)/服務(wù)器(Client/Server)模式的分布式實(shí)時(shí)關(guān)系數據庫，100Mbps傳輸速率，全雙工通信，網(wǎng)絡(luò )傳輸介質(zhì)有光纜、通訊同軸電纜，主網(wǎng)絡(luò )系統布線(xiàn)、子網(wǎng)絡(luò )系統布線(xiàn)統一考慮、綜合利用，配置網(wǎng)絡(luò )操作系統及相關(guān)應用軟件。

    各現場(chǎng)控制站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數據通信，通訊介質(zhì)為光纜；現場(chǎng)控制站與遠程I/O之間由標準的Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行數據通信，通訊介質(zhì)為總線(xiàn)電纜或光纜（視距離遠近而定）；現場(chǎng)控制站及遠程I/O與現場(chǎng)測控儀表的連接采用24VDC電壓數字信號及標準4~20mA模擬信號通訊，通訊介質(zhì)為控制電纜及信號電纜；現場(chǎng)控制站及遠程I/O與工藝設備電控裝置的連接采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式或采用24VDC電壓數字信號及標準4~20mA模擬信號通訊，通訊介質(zhì)為總線(xiàn)電纜或控制電纜及信號電纜；測量?jì)x表、在線(xiàn)式分析儀表、電動(dòng)執行器是具有微處理器的智能設備。

系統結構圖如圖1所示。

   4 工藝設計方案

    長(cháng)春市北郊污水處理廠(chǎng)升級改造及污水再生利用工程主要包括粗格柵、提升泵房、細格柵、旋流沉砂池、改良型A2/O生化池、變配電間、配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線(xiàn)消毒池、鼓風(fēng)機房和污泥濃縮脫水機房等主要工藝生產(chǎn)設施。

    4.1污水預處理流程

    4.1.1 格柵自動(dòng)控制

    格柵自動(dòng)控制采用水位差控制和時(shí)間控制。通過(guò)液位差測量?jì)x檢測格柵前后水位差值，當水位差值大于設定值時(shí)，啟動(dòng)格柵。當格柵距上次運行的時(shí)間超過(guò)設定值時(shí)，啟動(dòng)格柵。啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)輸送機和柵渣壓實(shí)脫水機，格柵停止后延遲一段時(shí)間再停輸送機和柵渣壓實(shí)脫水機。任何一臺格柵啟動(dòng)時(shí)，均啟動(dòng)輸送機和柵渣壓實(shí)脫水機。通過(guò)監控管理系統和現場(chǎng)控制系統的操作屏可以設定水位差值，格柵距上次運行的時(shí)間間隔及格柵的運行周期。

    4.1.2水泵自動(dòng)控制

    根據吸水井液位控制取水泵的開(kāi)啟。當水位升高時(shí)，控制水泵依次逐臺啟動(dòng)，水泵的啟動(dòng)順序按累計的水泵運行時(shí)間從小到大排列。當水位降低時(shí)，控制水泵依次逐臺停止，順序與之相反。同時(shí)自動(dòng)累積水泵運行時(shí)間，實(shí)現水泵的自動(dòng)輪值，保證水泵總是處在最佳運行狀態(tài)。當水位降低到干運轉保護水位時(shí)，水泵全停。通過(guò)監控管理系統和現場(chǎng)控制系統的操作屏，可以設定水位值。

    4.1.3旋流沉砂池的控制

    旋流沉砂池自動(dòng)運行時(shí)，旋流沉砂池攪拌葉輪連續運行，由控制系統定時(shí)啟動(dòng)排砂過(guò)程，同時(shí)控制砂水分離器等設備的聯(lián)動(dòng)運行。

    旋流沉砂池、排砂泵、沖洗水、排砂閘門(mén)、砂水分離器等由PLC連鎖控制，自動(dòng)順序啟動(dòng)或順序停止。

    4.1.4初沉池排泥控制

    初沉池的排泥可以根據裝在改造貯泥池內的超聲波液位計來(lái)控制排泥管上排泥閥的開(kāi)停。排泥有二種控制方式：超聲波液位計設定值進(jìn)行自動(dòng)排泥，按定時(shí)實(shí)現自動(dòng)排泥。

    初沉污泥濃度由改造貯泥池內的污泥濃度計測量。
    排泥泵所在的集泥井內配置了超聲波液位計和浮球液位開(kāi)關(guān)，作為排泥泵的啟?？刂坪透蛇\轉保護。

    4.2污水二級處理流程

    4.2.1鼓風(fēng)機房

    在鼓風(fēng)機房出口空氣總管上裝設溫度傳感器、壓力傳感器和氣體流量計，鼓風(fēng)機總管壓力將作為控制鼓風(fēng)機運行的控制參數。

    根據空氣總管壓力自動(dòng)控制鼓風(fēng)機的開(kāi)機臺數和各鼓風(fēng)機的有關(guān)風(fēng)閥，調節鼓風(fēng)機的導葉片角度，保持空氣總管壓力的恒定，在保證生物池內空氣需求量和滿(mǎn)足曝氣管最低壓力值的前提下，盡可能地節省能耗。每臺鼓風(fēng)機的運行時(shí)間被累積記錄，保證各臺鼓風(fēng)機的運行時(shí)間均勻。

    4.2.2改良A2/O生物池

    每座生物池的好氧段設置一套曝氣量調節系統，根據溶解氧值自動(dòng)調節曝氣量，并測量空氣流量，最經(jīng)濟有效地滿(mǎn)足生物反應的氧需求。 

    生物池的曝氣量調節系統和鼓風(fēng)機房的壓力控制系統相互關(guān)聯(lián)，相互影響，最終使生物池的生物處理過(guò)程處在最佳狀態(tài)，實(shí)現生物池曝氣量的自動(dòng)調節，保證生物池中的生物處理過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

    根據生產(chǎn)負荷，實(shí)現潛水攪拌器、內回流泵的運行控制。

    4.2.3 二沉池集配水井及污泥泵站

    污泥泵站設置超聲波液位計，浮球液位開(kāi)關(guān)，控制及保護回流污泥泵和剩余污泥泵運行；設置污泥濃度計，測量污泥濃度。在剩余污泥總管上設置電磁流量計，計量進(jìn)入污泥處理系統的污泥流量。在回流污泥總管上設置電磁流量計，測量回流到生物池的回流污泥流量，根據生產(chǎn)負荷，實(shí)現回流泵的運行控制。

    4.2.4接觸池

    二級處理出水的監測點(diǎn)設在接觸池，內容有余氯（CL2）、濁度（SS）、酸堿度/溫度（pH/T）、COD、BOD、NH3-N等，采用在線(xiàn)式檢測分析儀表。污水廠(chǎng)二級處理出水水質(zhì)狀況數據，作為本廠(chǎng)污水處理效果的評價(jià)指標，同時(shí)作為排放水質(zhì)評價(jià)依據。

    另外，還設置有自動(dòng)取樣器，自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)水取樣，供化驗室分析和存樣。

    在每座接觸池上設置1座流量計量槽，采取超聲波明渠流量計，計量二級處理出水流量, 為比例加氯控制提供參數。

    4.2.5 加氯加藥間

    加藥系統、加氯系統的運行控制：采取電磁流量計，計量加藥點(diǎn)的投加量。接觸池加氯為流量比例投加控制，清水池加氯為流量、余氯復合環(huán)控制。加藥均為流量比例投加控制。

    4.2.6污泥濃縮脫水機房

    在各污泥脫水機進(jìn)泥管和加藥管設置電磁流量計，數據送入污泥控制系統，為污泥脫水機進(jìn)行比例加藥控制提供參數。
脫水機的開(kāi)機或停機過(guò)程及相關(guān)設備的聯(lián)動(dòng)、連鎖由總控制箱協(xié)調，每臺設備的運行時(shí)間被累積記錄，保證各臺離心脫水機的運行時(shí)間均勻。

    4.3回用水處理流程

    4.3.1中途提升泵房

    泵房吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。出水總管上設置壓力變送器，配水井后設兩臺電磁流量計對水泵進(jìn)行輪值控制，并均衡各泵的運行時(shí)間。同時(shí)兩臺電磁流量計的檢測值，為濾前的比例加藥控制提供參數。配合生產(chǎn)需要，對相關(guān)閥門(mén)進(jìn)行控制。

    4.3.2小網(wǎng)格反應池和小間距斜板沉淀池

    設置濁度計測量濾池進(jìn)水濁度。

    4.3.3濾池

    濾池是污水深度處理工藝過(guò)程的核心部分，濾池控制的主要任務(wù)是要自動(dòng)的控制濾池的運行和反沖洗。

    濾池的過(guò)濾控制：
    根據每格濾池的水位自動(dòng)控制出水閥門(mén)的開(kāi)啟度，水位下降到設定低限時(shí)，減小閥門(mén)的開(kāi)啟度，反之，加大閥門(mén)的開(kāi)啟  度，使得濾池內的水位在過(guò)濾過(guò)程中保持恒定。保證濾池有一個(gè)相對恒定的濾速，從而保證濾池正常、穩定的過(guò)濾。
    濾池的反沖洗控制：
    濾池反沖洗有三種方式：分別為定時(shí)沖洗、水位沖洗、強制沖洗。每種沖洗方式設有允許／禁止選擇按鈕。
 
    4.3.4清水池

    設置有水位、余氯（由復合環(huán)加氯機設備配套供貨）監測儀。進(jìn)水管路上設有電磁流量計，為濾后的復合環(huán)加氯控制提供參數。

    4.3.5送水泵房

    泵房吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。出水管路上設置電磁流量計和壓力變送器，對水泵進(jìn)行輪值控制，并均衡各泵的運行時(shí)間。深度處理出水設置水質(zhì)分析監測點(diǎn)，內容有余氯（CL2）濁度（SS）、酸度/溫度（pH/T）。還設置有自動(dòng)取樣器，自動(dòng)進(jìn)行進(jìn)水取樣，供化驗室分析和存樣。

    5 電力監控與管理

    1#變電站綜合保護系統計算機提供一個(gè)100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)接口；2#變電站、主要配電及用電設備上配置帶總線(xiàn)接口的多功能電力儀表；電氣數據通過(guò)以上方式上傳至中央控制室進(jìn)行顯示、記錄、存檔。

    6 結論

    該套自動(dòng)化集中監控系統具有以下優(yōu)點(diǎn)：①先進(jìn)的全開(kāi)放、分布式結構；②擴展靈活；③中文操作界面友好，操作人員容易掌握。

    PLC控制系統作控制站、最優(yōu)的工控組態(tài)軟件及工控機作操作站，實(shí)現了對污水處理廠(chǎng)現場(chǎng)的集中監控；實(shí)現了良好的人機對話(huà)，方便操作人員在控制室里了解現場(chǎng)電機、水泵、攪拌器和電動(dòng)閥等設備的運行狀況，并可通過(guò)操作站實(shí)現對現場(chǎng)設備的遠程操作，同時(shí)通過(guò)PLC控制系統實(shí)現聯(lián)鎖控制保護現場(chǎng)設備；維護人員可以直接從操作站上靈活組態(tài)和方便查找現場(chǎng)設備故障原因，達到了既顯示直觀(guān)又節省費用的目的。本設計經(jīng)北京和利時(shí)自動(dòng)化驅動(dòng)技術(shù)有限公司具體實(shí)施實(shí)現，已得到了非常好的實(shí)際應用效果。

    參考文獻

    [1] 蔡曉萍.PLC控制系統在污水處理廠(chǎng)的應用[J].杭氧科技.
    [2]  劉宇、彭力.基于PLC的城市污水處理控制系統設計[J].PLC、工控機與集散控制系統.
    [3] 周為民.施耐德Premium PLC在首鋼污水處理廠(chǎng)自控系統中的應用[J].國內外機電一體化技術(shù).
    [4] 顧戰松.可編程控制器原理與應用 [M].國防工業(yè)出版社