文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）06-076-05中圖分類號：TP273

★張文霞，王翠（青島城市學(xué)院，山東青島266106）

★仲崇慶（青島邁斯特科技有限公司，山東青島266106）

關(guān)鍵詞：污水提升系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；硫化氫傳感器；監(jiān)控系統(tǒng)

污水提升系統(tǒng)在污水處理系統(tǒng)中發(fā)揮著輸送污水的作用^[1-3]，可以提升系統(tǒng)工作的好壞，直接影響水污染控制的效果。污水提升系統(tǒng)包含污水收集與輸送系統(tǒng)的管道系統(tǒng)和污水提升泵站兩大部分^[4,5]。管道系統(tǒng)收集各種污水并輸送到污水處理廠，而污水提升泵站是將地下的污水進(jìn)行高度提升，使其在管道系統(tǒng)中進(jìn)行重力自流^[6]。污水提升系統(tǒng)的供配系統(tǒng)設(shè)計、主要設(shè)備選擇和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計水平?jīng)Q定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣^[7]。文獻(xiàn)^[8]探討了中小型污水提升泵站電氣系統(tǒng)的供配系統(tǒng)設(shè)計、主要設(shè)備選擇、監(jiān)控系統(tǒng)選用等方面的設(shè)計，為確保中小型污水提升泵站的安全性提供了借鑒。文獻(xiàn)^[9]在一個污水提升泵站自動控制項目改造工程中采用羅克韋爾公司的SLC500 PLC，在泵站的控制工藝、自控系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計等方面做了研究。文獻(xiàn)^[10]針對傳統(tǒng)污水處理泵站自動化程度低、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控等問題，設(shè)計了一套基于PLC和安卓APP的污水處理泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。其采用西門子S7-400 PLC采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，經(jīng)Wi-Fi模塊并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳到云服務(wù)器。運行結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能實時遠(yuǎn)程監(jiān)視并控制設(shè)備的運行。

傳統(tǒng)的污水處理泵站采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA或者手動操作。SCADA監(jiān)控系統(tǒng)價格偏高，并且原有的地下污水泵站由于實施時間較早、采用的技術(shù)相對落后，故障率高，而且在定期清掏時，污水散發(fā)的臭味嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，同時沉淀物產(chǎn)生的有毒有害氣體對維護(hù)人員造成的傷害也時有發(fā)生。本文針對傳統(tǒng)污水泵站環(huán)保要求的不足，設(shè)計了一套以西門子S7-1200為控制核心的智能污水提升系統(tǒng)，通過傳感器采集液位、硫化氫氣體的濃度實現(xiàn)反饋控制，并采用多泵熱切換控制模式，通過增設(shè)一臺格柵機來實現(xiàn)污水和雜物的分離，使得整個設(shè)備在運行過程中實現(xiàn)了免清掏以及污水的密閉排放，同時設(shè)備配備了遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，并設(shè)計了上位機組態(tài)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)對污水提升系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控和故障報警。

1　系統(tǒng)控制原理

污水提升泵站系統(tǒng)分上位機、下位機和現(xiàn)場設(shè)備3部分。上位機部分由基于西門子組態(tài)軟件開發(fā)的上位機組態(tài)監(jiān)控軟件組成，如圖1所示，用來監(jiān)控污水泵站各類設(shè)備的運行情況并收集數(shù)據(jù)。下位機部分主要由S7-1200 PLC組成，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場設(shè)備發(fā)送上來的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后上傳到上位機組態(tài)軟件。現(xiàn)場設(shè)備部分主要由配電柜、各類儀表、相關(guān)機電設(shè)備組成，液位計、硫化氫氣體變送器等儀表把檢測出來的信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給PLC，經(jīng)過處理后對提升泵、啟閉機等機電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。同時，PLC采集配電柜的電壓、電流信息，并對其運行情況進(jìn)行監(jiān)控，如圖1所示。當(dāng)PLC對提升泵進(jìn)行啟動控制時，PLC數(shù)字量模塊先發(fā)出一個高電平信號，驅(qū)動繼電器閉合，繼電器閉合后給提升泵啟動端子一個高電平，從而實現(xiàn)對提升泵的啟動控制。提升泵池春夏季液位較高而秋冬季液位較低，是污水處理泵站耗電量最大的設(shè)備之一。為了節(jié)約能源、延長設(shè)備的使用壽命，本文采用液位控制模式，PLC程序中計算每臺提升泵的運行時間，程序控制優(yōu)先啟動長時間未運行的提升泵，優(yōu)先停止運行時間長的提升泵，從而實現(xiàn)合理選擇提升泵的啟停，延長設(shè)備壽命。在污水泵站控制系統(tǒng)中，PLC與上位機之間通信采用的是PROFIBUS協(xié)議。本地控制面板上使用三擋位開關(guān)，分別用于“自動-手動-停止”。靜壓差液位計用于正常水泵液位，依照箱體水位變化，從下往上分設(shè)停機液位、啟動液位、雙泵液位和報警液位4個液位，設(shè)計出單泵運行與雙泵運行的水位處理原則。單泵運行方式是水位第一次到達(dá)單泵啟泵液位后A泵啟動，然后水位下降到停機液位，A泵停止運行，水位第二次到達(dá)單泵啟泵液位后B泵啟動，然后水位下降到停機液位，B泵停止運行，水位第三次到達(dá)單泵啟泵液位后C泵啟動，然后水位下降到停機液位，C泵停止運行。若水泵運行過程中C泵出現(xiàn)故障，則自動切換到A泵運行，若A泵故障則切換到B泵運行。雙泵運行是當(dāng)A泵運行后水位繼續(xù)上升到雙泵運行時候，則將B泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運行。在此期間若任意一臺水泵故障，則C備用泵作為替換泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2雙泵停止運行。當(dāng)C泵運行后水位繼續(xù)上升到雙泵運行時候，則將A泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運行。溢流報警液位是當(dāng)液位達(dá)到溢流液位后，需要同時啟動三臺泵，正常是不會出現(xiàn)該種情況，但是為了預(yù)防壓力傳感器失效，故設(shè)置此液位。干轉(zhuǎn)液位是當(dāng)液位達(dá)到干轉(zhuǎn)液位后，即干轉(zhuǎn)浮球斷開后需要關(guān)閉所有運行的水泵，該功能是為了預(yù)防壓力傳感器失效或故障，引起無法停機。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)硬件功能設(shè)計

智能污水提升系統(tǒng)采集液位、硫化氫氣體的濃度等，利用西門子PLC實現(xiàn)對3臺污水提升泵、1臺格柵機、1臺風(fēng)機等設(shè)備的控制，如圖2所示。污水泵功率為200kW。為了防止高壓電誤入信號線造成設(shè)備的損壞，在每個DI/DO中加隔離繼電器，并且在每個AI/AO中加浪涌保護(hù)器。根據(jù)污水提升系統(tǒng)的流量、功率以及控制方式和控制精度等控制要求選擇污水提升泵、格柵機、風(fēng)機的型號，根據(jù)需要采集的傳感器信號的量程和精度選擇液位傳感器、硫化氫傳感器，根據(jù)控制輸入輸出點數(shù)選擇PLC的電源、數(shù)字量輸入輸出以及模擬量輸入輸出模塊。

圖2  PLC需要采集的輸入信號示意

2.1　污水提升泵

污水提升泵具有防纏繞、無堵塞、自動耦合和自動控制等功能，可以排送固體顆粒及長纖維垃圾，如圖3所示。該泵排出水口徑為400mm，流量3000m3/h，揚程為30m，功率為200kW，通過固體顆粒直徑最大可為100mm。該泵電機額定電壓380V，頻率50Hz、三相交流電源。輸送介質(zhì)溫度不超過40攝氏度，輸送液體介質(zhì)pH值為4-10，輸送介質(zhì)中固相物容積比在2%以下，輸送介質(zhì)密度小于1.2×103kg/m3。

（a）

（b）

圖3  污水提升泵（a）及組成（b）

2.2　格柵機

格柵機能將污水管網(wǎng)中的木片、布片、餐廚垃圾等雜物垃圾進(jìn)行粉碎，可以解決垃圾過多堵塞水泵問題，保護(hù)水泵正常運轉(zhuǎn)，如圖4所示。電機啟動后，格柵機的刀片及立式轉(zhuǎn)鼓同時不等速轉(zhuǎn)動，污水中的固體漂浮物隨著污水進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后被旋轉(zhuǎn)的柵網(wǎng)截留并送至切割區(qū)，兩組不等速轉(zhuǎn)動的刀片迅速進(jìn)行軸向和徑向切割，將其粉碎成8-10mm的細(xì)小顆粒，粉碎后的小顆粒由水泵抽水一起流走，有效防止水泵纏繞、堵塞。

圖4  格柵機

2.3　硫化氫傳感器

為保障系統(tǒng)運維人員安全，需要對泵站內(nèi)硫化氫氣體濃度進(jìn)行在線監(jiān)測。在線式硫化氫傳感器（如圖5所示）能夠有效地檢測泵站中對人體有害的硫化氫的濃度，該傳感器檢測量程為0-200ppm，分辨率為0.01ppm，響應(yīng)時間小于30秒，工作電源為24VDC，本質(zhì)安全型，防爆防腐蝕，接口為4-20mA電流信號輸出，最遠(yuǎn)傳輸距離為1200米。PLC控制程序通過采集硫化氫傳感器的4-20mA輸出，并在程序中判斷實測值與超量閾值的關(guān)系，實現(xiàn)超閾值報警的模式，以此來保障人員的人身安全。硫化氫濃度超標(biāo)報警時，需要同時啟動鼓風(fēng)機降低硫化氫氣體濃度。

圖5  在線式硫化氫氣體傳感器

2.4　主電路圖

3臺水泵和1臺格柵機采用380V三相交流供電，污水泵有單泵運行和雙泵運行兩種運行方式，水泵和格柵機均采用PLC控制接觸器的通斷實現(xiàn)對主回路的通斷電控制，其主控制電路如圖6所示。

圖6  主電路圖

3　系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

設(shè)備監(jiān)控模塊的作用是對現(xiàn)場的儀表和設(shè)備進(jìn)行信號采集，經(jīng)PLC處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機，并顯示在上位機監(jiān)控軟件上，對現(xiàn)場的機電設(shè)備及儀表進(jìn)行監(jiān)控。出現(xiàn)故障或異常信息后上位機監(jiān)控軟件會發(fā)出報警信息，同時在上位機組態(tài)畫面上顯示報警信息。我們根據(jù)系統(tǒng)的控制流程和控制要求設(shè)計了PLC程序和上位機組態(tài)監(jiān)控軟件。

3.1　PLC系統(tǒng)I/O表

根據(jù)該智能污水提升系統(tǒng)需要采集的傳感器型號的形式和數(shù)量以及需要控制的外部設(shè)備的數(shù)量，同時考慮到系統(tǒng)的安全性冗余設(shè)計等因素，該控制系統(tǒng)由26個數(shù)字量輸入點、12個數(shù)字量輸出點和2個模擬量輸入點組成，系統(tǒng)I/O分配如表1所示。

表1  PLC系統(tǒng)I/O表

3.2　上位機組態(tài)軟件設(shè)計

考慮系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，我們采用西門子組態(tài)軟件設(shè)計了該系統(tǒng)上位監(jiān)控程序，上位機與PLC之間采用網(wǎng)線通信，可以在遠(yuǎn)程對該污水提升系統(tǒng)實現(xiàn)水泵的啟動與停止、格柵機的啟動與停止、風(fēng)機的啟動與停止，并通過設(shè)置報警液位、啟動液位和停泵液位，減少了水泵頻繁啟動造成的損壞，增加了水泵的壽命；系統(tǒng)可以對液位傳感器、硫化氫傳感器和浮球位置實時監(jiān)控，通過圖像化組態(tài)界面對采集的傳感器數(shù)據(jù)繪制曲線、超限報警，實現(xiàn)了污水提升系統(tǒng)的高度自動化，并且具有故障自投、自動輪換等各種實用功能。組態(tài)軟件界面如圖7所示。

圖7  上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

4　結(jié)論

地下建筑在衛(wèi)生間污水提升和排放的要求上提出了更高的要求。本文設(shè)計的智能污水提升系統(tǒng)能夠分離污水中的大顆粒物，使其不進(jìn)入水泵，避免了水泵堵塞。該系統(tǒng)采用雙泵節(jié)能運行模式，通過增加或減少水泵的運行臺數(shù)來實現(xiàn)水泵的高效運行，從而有效地降低能耗。同時遠(yuǎn)程組態(tài)軟件可以實現(xiàn)操作人員對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無需人員長期值守，系統(tǒng)自動化程度高。

★基金項目：山東省高等教育本科教學(xué)改革研究項目（M2022338）。

作者簡介：

張文霞（1980-），女，山東青島人，副教授，碩士，現(xiàn)就職于青島城市學(xué)院機電工程系，研究方向為嵌入式技術(shù)、人工智能技術(shù)與新能源技術(shù)。

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摘自《自動化博覽》2023年6月刊