作者簡介：劉海峰（1960-），男，吉林九臺人，現(xiàn)任中國市政工程東北設(shè)計(jì)研究總院，咨詢公司副經(jīng)理。

    摘要：本文針對城市污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于PLC，并通過工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線聯(lián)網(wǎng)的污水處理自控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用改良型A2/O工藝，在長春市北郊污水處理廠實(shí)現(xiàn)了污水處理的全自動(dòng)控制，實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)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(tǒng)

    1 引言

    水污染是我國城市面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題，它不僅危害人民的身體健康，還抑制了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，破壞了生態(tài)平衡，并容易導(dǎo)致水荒的發(fā)生。城市污水處理設(shè)施的建設(shè)是現(xiàn)代化城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源保護(hù)不可缺少的組成部分，工業(yè)污水由于成分復(fù)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(xiàn)污水處理的過程能在惡劣的環(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(yán)重）連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地工作，對控制系統(tǒng)的要求有著比一般的過程控制系統(tǒng)更高的要求。

    隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，可以對污水處理實(shí)現(xiàn)日常的信息化管理。本文針對長春市北郊污水處理廠的污水再生利用處理系統(tǒng)，結(jié)合了北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司的相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線的污水處理自控系統(tǒng)，對污水處理過程進(jìn)行自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視。

    2 工程概況

    長春市北郊污水處理廠升級改造及污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)模為污水39萬噸/日，中水回用10萬噸/日，處理工藝為改良型A2/O工藝+生物濾池，主要處理來自市中心、二道、南湖、小南和八里堡五個(gè)排水區(qū)的生活用水和工業(yè)廢水，經(jīng)過處理后的污水可以直接排到伊通河內(nèi)，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。回用水深度水處理設(shè)施可以用于熱電廠的循環(huán)水，以緩解長春市用水緊張的局面。

    3 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

                     

    由可編程序控制器（PLC），遠(yuǎn)程I/O (RIO)及自動(dòng)化儀表組成檢測控制系統(tǒng)——現(xiàn)場控制站，以控制分區(qū)為對象，具有獨(dú)立的區(qū)域控制能力，能接受中央控制的調(diào)控，但不依賴中央控制的存在，對污水處理廠各過程進(jìn)行分散控制；再由中央控制室，對全廠實(shí)行集中管理。現(xiàn)場控制站及遠(yuǎn)程I/O根據(jù)污水處理廠所采用的工藝和構(gòu)筑物的平面分布，設(shè)置在控制對象和信號源相對集中的建筑物中。

    工廠網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器模式，環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，光纖網(wǎng)，客戶/服務(wù)器(Client/Server)模式的分布式實(shí)時(shí)關(guān)系數(shù)據(jù)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(tǒng)布線、子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線統(tǒng)一考慮、綜合利用，配置網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件。

    各現(xiàn)場控制站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊介質(zhì)為光纜；現(xiàn)場控制站與遠(yuǎn)程I/O之間由標(biāo)準(zhǔn)的Profibus現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通訊介質(zhì)為總線電纜或光纜（視距離遠(yuǎn)近而定）；現(xiàn)場控制站及遠(yuǎn)程I/O與現(xiàn)場測控儀表的連接采用24VDC電壓數(shù)字信號及標(biāo)準(zhǔn)4~20mA模擬信號通訊，通訊介質(zhì)為控制電纜及信號電纜；現(xiàn)場控制站及遠(yuǎn)程I/O與工藝設(shè)備電控裝置的連接采用現(xiàn)場總線方式或采用24VDC電壓數(shù)字信號及標(biāo)準(zhǔn)4~20mA模擬信號通訊，通訊介質(zhì)為總線電纜或控制電纜及信號電纜；測量儀表、在線式分析儀表、電動(dòng)執(zhí)行器是具有微處理器的智能設(shè)備。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

   4 工藝設(shè)計(jì)方案

    長春市北郊污水處理廠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(xì)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、紫外線消毒池、鼓風(fēng)機(jī)房和污泥濃縮脫水機(jī)房等主要工藝生產(chǎn)設(shè)施。

    4.1污水預(yù)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。通過液位差測量儀檢測格柵前后水位差值，當(dāng)水位差值大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)格柵。當(dāng)格柵距上次運(yùn)行的時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)格柵。啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)輸送機(jī)和柵渣壓實(shí)脫水機(jī)，格柵停止后延遲一段時(shí)間再停輸送機(jī)和柵渣壓實(shí)脫水機(jī)。任何一臺格柵啟動(dòng)時(shí)，均啟動(dòng)輸送機(jī)和柵渣壓實(shí)脫水機(jī)。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的操作屏可以設(shè)定水位差值，格柵距上次運(yùn)行的時(shí)間間隔及格柵的運(yùn)行周期。

    4.1.2水泵自動(dòng)控制

    根據(jù)吸水井液位控制取水泵的開啟。當(dāng)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(jì)的水泵運(yùn)行時(shí)間從小到大排列。當(dāng)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(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)輪值，保證水泵總是處在最佳運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)水位降低到干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)水位時(shí)，水泵全停。通過監(jiān)控管理系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的操作屏，可以設(shè)定水位值。

    4.1.3旋流沉砂池的控制

    旋流沉砂池自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，旋流沉砂池?cái)嚢枞~輪連續(xù)運(yùn)行，由控制系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)排砂過程，同時(shí)控制砂水分離器等設(shè)備的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

    旋流沉砂池、排砂泵、沖洗水、排砂閘門、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(jù)裝在改造貯泥池內(nèi)的超聲波液位計(jì)來控制排泥管上排泥閥的開停。排泥有二種控制方式：超聲波液位計(jì)設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)排泥，按定時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排泥。

    初沉污泥濃度由改造貯泥池內(nèi)的污泥濃度計(jì)測量。
    排泥泵所在的集泥井內(nèi)配置了超聲波液位計(jì)和浮球液位開關(guān)，作為排泥泵的啟停控制和干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)。

    4.2污水二級處理流程

    4.2.1鼓風(fēng)機(jī)房

    在鼓風(fēng)機(jī)房出口空氣總管上裝設(shè)溫度傳感器、壓力傳感器和氣體流量計(jì)，鼓風(fēng)機(jī)總管壓力將作為控制鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的控制參數(shù)。

    根據(jù)空氣總管壓力自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的開機(jī)臺數(shù)和各鼓風(fēng)機(jī)的有關(guān)風(fēng)閥，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉片角度，保持空氣總管壓力的恒定，在保證生物池內(nèi)空氣需求量和滿足曝氣管最低壓力值的前提下，盡可能地節(jié)省能耗。每臺鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間被累積記錄，保證各臺鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)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(shè)置一套曝氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)溶解氧值自動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣量，并測量空氣流量，最經(jīng)濟(jì)有效地滿足生物反應(yīng)的氧需求。 

    生物池的曝氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和鼓風(fēng)機(jī)房的壓力控制系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，相互影響，最終使生物池的生物處理過程處在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生物池曝氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證生物池中的生物處理過程能夠順利進(jìn)行。

    根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)潛水?dāng)嚢杵鳌?nèi)回流泵的運(yùn)行控制。

    4.2.3 二沉池集配水井及污泥泵站

    污泥泵站設(shè)置超聲波液位計(jì)，浮球液位開關(guān)，控制及保護(hù)回流污泥泵和剩余污泥泵運(yùn)行；設(shè)置污泥濃度計(jì)，測量污泥濃度。在剩余污泥總管上設(shè)置電磁流量計(jì)，計(jì)量進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)的污泥流量。在回流污泥總管上設(shè)置電磁流量計(jì)，測量回流到生物池的回流污泥流量，根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)回流泵的運(yùn)行控制。

    4.2.4接觸池

    二級處理出水的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在接觸池，內(nèi)容有余氯（CL2）、濁度（SS）、酸堿度/溫度（pH/T）、COD、BOD、NH3-N等，采用在線式檢測分析儀表。污水廠二級處理出水水質(zhì)狀況數(shù)據(jù)，作為本廠污水處理效果的評價(jià)指標(biāo)，同時(shí)作為排放水質(zhì)評價(jià)依據(jù)。

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

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

    4.2.5 加氯加藥間

    加藥系統(tǒng)、加氯系統(tǒng)的運(yùn)行控制：采取電磁流量計(jì)，計(jì)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(fù)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(jī)房

    在各污泥脫水機(jī)進(jìn)泥管和加藥管設(shè)置電磁流量計(jì)，數(shù)據(jù)送入污泥控制系統(tǒng)，為污泥脫水機(jī)進(jìn)行比例加藥控制提供參數(shù)。
脫水機(jī)的開機(jī)或停機(jī)過程及相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、連鎖由總控制箱協(xié)調(diào)，每臺設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間被累積記錄，保證各臺離心脫水機(jī)的運(yùn)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(shè)置超聲波液位計(jì)，控制和保護(hù)水泵的運(yùn)行。出水總管上設(shè)置壓力變送器，配水井后設(shè)兩臺電磁流量計(jì)對水泵進(jìn)行輪值控制，并均衡各泵的運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)兩臺電磁流量計(jì)的檢測值，為濾前的比例加藥控制提供參數(shù)。配合生產(chǎn)需要，對相關(guān)閥門進(jìn)行控制。

    4.3.2小網(wǎng)格反應(yīng)池和小間距斜板沉淀池

    設(shè)置濁度計(jì)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(yùn)行和反沖洗。

    濾池的過濾控制：
    根據(jù)每格濾池的水位自動(dòng)控制出水閥門的開啟度，水位下降到設(shè)定低限時(shí)，減小閥門的開啟度，反之，加大閥門的開啟  度，使得濾池內(nèi)的水位在過濾過程中保持恒定。保證濾池有一個(gè)相對恒定的濾速，從而保證濾池正常、穩(wěn)定的過濾。
    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(qiáng)制沖洗。每種沖洗方式設(shè)有允許／禁止選擇按鈕。
 
    4.3.4清水池

    設(shè)置有水位、余氯（由復(fù)合環(huán)加氯機(jī)設(shè)備配套供貨）監(jiān)測儀。進(jìn)水管路上設(shè)有電磁流量計(jì)，為濾后的復(fù)合環(huán)加氯控制提供參數(shù)。

    4.3.5送水泵房

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

    5 電力監(jiān)控與管理

    1#變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(shè)備上配置帶總線接口的多功能電力儀表；電氣數(shù)據(jù)通過以上方式上傳至中央控制室進(jìn)行顯示、記錄、存檔。

    6 結(jié)論

    該套自動(dòng)化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①先進(jìn)的全開放、分布式結(jié)構(gòu)；②擴(kuò)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(tǒng)作控制站、最優(yōu)的工控組態(tài)軟件及工控機(jī)作操作站，實(shí)現(xiàn)了對污水處理廠現(xiàn)場的集中監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)對話，方便操作人員在控制室里了解現(xiàn)場電機(jī)、水泵、攪拌器和電動(dòng)閥等設(shè)備的運(yùn)行狀況，并可通過操作站實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，同時(shí)通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖控制保護(hù)現(xiàn)場設(shè)備；維護(hù)人員可以直接從操作站上靈活組態(tài)和方便查找現(xiàn)場設(shè)備故障原因，達(dá)到了既顯示直觀又節(jié)省費(fèi)用的目的。本設(shè)計(jì)經(jīng)北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司具體實(shí)施實(shí)現(xiàn)，已得到了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 蔡曉萍.PLC控制系統(tǒng)在污水處理廠的應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)[J].PLC、工控機(jī)與集散控制系統(tǒng).
    [3] 周為民.施耐德Premium PLC在首鋼污水處理廠自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù).
    [4] 顧戰(zhàn)松.可編程控制器原理與應(yīng)用 [M].國防工業(yè)出版社