城鎮(zhèn)污水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

許 冬，李國(guó)偉

（1．機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州450007；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

城鎮(zhèn)污水廠自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

許 冬1，李國(guó)偉2

（1．機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州450007；2．中原工學(xué)院，鄭州450007）

結(jié)合某污水處理廠的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況，分析介紹了PLC自控系統(tǒng)在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)中的應(yīng)用，總結(jié)了自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與管理中應(yīng)注意的問(wèn)題．

污水處理；自控系統(tǒng)；自動(dòng)化儀表

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的迅速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域，并且起到了重要作用，實(shí)現(xiàn)了污水處理全過(guò)程的自動(dòng)化智能控制，既節(jié)省了人力資源，又能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映工藝過(guò)程中各個(gè)工藝參數(shù)的變化情況．一般情況下，城鎮(zhèn)污水處理廠都有總控室和多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，站與站之間通過(guò)控制器層網(wǎng)絡(luò)或信息層網(wǎng)絡(luò)相連，然后全部連接到總控室．總控室的多臺(tái)計(jì)算機(jī)、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接，這樣就和現(xiàn)場(chǎng)控制站構(gòu)成了集中管理、分散控制、高速數(shù)據(jù)交換的工廠級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)．目前，PLC（可編程控制器）控制系統(tǒng)已成為污水處理控制系統(tǒng)的核心部分，因而對(duì)其進(jìn)行合理的選型和設(shè)計(jì)，保證通訊網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高速通訊，對(duì)于污水廠高效、自動(dòng)運(yùn)行顯得尤為重要，并為生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了條件［1－3］．然而，常規(guī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有一些不太容易引起設(shè)計(jì)人員注意的細(xì)節(jié)問(wèn)題，這些問(wèn)題看似無(wú)關(guān)大局，但如果解決不好，將有可能使污水處理廠無(wú)法高效、順暢運(yùn)行，造成能源浪費(fèi)，增加運(yùn)行成本，還會(huì)給日常管理帶來(lái)不便．本文以某污水處理廠為例，介紹并分析污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段和實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中值得注意的若干問(wèn)題．

1 工程設(shè)計(jì)

1．1 工程概況

該污水處理廠工程于2008年立項(xiàng)，2009年7月進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多方專(zhuān)家評(píng)審后，于2009年11月設(shè)計(jì)完畢并正式開(kāi)工建設(shè)，2010年9月進(jìn)水試運(yùn)行．該工程一期工程設(shè)計(jì)污水處理能力2．5萬(wàn)m3／d，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)處理后的清潔水，排入十七里河．

1．2 處理工藝

該污水處理廠采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的水處理工藝，并針對(duì)新鄭市龍湖鎮(zhèn)污水排放以學(xué)校生活污水為主，污染物濃度低的特點(diǎn)，采用循環(huán)式活性污泥法CASS（Cyclic Activated Sludge System）工藝．該工藝具有能耗低、運(yùn)行費(fèi)用少、出水水質(zhì)好、便于管理、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)．

從廠外收集到的污水經(jīng)過(guò)粗格柵，去除較大的垃圾；通過(guò)提升泵將污水提升到細(xì)格柵，將較小的漂浮物去除；在生物處理工藝的核心部分——CASS反應(yīng)池中，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解，沉淀下來(lái)的泥漿態(tài)污泥通過(guò)污泥處理系統(tǒng)脫水、壓濾，形成干污泥餅；混合液經(jīng)加藥處理、連續(xù)流動(dòng)床過(guò)濾后，進(jìn)入紫外線(xiàn)消毒渠，上層澄清液作為凈化后的清潔水排放．工藝流程如圖1所示．

1．3 儀表及自控要求

（1）進(jìn)水泵房集水池內(nèi)設(shè)液位計(jì)．PLC根據(jù)集水池內(nèi)水位，通過(guò)變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵工作頻率并控制水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)．液位計(jì)設(shè)定上、下限報(bào)警水位，防止水泵干運(yùn)轉(zhuǎn)．

圖1 污水處理廠工藝流程

（2）粗、細(xì)格柵處設(shè)置超聲波液位差計(jì)，通過(guò)對(duì)格柵前后液位差的檢測(cè)，判斷格柵是否堵塞．PLC按時(shí)間間隔，同時(shí)根據(jù)格柵前后液位差，自動(dòng)控制機(jī)械格柵轉(zhuǎn)動(dòng)除渣．在粗格柵后設(shè)置p H監(jiān)測(cè)儀，進(jìn)行進(jìn)水p H值監(jiān)測(cè)．

（3）在沉砂池與CASS池之間設(shè)置電磁流量計(jì)，進(jìn)行污水廠水量監(jiān)測(cè)．

（4）針對(duì)CASS工藝特點(diǎn)，自控采用PLC時(shí)序控制，每個(gè)池子的基本循環(huán)周期為4 h，PLC時(shí)序控制系統(tǒng)按照設(shè)定的程序啟、停鼓風(fēng)機(jī)、剩余污泥泵及相應(yīng)的閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)CASS的周期性程序運(yùn)行．

（5）每座CASS反應(yīng)池分別設(shè)一套溶解氧測(cè)定儀、一套MLSS污泥濃度測(cè)定儀和一套氨氮測(cè)定儀，分別負(fù)責(zé)測(cè)量CASS反應(yīng)池中溶解氧含量、污泥濃度和氨氮濃度．PLC根據(jù)反應(yīng)池中溶解氧含量來(lái)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)反應(yīng)池中的污泥濃度控制剩余污泥泵的開(kāi)啟．

（6）鼓風(fēng)機(jī)房出口空氣總管上裝設(shè)空氣流量計(jì)、壓力傳感器，作為控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，保障CASS池的供氧要求．在CASS池與中間提升泵房之間設(shè)置電磁流量計(jì)，進(jìn)行污水廠水量監(jiān)測(cè)．

（7）污泥儲(chǔ)泥池液位傳感器通過(guò)檢測(cè)泥位，控制污泥進(jìn)泥管閥門(mén)的開(kāi)閉．

（8）脫水機(jī)房進(jìn)泥管設(shè)電磁流量計(jì)，負(fù)責(zé)調(diào)整加藥系統(tǒng)的輸出量．

（9）在污水廠的出水管處設(shè)電磁流量計(jì)，負(fù)責(zé)本項(xiàng)目污水出水的計(jì)量．

（10）在紫外線(xiàn)消毒渠處設(shè)COD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀和NH3－N在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)．

2 問(wèn)題分析

2．1 設(shè)備控制

設(shè)計(jì)中，經(jīng)反復(fù)比較論證，決定采取如下控制方式：全廠參與過(guò)程控制的工藝設(shè)備電機(jī)采用機(jī)旁就地手動(dòng)控制、MCC遙控方式、遠(yuǎn)程PLC自動(dòng)控制三種控制方式．在機(jī)旁設(shè)置帶轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、啟停按鈕和指示燈按鈕箱．在MCC（電動(dòng)機(jī)控制中心）上設(shè)置集中控制啟停按鈕、相應(yīng)的指示燈及與PLC對(duì)應(yīng)的控制端子．

根據(jù)以上原則，未設(shè)置PLC控制分站或者沒(méi)有自帶控制系統(tǒng)的構(gòu)筑物內(nèi)的工藝設(shè)備，均由低壓開(kāi)關(guān)柜（MCC）放射式供電．與提升泵等大功率用電設(shè)備配套的低壓變頻器或軟啟動(dòng)器設(shè)在低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)控制按鈕箱．這樣不僅便于MCC集中控制，也避免了因變頻器柜或軟啟動(dòng)器柜等重要設(shè)備暴露在室外需提高防護(hù)等級(jí)而額外增加費(fèi)用；同時(shí)由于PLC控制分站的設(shè)置鄰近MCC，大大縮短了信號(hào)電纜長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少了投資成本．這樣，設(shè)備控制箱不再需設(shè)備廠家配套提供，而由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于PLC控制站與設(shè)備自控系統(tǒng)的銜接，使設(shè)計(jì)更為完整與明確，便于訂貨和安裝．有些工程設(shè)計(jì)采用在各構(gòu)筑物分別獨(dú)立設(shè)置MCC，再由MCC為內(nèi)部設(shè)備放射式供電的方式．這種配電方式有以下問(wèn)題：

（1）控制不方便．由于工藝設(shè)備一、二次回路設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)控制柜內(nèi)，而PLC控制柜設(shè)在控制分站，兩者不在同一地點(diǎn)，使得管理人員在設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障的情況下，難以在第一時(shí)間實(shí)施有效干預(yù)，進(jìn)而可能造成控制上的不便．

（2）設(shè)備調(diào)試對(duì)接可能出現(xiàn)問(wèn)題．由于各個(gè)構(gòu)筑物工藝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制柜很可能不是由同一廠家成套供貨，相互之間會(huì)缺乏協(xié)調(diào)一致，造成做法不統(tǒng)一，給系統(tǒng)調(diào)試對(duì)接帶來(lái)麻煩，甚至可能出現(xiàn)一些設(shè)備缺失而另一些設(shè)備重復(fù)設(shè)置的情況，影響工程順利完工．

（3）成本問(wèn)題．從工程投資來(lái)看，這種配電方式并不比從變電所低壓開(kāi)關(guān)柜放射式供電的方式節(jié)省成本．因?yàn)檫@樣做盡管電力電纜投資或許會(huì)減少一些，但由于設(shè)備設(shè)置在室外，采取防水、防曬等措施而產(chǎn)生的前期投資及后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用將會(huì)相應(yīng)增加．

2．2 自動(dòng)化儀表

自動(dòng)化檢測(cè)儀表的合理設(shè)置，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮著十分重要的作用．在設(shè)計(jì)中，我們是按照其在正常工況運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的．而在工程運(yùn)行初期，由于進(jìn)水量往往還達(dá)不到設(shè)計(jì)水平，而系統(tǒng)仍按照正常工況進(jìn)行工作，這就造成了設(shè)備工作效率降低和能源浪費(fèi)，運(yùn)行成本增加，這不符合當(dāng)前建設(shè)低碳經(jīng)濟(jì)的要求．

例如，在設(shè)計(jì)中，針對(duì)CASS工藝特點(diǎn)，自控系統(tǒng)采用PLC時(shí)序控制，每個(gè)池子的基本循環(huán)周期為4 h，PLC時(shí)序控制系統(tǒng)按照設(shè)定的程序啟、停相應(yīng)的風(fēng)機(jī)、泵及閘門(mén)，實(shí)現(xiàn)CASS的周期性程序運(yùn)行．但在工程試運(yùn)行一段時(shí)間后，該污水廠提出，由于前期水量較少，按時(shí)序自動(dòng)控制降低了設(shè)備的工作效率，使得運(yùn)行成本增加，造成不必要的浪費(fèi)．經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，我們決定在CASS池設(shè)置超聲波液位計(jì)，采用時(shí)序和液位同時(shí)控制的方式，以避免設(shè)備的低效率運(yùn)轉(zhuǎn)．實(shí)踐證明，這樣做的效果是明顯的，切實(shí)降低了運(yùn)行成本．

這個(gè)案例提醒我們，不能只考慮設(shè)計(jì)時(shí)的情況，同時(shí)還要兼顧到未達(dá)到設(shè)計(jì)水平時(shí)的運(yùn)行情況，使工程在運(yùn)行的各個(gè)時(shí)期都能創(chuàng)造出良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益．

2．3 線(xiàn)纜敷設(shè)

在本工程安裝階段，由于引至CASS池的各種電纜較多，出現(xiàn)了電纜橋架占用走道板的情況．這提醒我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)中，盡量使橋架不在走道板上敷設(shè)，而是在走道板外側(cè)安裝支架，在支架上敷設(shè)電纜橋架．另外，如果廠區(qū)可供電纜敷設(shè)的空間有限，不如考慮使橋架沿構(gòu)筑物的外圍敷設(shè)．

3 結(jié) 語(yǔ)

PLC自控系統(tǒng)是城鎮(zhèn)污水處理廠自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分，它的性能對(duì)于污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到了決定性的作用．根據(jù)污水處理自動(dòng)化本身的特點(diǎn)和控制需要，設(shè)計(jì)合理的PLC控制系統(tǒng)及其通訊網(wǎng)絡(luò)是保證污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)性能的前提．但在實(shí)際的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，需要加以解決．

［1］王樹(shù)東，王紅波，譚華，等．OPC技術(shù)在城市污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．電氣自動(dòng)化，2011（3）：35－37．

［2］牛學(xué)義．濟(jì)寧污水處理廠控制系統(tǒng)的特點(diǎn)［J］．給水排水，2000，26（6）：75－78．

［3］唐寶玉，蔣式勤．實(shí)用污水處理廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)［J］．電氣自動(dòng)化，2000，22（5）：49－51．

Research of the Control Design of Urban Sewage Treatment

XU Dong1，LI Guo－wei2
（1．No．6 Institute of Project Planning ＆ Research of Machinery Industry；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Combining the designing and running Situation of No．3 Urban Sewage Treatment of Xinzheng，the application of PLC auto－control system in the construction of urban sewage treatment in our country is intruduced and analyzed．Several remarkable problems about the designing and management of auto－control system are summarized．

waste water treatment；auto－control system；automation meter

TP27

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．05．017

1671－6906（2011）05－0065－03

2011－09－14

許 冬（1978－），男，河南開(kāi)封人，工程師．