淺議污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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摘要：21世紀(jì)，隨著大家對(duì)自身生活環(huán)境需求的不斷進(jìn)步，以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家和社會(huì)對(duì)各種污染的管理越來(lái)越注重，由于水是有限的不可再生資源，所以對(duì)水污染的管理顯得愈加重要，因此，針對(duì)污水提升站的項(xiàng)目，電氣系統(tǒng)在整個(gè)污水站的運(yùn)行中起到不可忽視的作用。本文從污水處理流程、PLC 控制系統(tǒng)、監(jiān)控及安防系統(tǒng)、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題這幾個(gè)方面談?wù)勎鬯嵘镜碾姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：污水泵站；電氣設(shè)計(jì)；控制系統(tǒng)；PLC技術(shù)應(yīng)用

新時(shí)期下，伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。污水處理在環(huán)境保護(hù)中是一個(gè)最重要的環(huán)節(jié)，污水處理作為城市可持續(xù)發(fā)展的必要措施，其建設(shè)的好壞直接影響到整個(gè)城市的環(huán)境，而如今能源的緊缺又給城市的發(fā)展提出了新的目標(biāo)。污水提升泵站其主要用于收集城市生活污水，是城市生活污水集中排放、處理的必要環(huán)節(jié)，因而污水提升泵站的作用是顯而易見(jiàn)的。為此，針對(duì)污水泵站的建設(shè)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一套由PLC 控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的污水泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)，較好地解決了污水處理問(wèn)題，是一套先進(jìn)、可靠、操作簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。

1、污水提升泵站污水處理流程

以杏南小區(qū)污水泵站建設(shè)工程為例，闡述污水提升泵站污水處理流程。該泵站中有兩臺(tái)潛水泵（一用一備），生活污水不斷的注入集水池內(nèi)，當(dāng)集水池內(nèi)水位升至一個(gè)高水位時(shí)，一臺(tái)泵啟動(dòng)，水位下降至一個(gè)低水位時(shí)，泵自動(dòng)停止工作。當(dāng)集水池再次充滿水時(shí)，起動(dòng)另外一臺(tái)水泵，直至停止工作。

2、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成

根據(jù)污水泵站污水處理過(guò)程的流程和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求，整個(gè)污水泵站污水處理站控制部分由電氣部分、PLC控制系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)為集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線混合型結(jié)構(gòu)，PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)總線中的一個(gè)站，又作為以太網(wǎng)上的一個(gè)站點(diǎn)，而監(jiān)控中心不作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)，只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，此網(wǎng)上的各站點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行，而現(xiàn)場(chǎng)的信息也通過(guò)以太網(wǎng)從PLC 的寄存器中讀取，控制現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)也由以太網(wǎng)送到主站PLC 的寄存器中，再通過(guò)主/從協(xié)議傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線中的各從站。從而實(shí)現(xiàn)污水站的遠(yuǎn)程監(jiān)視控制。

2.1 電氣部分設(shè)計(jì)。由于污水處理是一個(gè)連續(xù)的非常重要的項(xiàng)目，如果在正常生產(chǎn)中有電源中斷，那樣會(huì)引起工藝狀態(tài)混亂，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)。所以供電負(fù)荷要求為二級(jí)，供電電源采用雙回線路。泵站的主要用電負(fù)荷為一臺(tái)90kW的潛水泵。電機(jī)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制方式，手動(dòng)方式下實(shí)現(xiàn)就地控制，正常運(yùn)行情況下PLC 控制為主。電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)。另外還要給軸流風(fēng)機(jī)和泵站的一些正常用電配電。

2.2 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制部分主要有集水池的液位控制、潛水泵本身的溫度、漏油控制。下面仍以泵站中有兩臺(tái)潛水泵（一用一備）為例，具體的說(shuō)明集水池的液位控制流程及程序設(shè)計(jì)。集水內(nèi)安裝2個(gè)浮球液位計(jì)和1個(gè)投入式液位變送器。投入式液位變送器預(yù)先設(shè)定啟泵（-3.0m）和停泵（-5.95m）的數(shù)值（可更改的）。污水不斷的注入集水池內(nèi)，當(dāng)集水池內(nèi)水位升至-3.0m時(shí)，一臺(tái)泵啟動(dòng)，水位下降至-5.95m時(shí)，泵自動(dòng)停止工作。當(dāng)集水池再次充滿水時(shí)，起動(dòng)另外一臺(tái)水泵，直至停止工作。兩臺(tái)水泵可由程序控制自動(dòng)切換使用，以保證各臺(tái)泵平均使用；泵出口電動(dòng)閥門與相應(yīng)泵聯(lián)鎖。開(kāi)泵過(guò)程為：先啟泵后開(kāi)閥；停泵過(guò)程為：先關(guān)閥后停泵。2個(gè)浮球液位計(jì)分別設(shè)在高低液位的兩個(gè)值，當(dāng)達(dá)到這兩個(gè)值時(shí)，通過(guò)PLC與報(bào)警呼叫裝置連接，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳到監(jiān)控中心。

2.3 監(jiān)控及安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。污水站，除了有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)外，還必須有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控及防盜等的安防系統(tǒng)。

2.3.1 周界防范報(bào)警系統(tǒng)。周界防范報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)在泵站的四周圍墻上安置主動(dòng)紅外對(duì)射探測(cè)器，對(duì)周界分段警戒，防范閑雜人員翻越圍墻進(jìn)入泵站，當(dāng)圍墻上有人翻越時(shí)，泵站報(bào)警主機(jī)上會(huì)出現(xiàn)聲光報(bào)警，同時(shí)報(bào)警信號(hào)自動(dòng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)間與保存報(bào)警信息。

2.3.2 防盜系統(tǒng)。在泵站的室內(nèi)安裝了幕簾式被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器，用于防止他人未經(jīng)許可進(jìn)入房間實(shí)施破壞。

2.3.3 遠(yuǎn)程視頻圖象監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程視頻圖象監(jiān)控系統(tǒng)是在污水泵站配電間、污水泵站院內(nèi)等設(shè)置前端攝像機(jī)，將圖象傳送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)整個(gè)泵站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，使管理人員充分了解泵站的動(dòng)態(tài)。該系統(tǒng)與泵站室內(nèi)防盜報(bào)警、周界報(bào)警等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)數(shù)字硬盤錄像機(jī)，完成監(jiān)視、報(bào)警、設(shè)防和監(jiān)視圖象的存儲(chǔ)和檢索。

3、現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹

泵站由五組相對(duì)獨(dú)立的污水處理渠組成，每組設(shè)有閥門和粗細(xì)格柵等處理設(shè)備。粗細(xì)格柵的控制由粗細(xì)格柵的液位差或時(shí)間來(lái)完成，格柵進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，閥門和傳送帶及壓榨機(jī)等進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。經(jīng)過(guò)處理的污水暫存在集水池中，集水池的液位現(xiàn)場(chǎng)由超聲波液位計(jì)、投入式液位計(jì)測(cè)量，起互為備用的作用，在雨水泵和污水泵啟停時(shí)考慮汛期和雨季的因素，在操作畫(huà)面上設(shè)置功能選擇開(kāi)關(guān)?？刂葡到y(tǒng)主要控制各種閥門、粗細(xì)格柵、傳送帶、壓榨機(jī)、污水泵、雨水泵等，同時(shí)對(duì)用泵站耗電量進(jìn)行計(jì)量。

3.1 粗細(xì)格柵控制系統(tǒng)

對(duì)格柵設(shè)置兩種控制方式：水位差自動(dòng)控制（粗格柵）和時(shí)間控制

根據(jù)水位差測(cè)量?jī)x測(cè)得的格柵前后水位差值自動(dòng)控制機(jī)械格柵的運(yùn)行，即水位差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)格柵。當(dāng)機(jī)械格柵停止運(yùn)行的時(shí)間超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為時(shí)間控制。PLC系統(tǒng)將自動(dòng)控制輸送柵渣壓實(shí)機(jī)、機(jī)械格柵的順序啟停、運(yùn)行、停車以及安全連鎖保護(hù)。任何一臺(tái)格柵啟動(dòng)時(shí)，均啟動(dòng)輸送機(jī)和柵渣壓實(shí)機(jī)。

3.2 水泵控制

在泵池設(shè)超聲波液位和投入式液位儀表，根據(jù)水位測(cè)量?jī)x測(cè)得的泵房水位值自動(dòng)控制多臺(tái)水泵的啟停運(yùn)行。當(dāng)泵房水位高至某一設(shè)定的水位值時(shí)，PLC系統(tǒng)將按軟件程序自動(dòng)增加水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；相反，當(dāng)泵房水位降至某一設(shè)定的水位值時(shí)，PLC系統(tǒng)將按軟件程序自動(dòng)減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)累積各個(gè)水泵的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)輪換水泵，保證各水泵累積運(yùn)行時(shí)間基本相等，使其保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

4、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的一些問(wèn)題

這幾年做污水提升泵站的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題，值得大家以后在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意。

4.1 電源的問(wèn)題。污水站屬于二級(jí)負(fù)荷。在水專業(yè)的規(guī)范中有說(shuō)明，在電氣規(guī)范中沒(méi)有說(shuō)明，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，我們都查了規(guī)范，可是沒(méi)有看到是二級(jí)負(fù)荷，就沒(méi)有按照二級(jí)負(fù)荷考慮電源的問(wèn)題。

根據(jù)民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范（JGJ 16-2008）3.2.10，二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜采用兩回線路供電。一定要跟高壓部門結(jié)合好引電源的位置，是不是可以增容。

4.2 配電柜內(nèi)設(shè)備的問(wèn)題。從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際來(lái)看，進(jìn)線柜若是雙電源切換柜，1000mm寬的柜子還是比較小，排的滿滿的，電纜在后面都沒(méi)有多余的空間，所以柜體寬度最好為1200mm。

4.3 自控設(shè)備的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中采用了超聲波液位計(jì)和浮球液位計(jì)，以后的設(shè)計(jì)中可以考慮雷達(dá)液位計(jì)、激光液位計(jì)等。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)每個(gè)物業(yè)的情況選擇相應(yīng)的液位計(jì)。

4.4 加裝雨棚燈、院內(nèi)照明的問(wèn)題?？梢园惭b聲光控雨棚燈；污水泵房頂四周增設(shè)投光燈；有磚圍欄的，也可在圍欄柱上安裝燈具；站內(nèi)道路也可以增設(shè)路燈。另外一定要注意的是：污水池內(nèi)的照明燈具要選用防爆燈。從人性化考慮，可以在大門處增加門鈴，以便來(lái)訪人員。

5、控制系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

5.1 WinCC 組態(tài)軟件

SIMATIC WinCC具有良好的開(kāi)放性和靈活性，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。

5.2 操作控制層

操作控制層作為系統(tǒng)的人機(jī)接口單元（HMI），完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視和生產(chǎn)過(guò)程的操作。同時(shí)又將本地信號(hào)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)向管理服務(wù)器傳輸，人機(jī)接口界面所采用的組態(tài)軟件，其功能如下：

（1）人機(jī)接口：計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)了監(jiān)控界面，可顯示現(xiàn)場(chǎng)主接線圖，工藝流程圖、設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)、棒型圖以及歷史曲線等?？筛鶕?jù)實(shí)際要求通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各種操作。

（2）污水處理操作過(guò)程的監(jiān)視：污水處理自動(dòng)控制，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)按時(shí)控制的順序控制過(guò)程，因此上述順序控制過(guò)程可分為若干步，可以把污水處理步驟化，啟、停機(jī)的步驟顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，并且每一步后面采用動(dòng)態(tài)顏色反映各步的狀態(tài)變化，以表明相應(yīng)的步驟順利地完成，

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)功能：可將PLC采集處理的各類信號(hào)：模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量的每一采樣點(diǎn)記錄到文件中以備處理，該文件可被excel數(shù)據(jù)庫(kù)直接應(yīng)用；同時(shí)可記錄操作人員當(dāng)班期間的操作記錄。

（4）事故記錄：記錄模擬信號(hào)的越限報(bào)警和開(kāi)頭的故障動(dòng)作時(shí)間。

（5）打印報(bào)表：可定時(shí)或事件驅(qū)動(dòng)打印實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)和各類報(bào)警數(shù)據(jù)。

（6）數(shù)據(jù)庫(kù)接口：支待ODBC數(shù)據(jù)庫(kù)接口。

5.3 管理層

管理層運(yùn)行Wincc組態(tài)軟件，與操作控制層通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，把生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，并在SQL服務(wù)器上運(yùn)行專家系統(tǒng)，對(duì)污水處理的各種性能參數(shù)進(jìn)行分析并提出合理建議。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)控制層

由于PLC控制的設(shè)備很多，操作控制層和現(xiàn)場(chǎng)控制層需通信的設(shè)備狀態(tài)和控制命令交換頻繁，我們采用結(jié)構(gòu)化的軟件編程方法設(shè)計(jì)了操作控制層和現(xiàn)場(chǎng)控制層通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而提高了控制系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

6、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，污水提升泵站電氣系統(tǒng)在整個(gè)污水泵站的運(yùn)行中起到非常大的作用，利用了當(dāng)前先進(jìn)的硬件、先進(jìn)的控制系統(tǒng)軟件、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)，形成了一套先進(jìn)、可靠、可利用性高、實(shí)時(shí)性好、操作簡(jiǎn)單、控制品質(zhì)高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制系統(tǒng)。降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境，體現(xiàn)了良好的社會(huì)效益。

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