電氣自控系統(tǒng)在污水處理工藝中的運(yùn)用分析

張貽都

（廈門(mén)市政環(huán)境科技股份有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，城鎮(zhèn)人口數(shù)量逐漸增多，污水處理工作任務(wù)日益繁重。為確保污水能夠得到及時(shí)、有效的處理，對(duì)污水處理的運(yùn)營(yíng)管理水平提出更高要求，因此運(yùn)用電氣自控系統(tǒng)更好地服務(wù)于污水處理工藝成為現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)內(nèi)容。目前，污水處理工藝主體仍為物理處理+生化處理，為確保污水處理工藝得到更好的完善，文章提出了污水處理的具體應(yīng)用。

1 電氣自控系統(tǒng)基本闡述

電氣自控系統(tǒng)可以分為中央控制層（即中控室）和子站控制層（即現(xiàn)場(chǎng)控制單位）兩個(gè)層級(jí)，通過(guò)采用PLC及SCADA操作界面能夠很好地對(duì)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)督、控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制單位不但能夠接收轉(zhuǎn)換控制室發(fā)出的操作命令，而且還能夠?qū)⒚罘答佒林锌厥?，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制單位還具備建立相對(duì)獨(dú)立的操作控制系統(tǒng)。

如圖1所示，污水處理電氣自控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、PLC、矢量控制的各類(lèi)傳感器、等，運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)污水處理工藝進(jìn)行控制，對(duì)各污水處理設(shè)備設(shè)施實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)各類(lèi)傳感器，將收集到的液位、電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至PLC，再有PLC向計(jì)算機(jī)、污水處理工藝單元進(jìn)行發(fā)送，需要注意的是，PLC對(duì)污水處理工藝單元進(jìn)行的反饋和控制是單向的，而計(jì)算機(jī)與PLC中間的傳輸是雙向的。

圖1 污水處理電氣自控系統(tǒng)基本原理示意圖

2 電氣自控系統(tǒng)在污水處理工藝中運(yùn)用的意義

伴隨城鎮(zhèn)人口數(shù)量不斷增多，配套污水管網(wǎng)不斷健全和完善，污水收集率不斷提高，如果不通過(guò)科學(xué)的解決直接將其排除，容易讓環(huán)境受到影響[2]。在一般污水處理過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)尋找、辨識(shí)污水來(lái)源，污水展開(kāi)合理檢測(cè)，才可以確保污水問(wèn)題更好地解決。但是這樣會(huì)浪費(fèi)大量人力和物力。電氣自控系統(tǒng)的運(yùn)用，可以確保污水處理工藝的先進(jìn)性，還可以節(jié)約能源、人力和物力，提升污水處理效率。

3 影響污水處理的因素

當(dāng)今科技不斷進(jìn)步的態(tài)勢(shì)，讓經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，有很多污水解決新工藝都進(jìn)入人們的生活，在采用污水處理工藝的過(guò)程中，這就需要思考這種工藝是不是先進(jìn)、是不是有用，是不是可以確保污水處理系統(tǒng)的運(yùn)用效果[3]。影響污水處理的主要因素有以下幾個(gè)層面：

3.1 檢測(cè)工具穩(wěn)定性差

因?yàn)橐恍z驗(yàn)設(shè)備十分不穩(wěn)定，受到外界干擾大，如水中SS濃度偏高、水溫升高引起蒸汽附著等都將影響各類(lèi)傳感器的檢測(cè)真實(shí)性，從而使得污水解決效果有很大的影響。除此之外，各類(lèi)傳感器僅僅體現(xiàn)出其檢測(cè)的作用，在進(jìn)行污水處理監(jiān)管的過(guò)程中，傳感器自身的監(jiān)督效果沒(méi)有全部體現(xiàn)出來(lái)，因此很難提升污水處理流程水平。

3.2 缺乏重視

在部分傳統(tǒng)污水處理單位中，由于對(duì)電氣自控系統(tǒng)不夠重視，讓電氣自控系統(tǒng)污水處理的時(shí)候運(yùn)用效果無(wú)法提高。比如，在一種大型污水處理廠(chǎng)中，因?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)電氣自控系統(tǒng)沒(méi)有充分了解，覺(jué)得這種系統(tǒng)積極性較低。此外，相關(guān)監(jiān)督單位對(duì)電氣工程自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面學(xué)習(xí)，認(rèn)為這樣的系統(tǒng)對(duì)將污水排出準(zhǔn)則不會(huì)產(chǎn)生影響，而容易對(duì)工程自控系統(tǒng)的合理運(yùn)用有很大影響[2]。

3.3 配套設(shè)備不足

由于有些城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間很長(zhǎng)，受經(jīng)濟(jì)、管理水平等影響，污水處理過(guò)程自控水平長(zhǎng)期偏低，隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)建立的難度逐漸提高。在污水處理自控系統(tǒng)中，由于與最新軟件的匹配性問(wèn)題，設(shè)施設(shè)備運(yùn)用的規(guī)范性較差，電氣工程自控技術(shù)出現(xiàn)問(wèn)題，影響電氣自控系統(tǒng)在污水處理工藝中的運(yùn)用效果。

4 污水處理中電氣設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

4.1 保證技術(shù)先進(jìn)

污水處理中電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要保證具有對(duì)應(yīng)的前瞻性，運(yùn)用成熟和最新的設(shè)計(jì)觀念，在確保性?xún)r(jià)比的同時(shí)，選擇有效成熟的技術(shù)策略和中高端設(shè)施，讓研發(fā)出來(lái)的污水處理電氣控制系統(tǒng)科技含量在整體的污水處理電氣控制系統(tǒng)領(lǐng)域處于先進(jìn)地位。

4.2 做好實(shí)戰(zhàn)服務(wù)

建立污水處理廠(chǎng)電氣控制系統(tǒng)需要和我國(guó)有關(guān)的單位規(guī)定和要求相適應(yīng)。經(jīng)過(guò)和上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)展開(kāi)應(yīng)急調(diào)整預(yù)案，做好實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用，讓指揮效果進(jìn)一步提高、指揮方式逐漸健全，在輔助指揮的時(shí)候最大程度上展現(xiàn)出系統(tǒng)的功能效果。

4.3 節(jié)省資源

污水處理廠(chǎng)電氣控制系統(tǒng)需要把目前所具有的系統(tǒng)資源最大程度地結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)施最大程度地運(yùn)用起來(lái)，把信息數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，形成實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的觀念，避免存在重復(fù)的建設(shè)。

4.4 達(dá)到可持續(xù)發(fā)展

在科技發(fā)展快速影響下，加上污水處理工廠(chǎng)范圍不斷增大，建立的污水處理廠(chǎng)電氣控制系統(tǒng)一定要從長(zhǎng)遠(yuǎn)方向考慮，在實(shí)戰(zhàn)基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)需要與拓展、更換、調(diào)節(jié)互相配合，從而兼容其余系統(tǒng)，具有可持續(xù)發(fā)展的能力。

5 污水處理中存在的問(wèn)題

伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，市政配套管網(wǎng)不斷健全，污水收集率不斷升高，而現(xiàn)階段我國(guó)大多數(shù)污水處理廠(chǎng)處理效率、自控系統(tǒng)水平、安全方面等都低于世界平均水平，基本還處于依靠人工巡檢、人工操作、簡(jiǎn)易電氣控制的階段，污水處理能力卻很難達(dá)到設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致很多污水未能通過(guò)完全處理直接排出。雖然近幾年我國(guó)污水處理自動(dòng)化方面展開(kāi)探究，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC控制技術(shù)、工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)設(shè)備、儀表技術(shù)逐漸運(yùn)用到污水處理廠(chǎng)中，但是我國(guó)目前運(yùn)用的污水處理技術(shù)仍然十分落后，整體還處在上世紀(jì)八九十年代的水平，以智能決策為目標(biāo)的信息化技術(shù)相對(duì)遲緩，“信息孤島”現(xiàn)象依然嚴(yán)重，自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)缺乏融合，大量的過(guò)程數(shù)據(jù)都靜靜地“躺”在現(xiàn)場(chǎng)，而沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

目前，我國(guó)大多采用“預(yù)處理+A2O+二次沉淀+深度處理（反硝化、高效沉淀等）”的三級(jí)污水處理方法，雖然在自動(dòng)化方面有了很大提升，但在運(yùn)行管理方面仍存在許多問(wèn)題，如運(yùn)行效率低下、能耗特別高、設(shè)備故障率高等等，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然有較大差距，很難滿(mǎn)足低碳環(huán)保、先進(jìn)高效的發(fā)展要求。在污水處理能耗方面，采用同一處理方法，我國(guó)約需0.4kwh/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)的0.2kwh/m3和日本的0.26kwh/m3。

6 電氣自控系統(tǒng)在污水處理工藝中的運(yùn)用

據(jù)了解，污水處理廠(chǎng)建設(shè)自控系統(tǒng)，成本一般占設(shè)備的10%，包括控制儀表、流量計(jì)這些等等。原來(lái)污水處理廠(chǎng)的管理控制系統(tǒng)都是采用比較單一的遠(yuǎn)程控制功能，在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的同時(shí)，提升整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不僅可以提高設(shè)備的使用效率和壽命，及時(shí)分析各處理單元的運(yùn)行工況，保證污水處理能力，而且可以有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高管理水平。特別是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的使用有力保證提供數(shù)據(jù)的快速性和連續(xù)性，數(shù)據(jù)分析更加可靠、效率更高，既能自動(dòng)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)還能降低人員配置，同時(shí)還能避免失誤、減少能源消耗、降低成本[5]。

6.1 污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成

污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心為監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)、PLC及各類(lèi)信號(hào)傳輸系統(tǒng)等，它們的性能對(duì)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)起到?jīng)Q定性的作用，因此根據(jù)污水處理工藝特點(diǎn)和監(jiān)控需求選擇合適的PLC及通訊網(wǎng)絡(luò)是保證污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)性能的重要因素。目前，污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)大多采用三級(jí)管理，即中央控制中心、子站控制中心和現(xiàn)場(chǎng)控制。

（1）中央控制中心：一般將設(shè)置多臺(tái)SCADA工作站（工控機(jī)），用于調(diào)度系統(tǒng)、加藥間、沉淀池、反硝化濾池、消毒、提升系統(tǒng)等監(jiān)控，完成污水廠(chǎng)內(nèi)各種設(shè)備的狀態(tài)顯示、自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、打印報(bào)警、分析報(bào)表等工作。同時(shí)，還將設(shè)置多臺(tái)服務(wù)器，為其它計(jì)算機(jī)提供支援和與各子站進(jìn)行通信。為確保不同廠(chǎng)家不同設(shè)備之間的信息傳輸，本級(jí)通常采用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet作為信息網(wǎng)絡(luò)。他們的共同特點(diǎn)是高速、高可靠，適合PLC與計(jì)算機(jī)、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。為使系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，控制層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用環(huán)網(wǎng)的方式組成，包括線(xiàn)纜型和光纖作為傳輸介質(zhì)。

（2）子站控制中心：一般是針對(duì)某一處理單元或污水處理某一工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置的，一般配套設(shè)置PLC系統(tǒng)及SCADA工作站（工控機(jī)），用于本單元的監(jiān)控。本單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程I/O端子及現(xiàn)場(chǎng)儀表之間具有較為緊密的聯(lián)系，目前主要采用DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等總線(xiàn)控制方式，其特點(diǎn)是由于采用了標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)組網(wǎng)，既能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)通信的要求，又具有開(kāi)放協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口，能在總線(xiàn)上方便掛接各種外場(chǎng)設(shè)備，有利于監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制：一般是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如水泵、推流器、風(fēng)機(jī)、格柵等）進(jìn)行單一控制，同時(shí)將各類(lèi)信號(hào)（如液位、流量、電流等）反饋至子站控制中心，確保每個(gè)設(shè)備能夠正常、可靠運(yùn)行，本單元大多采用I/O端子直接連接。

6.2 PLC設(shè)計(jì)要求

PLC作為污水處理廠(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，在污水處理工藝中起著舉足輕重的作用，因此對(duì)其提出更高要求，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）PLC必須穩(wěn)定可靠，具有預(yù)先處理數(shù)據(jù)和集中傳輸數(shù)據(jù)的能力，具有較高的故障保護(hù)能力。

（2）各子站PLC能夠獨(dú)立承擔(dān)控制相應(yīng)單元的基本控制任務(wù)，即使監(jiān)控站或者監(jiān)控中心因故障停止運(yùn)行，相鄰區(qū)域的控制器也能交換數(shù)據(jù)信息;再次，當(dāng)某控制子站的控制量出現(xiàn)變化時(shí)，可按預(yù)定方案和程序采取相應(yīng)的算法，對(duì)相關(guān)區(qū)域的控制對(duì)象，比如泵或者加藥系統(tǒng)等做出相應(yīng)的調(diào)整。

（3）PLC必須具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)處理功能（實(shí)現(xiàn)集中和獨(dú)立工作方式，尤其是在獨(dú)立控制時(shí)能與相鄰控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換）、通信功能、容錯(cuò)功能、自動(dòng)診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）等。

6.3 污水自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)用情況

污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)“集中管理、分散控制”的模式，即局部故障不影響主體正常運(yùn)行，分散風(fēng)險(xiǎn)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。污水處理廠(chǎng)主要以去除化學(xué)需氧量、生化需氧量等為主要目標(biāo)，該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程如圖2所示，進(jìn)水后依次經(jīng)過(guò)格柵及提升水池、初沉池、生化池、二沉池、絮凝沉淀池、過(guò)濾池、消毒池后出水，其中初沉池、生化池、二沉池以及絮凝沉淀池排除的污染物均可直接進(jìn)入污泥處置系統(tǒng)中，而二沉池中過(guò)濾出來(lái)的污泥會(huì)向生化池中回流。

圖2 污水自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程示意圖

在污水處理過(guò)程中，如何降低能耗、藥耗，提高污水處理效率，降低設(shè)備故障率，成為現(xiàn)狀污水處理廠(chǎng)工作的重點(diǎn)，自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用主要通過(guò)以下幾方面解決污水處理問(wèn)題：

（1）通過(guò)對(duì)進(jìn)水各項(xiàng)指標(biāo)、進(jìn)水流量及污泥濃度等，確定污水處理的污水需氧量，調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的供氣量，以達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。如：按去除1kgBOD需要1.5kgO2計(jì)算，則需要空氣量為11.41m3/min，考慮10%左右冗余量，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)曝氣。

（2）通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、故障點(diǎn)分析等，加強(qiáng)設(shè)備管理及維護(hù)保養(yǎng)，從而降低設(shè)備故障率，提高設(shè)備使用效率。

（3）加強(qiáng)對(duì)污水處理過(guò)程中的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋，通過(guò)調(diào)整藥劑投加量，確保水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的情況，減少藥劑過(guò)量投加造成不必要的浪費(fèi)。

（4）通過(guò)按照視頻、SCADA等監(jiān)控方式，這樣既能保證巡檢更為全面，也可以減少人員的投入，且能夠更為及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而達(dá)到減少成本的目標(biāo)。

7 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代污水處理廠(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)自動(dòng)化程度要求也越來(lái)越高。污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具有全自動(dòng)邏輯控制、在線(xiàn)工藝狀態(tài)顯示及參數(shù)記錄、運(yùn)行故障診斷記錄和生產(chǎn)報(bào)表顯示記錄等功能，確保系統(tǒng)能長(zhǎng)周期安全無(wú)故障運(yùn)行，具有高可靠性。