城鎮污水廠自控系統的設計研究

許 冬，李國偉

（1．機械工業第六設計研究院，鄭州450007；2．中原工學院，鄭州450007）

城鎮污水廠自控系統的設計研究

許 冬1，李國偉2

（1．機械工業第六設計研究院，鄭州450007；2．中原工學院，鄭州450007）

結合某污水處理廠的設計及運行情況，分析介紹了PLC自控系統在我國城鎮污水處理廠建設中的應用，總結了自控系統設計與管理中應注意的問題．

污水處理；自控系統；自動化儀表

隨著我國工業化進程的迅速發展，自動控制系統被廣泛應用于城鎮污水處理領域，并且起到了重要作用，實現了污水處理全過程的自動化智能控制，既節省了人力資源，又能夠及時、準確地反映工藝過程中各個工藝參數的變化情況．一般情況下，城鎮污水處理廠都有總控室和多個現場控制站，站與站之間通過控制器層網絡或信息層網絡相連，然后全部連接到總控室．總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網絡連接，這樣就和現場控制站構成了集中管理、分散控制、高速數據交換的工廠級自動化網絡．目前，PLC（可編程控制器）控制系統已成為污水處理控制系統的核心部分，因而對其進行合理的選型和設計，保證通訊網絡良好的兼容性和穩定性，實現高速通訊，對于污水廠高效、自動運行顯得尤為重要，并為生產工藝的改進提供了條件［1－3］．然而，常規的自動化控制系統設計中，有一些不太容易引起設計人員注意的細節問題，這些問題看似無關大局，但如果解決不好，將有可能使污水處理廠無法高效、順暢運行，造成能源浪費，增加運行成本，還會給日常管理帶來不便．本文以某污水處理廠為例，介紹并分析污水處理廠自動化控制系統在設計階段和實際運行當中值得注意的若干問題．

1 工程設計

1．1 工程概況

該污水處理廠工程于2008年立項，2009年7月進行初步設計，經過多方專家評審后，于2009年11月設計完畢并正式開工建設，2010年9月進水試運行．該工程一期工程設計污水處理能力2．5萬m3／d，出水水質達到一級A標準，經過處理后的清潔水，排入十七里河．

1．2 處理工藝

該污水處理廠采用國內外先進的水處理工藝，并針對新鄭市龍湖鎮污水排放以學校生活污水為主，污染物濃度低的特點，采用循環式活性污泥法CASS（Cyclic Activated Sludge System）工藝．該工藝具有能耗低、運行費用少、出水水質好、便于管理、自動化程度高等優點．

從廠外收集到的污水經過粗格柵，去除較大的垃圾；通過提升泵將污水提升到細格柵，將較小的漂浮物去除；在生物處理工藝的核心部分——CASS反應池中，對有機物進行生物降解，沉淀下來的泥漿態污泥通過污泥處理系統脫水、壓濾，形成干污泥餅；混合液經加藥處理、連續流動床過濾后，進入紫外線消毒渠，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）進水泵房集水池內設液位計．PLC根據集水池內水位，通過變頻器自動調節水泵工作頻率并控制水泵運行臺數．液位計設定上、下限報警水位，防止水泵干運轉．

圖1 污水處理廠工藝流程

（2）粗、細格柵處設置超聲波液位差計，通過對格柵前后液位差的檢測，判斷格柵是否堵塞．PLC按時間間隔，同時根據格柵前后液位差，自動控制機械格柵轉動除渣．在粗格柵后設置p H監測儀，進行進水p H值監測．

（3）在沉砂池與CASS池之間設置電磁流量計，進行污水廠水量監測．

（4）針對CASS工藝特點，自控采用PLC時序控制，每個池子的基本循環周期為4 h，PLC時序控制系統按照設定的程序啟、停鼓風機、剩余污泥泵及相應的閘門，實現CASS的周期性程序運行．

（5）每座CASS反應池分別設一套溶解氧測定儀、一套MLSS污泥濃度測定儀和一套氨氮測定儀，分別負責測量CASS反應池中溶解氧含量、污泥濃度和氨氮濃度．PLC根據反應池中溶解氧含量來調節鼓風機轉速，根據反應池中的污泥濃度控制剩余污泥泵的開啟．

（6）鼓風機房出口空氣總管上裝設空氣流量計、壓力傳感器，作為控制風機運行的參數，保障CASS池的供氧要求．在CASS池與中間提升泵房之間設置電磁流量計，進行污水廠水量監測．

（7）污泥儲泥池液位傳感器通過檢測泥位，控制污泥進泥管閥門的開閉．

（8）脫水機房進泥管設電磁流量計，負責調整加藥系統的輸出量．

（9）在污水廠的出水管處設電磁流量計，負責本項目污水出水的計量．

（10）在紫外線消毒渠處設COD在線監測儀和NH3－N在線監測儀，負責監測出水水質．

2 問題分析

2．1 設備控制

設計中，經反復比較論證，決定采取如下控制方式：全廠參與過程控制的工藝設備電機采用機旁就地手動控制、MCC遙控方式、遠程PLC自動控制三種控制方式．在機旁設置帶轉換開關、啟停按鈕和指示燈按鈕箱．在MCC（電動機控制中心）上設置集中控制啟停按鈕、相應的指示燈及與PLC對應的控制端子．

根據以上原則，未設置PLC控制分站或者沒有自帶控制系統的構筑物內的工藝設備，均由低壓開關柜（MCC）放射式供電．與提升泵等大功率用電設備配套的低壓變頻器或軟啟動器設在低壓開關柜內，并在現場設控制按鈕箱．這樣不僅便于MCC集中控制，也避免了因變頻器柜或軟啟動器柜等重要設備暴露在室外需提高防護等級而額外增加費用；同時由于PLC控制分站的設置鄰近MCC，大大縮短了信號電纜長度，從而進一步減少了投資成本．這樣，設備控制箱不再需設備廠家配套提供，而由設計單位進行設計，有利于PLC控制站與設備自控系統的銜接，使設計更為完整與明確，便于訂貨和安裝．有些工程設計采用在各構筑物分別獨立設置MCC，再由MCC為內部設備放射式供電的方式．這種配電方式有以下問題：

（1）控制不方便．由于工藝設備一、二次回路設在現場控制柜內，而PLC控制柜設在控制分站，兩者不在同一地點，使得管理人員在設備運行出現故障的情況下，難以在第一時間實施有效干預，進而可能造成控制上的不便．

（2）設備調試對接可能出現問題．由于各個構筑物工藝設備的現場控制柜很可能不是由同一廠家成套供貨，相互之間會缺乏協調一致，造成做法不統一，給系統調試對接帶來麻煩，甚至可能出現一些設備缺失而另一些設備重復設置的情況，影響工程順利完工．

（3）成本問題．從工程投資來看，這種配電方式并不比從變電所低壓開關柜放射式供電的方式節省成本．因為這樣做盡管電力電纜投資或許會減少一些，但由于設備設置在室外，采取防水、防曬等措施而產生的前期投資及后期運行維護費用將會相應增加．

2．2 自動化儀表

自動化檢測儀表的合理設置，對于自動控制系統的高效經濟運行發揮著十分重要的作用．在設計中，我們是按照其在正常工況運行時的參數進行設計的．而在工程運行初期，由于進水量往往還達不到設計水平，而系統仍按照正常工況進行工作，這就造成了設備工作效率降低和能源浪費，運行成本增加，這不符合當前建設低碳經濟的要求．

例如，在設計中，針對CASS工藝特點，自控系統采用PLC時序控制，每個池子的基本循環周期為4 h，PLC時序控制系統按照設定的程序啟、停相應的風機、泵及閘門，實現CASS的周期性程序運行．但在工程試運行一段時間后，該污水廠提出，由于前期水量較少，按時序自動控制降低了設備的工作效率，使得運行成本增加，造成不必要的浪費．經過認真研究，我們決定在CASS池設置超聲波液位計，采用時序和液位同時控制的方式，以避免設備的低效率運轉．實踐證明，這樣做的效果是明顯的，切實降低了運行成本．

這個案例提醒我們，不能只考慮設計時的情況，同時還要兼顧到未達到設計水平時的運行情況，使工程在運行的各個時期都能創造出良好的社會效益和經濟效益．

2．3 線纜敷設

在本工程安裝階段，由于引至CASS池的各種電纜較多，出現了電纜橋架占用走道板的情況．這提醒我們在以后的設計中，盡量使橋架不在走道板上敷設，而是在走道板外側安裝支架，在支架上敷設電纜橋架．另外，如果廠區可供電纜敷設的空間有限，不如考慮使橋架沿構筑物的外圍敷設．

3 結 語

PLC自控系統是城鎮污水處理廠自動化系統的核心組成部分，它的性能對于污水處理自動化系統的正常運行起到了決定性的作用．根據污水處理自動化本身的特點和控制需要，設計合理的PLC控制系統及其通訊網絡是保證污水處理自動化系統性能的前提．但在實際的設計及應用中仍存在一些問題，需要加以解決．

［1］王樹東，王紅波，譚華，等．OPC技術在城市污水處理控制系統中的應用研究［J］．電氣自動化，2011（3）：35－37．

［2］牛學義．濟寧污水處理廠控制系統的特點［J］．給水排水，2000，26（6）：75－78．

［3］唐寶玉，蔣式勤．實用污水處理廠網絡監控系統［J］．電氣自動化，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，河南開封人，工程師．