小城鎮(zhèn)污水處理廠電氣自控設(shè)計(jì)分析

梁輝

（山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)水污染問題也日益凸顯，圖1為某城鎮(zhèn)水污染情況，作為人們生活不可或缺的資源，人均占有率逐漸下滑，影響了人們的生活。對(duì)此建立污水處理廠，通過電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮污水處理廠的作用，緩解城鎮(zhèn)水資源污染問題，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

1 電氣自控系統(tǒng)的簡單概述

在城鎮(zhèn)未開發(fā)之前，水資源污染源頭較少，其自身凈化能力能夠滿足需求，如圖1所示。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，提高城鎮(zhèn)人們生活水平的同時(shí)，環(huán)境污染問題越發(fā)凸顯，尤其是水污染問題，嚴(yán)重影響了城鎮(zhèn)居民的生活，如圖2所示。若能夠改善城鎮(zhèn)污水狀況，能夠極大地提高人們生活質(zhì)量，改善水資源稀缺問題，對(duì)此城鎮(zhèn)污水處理應(yīng)引起重視。然而，傳統(tǒng)的污水治理方式效果并不佳，只有對(duì)城鎮(zhèn)污水情況進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)施監(jiān)控，有效遏制污染源，才能真正發(fā)揮污水處理廠的作用。對(duì)此積極利用計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等，構(gòu)建電氣自控系統(tǒng)，對(duì)城鎮(zhèn)水質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，及時(shí)獲取水質(zhì)、流量等污水處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控城鎮(zhèn)廢水的處理，有效降低水污染。

圖1 干凈的水資源

圖2 某城鎮(zhèn)水污染情況

我國污水處理電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用在中控室內(nèi)設(shè)置專用服務(wù)器及操作站，通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入全廠光纖以太環(huán)網(wǎng)，接受并存儲(chǔ)各工藝段自控系統(tǒng)PLC站上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成歷史數(shù)據(jù)庫，并具備數(shù)據(jù)查詢、瀏覽及報(bào)表生成等功能。提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)各類工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視及遠(yuǎn)程操作。

2 小城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模與工藝

2.1 污水處理廠的規(guī)模劃分

在小城鎮(zhèn)污水處理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)小城鎮(zhèn)污水處理廠的規(guī)模劃分為4類：第I類，處理廠每天處理污水5000～10000m3；第II類，處理廠每天處理污水3000～5000m3；第III類，處理廠每天處理污水1000～3000m3；第IV類，處理廠每天處理污水不足1000m3。

2.2 污水廠處理工藝

在小城鎮(zhèn)污水處理廠中，污水處理工藝主要包含以下幾部分：預(yù)處理、生化處理、污泥脫水與中水回用，具體處理流程如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程

3 小城鎮(zhèn)污水處理廠的電氣設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)荷計(jì)算

在小城鎮(zhèn)污水處理中，處理廠的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。通常負(fù)荷計(jì)算依照配電順序展開，由用電設(shè)備組、車間、電控室、變電所逐級(jí)向上推進(jìn)。一般來講，用電設(shè)備依照生產(chǎn)流程、負(fù)荷性質(zhì)、工作制等將用電設(shè)備分為不同組別，分組計(jì)算用電設(shè)備的負(fù)荷。在負(fù)荷計(jì)算過程中，因備用設(shè)備的容量較小，工作時(shí)間較短，不需要計(jì)入用電設(shè)備組的負(fù)荷；備用設(shè)備、事故用設(shè)備、檢修電源也不需要計(jì)入負(fù)荷。處理廠配電負(fù)荷為：（各個(gè)用電設(shè)備組＋車間配電室的負(fù)荷）

3.2 供配電系統(tǒng)

對(duì)用電負(fù)荷的等級(jí)進(jìn)行劃分。小城鎮(zhèn)污水處理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)污水處理廠做出如下規(guī)定：污水處理廠所用電源應(yīng)就近選擇。對(duì)于I類污水處理廠，電力負(fù)荷應(yīng)選擇二級(jí)供電，若發(fā)生停電現(xiàn)象，極有可能影響區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)、生活與環(huán)境。其他類別的污水處理廠規(guī)模較小，停電帶來的影響相對(duì)較小，電力負(fù)荷可考慮三級(jí)供電。對(duì)于風(fēng)景區(qū)、古城鎮(zhèn)等區(qū)域，因?qū)Νh(huán)境要求較高，若供電條件允許，及其他類別污水處理廠，也可選擇二級(jí)負(fù)荷供電。

供電電壓的選擇。為保障污水處理廠的可靠運(yùn)行，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓╇婋妷海唧w來講，工作人員可依照處理廠的總電荷、用電設(shè)備的額定電壓、供電距離，通過與區(qū)域供電網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展等展開技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，再與供電部門商議后，確定合理的供電電壓。

配電系統(tǒng)接線方式。小城鎮(zhèn)本身面積較小，處理廠所處理的污水量相應(yīng)較小，所用電氣設(shè)備較少，用電負(fù)荷相對(duì)較小，依照就近供電原則，處理廠可直接就近引入0.4kV或者10kV電源，為處理廠供電。若污水處理廠的電力負(fù)荷為二級(jí)，應(yīng)設(shè)置自用發(fā)電機(jī)，若供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，發(fā)電機(jī)能夠立即啟動(dòng)，為處理廠供應(yīng)電能，保障處理廠的可靠性。另外，處理廠配電所的主接線為單母線，接線方式不分段，低壓配電系統(tǒng)多采用三相五線方式接線，接地方式多采用TN—S系統(tǒng)。

電機(jī)啟動(dòng)。在污水處理廠運(yùn)行中，若采用小功率電機(jī)，則啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)，若電機(jī)功率較大，應(yīng)選擇軟啟動(dòng)或變頻啟動(dòng)方式，避免電機(jī)啟動(dòng)瞬間所產(chǎn)生的超大電流影響供電系統(tǒng)。

設(shè)備選擇。小城鎮(zhèn)污水處理廠想要自動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)重視電氣自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在電氣設(shè)計(jì)中，對(duì)于變壓器，因處理廠的用電負(fù)荷較小，可選擇容量較小的變壓器；對(duì)于負(fù)荷開關(guān)，應(yīng)選擇帶熔斷器的開關(guān)。對(duì)于一般電氣設(shè)備，應(yīng)以滿足污水處理為原則，選擇性價(jià)比高、可靠性高、維修便利的電氣設(shè)備。

4 小城鎮(zhèn)污水處理廠的自控設(shè)計(jì)

4.1 CASS 工藝與流程

CASS工藝即為循環(huán)式活性污泥法，以此工藝對(duì)污水進(jìn)行清理，不僅能夠脫氮、除磷、降解污水中的有機(jī)物質(zhì)，還能夠單池連續(xù)循環(huán)。CASS工藝還具有占地面積較小，運(yùn)行維護(hù)量小等優(yōu)勢(shì)，非常適宜小型城鎮(zhèn)的污水處理廠。在CASS設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，生物池作為其核心，在污水處理廠中，整個(gè)處理流程全部在生物池進(jìn)行，不需要設(shè)置二沉池、調(diào)節(jié)池等，降低了成本投入，提高了經(jīng)濟(jì)效益。CASS工藝的流程較為簡單，設(shè)備設(shè)置非常緊密，具體如圖4所示。

圖4 CASS工藝流程

4.2 設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

在小城鎮(zhèn)的污水處理廠中，自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能受到了網(wǎng)絡(luò)通信的轄制，一旦網(wǎng)絡(luò)通信可靠性不足，將直接影響自控系統(tǒng)的性能，對(duì)此在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)、參數(shù)等提出更高要求。本文以小城鎮(zhèn)污水處理廠為依據(jù)，為其設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包含2方面：上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)、下位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。

自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選擇工業(yè)以太網(wǎng)，以TCP/IP協(xié)議作為基礎(chǔ)，系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠延伸至處理廠的設(shè)備控制層面，實(shí)現(xiàn)了處理廠的遠(yuǎn)程控制和資源共享。因此，在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)選擇環(huán)形光纖，作為自控系統(tǒng)組網(wǎng)，為處理廠自控系統(tǒng)的有效實(shí)施提供數(shù)據(jù)支持，自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下圖5所示。

圖5 自控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在整個(gè)自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，主要包含了3個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面。（1）監(jiān)控管理層。位于上位機(jī)，是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最上層，主要有WinCC組態(tài)構(gòu)建。（2）通訊層。為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的中間層，由環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)組成，通過將通訊模塊CP343—1實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)，將其與S7—300PLC有效連接，設(shè)置WinCC組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以收發(fā)器將以太網(wǎng)、上位機(jī)有效連接。（3）執(zhí)行層。為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最底層，位于下位機(jī)，主要包含了下位機(jī)的PLC和污水處理廠的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水處理過程的控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備執(zhí)行。

4.3 設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式較多，可直接通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，也可利用可視化軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。文章采用了WinCC組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方式具有功能強(qiáng)、通訊穩(wěn)、開發(fā)簡單等特點(diǎn)。在其應(yīng)用中，點(diǎn)擊導(dǎo)航欄，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)瀏覽和控制，同時(shí)具備報(bào)警確認(rèn)、故障提醒、故障自診斷、遠(yuǎn)程控制與維護(hù)等功能，為監(jiān)控人員提供了極大便利。

4.4 設(shè)計(jì)下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

在下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以PLC作為基礎(chǔ)展開設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具備手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手控、全自動(dòng)控制等多種模式。其中全自動(dòng)控制為日常主要運(yùn)行模式，若設(shè)備需要調(diào)試與維修，可選擇另外2種控制模式，避免設(shè)備故障處理為其他設(shè)備帶來影響。同時(shí)以PLC編寫的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行進(jìn)行智能化判斷，實(shí)現(xiàn)不同控制模式的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的有效控制。

5 結(jié)語

在小城鎮(zhèn)污水處理廠的電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)全面掌握水質(zhì)水量，區(qū)域間的地貌特征與位置，地理?xiàng)l件與城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)，處理廠的管理能力與員工水平等，通過綜合考慮選擇最恰當(dāng)?shù)碾姎庾钥卦O(shè)計(jì)方式，有效發(fā)揮污水處理廠的作用，降低污水帶來的負(fù)面影響，改善水資源短缺的現(xiàn)象，提高小鎮(zhèn)居民飲水健康。