電氣自控系統在污水處理工藝中的運用分析

張貽都

（廈門市政環境科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著中國城鎮化進程的不斷加速，城鎮人口數量逐漸增多，污水處理工作任務日益繁重。為確保污水能夠得到及時、有效的處理，對污水處理的運營管理水平提出更高要求，因此運用電氣自控系統更好地服務于污水處理工藝成為現階段研究的重點內容。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用。

1 電氣自控系統基本闡述

電氣自控系統可以分為中央控制層（即中控室）和子站控制層（即現場控制單位）兩個層級，通過采用PLC及SCADA操作界面能夠很好地對設備設施運行狀況進行監督、控制。現場控制單位不但能夠接收轉換控制室發出的操作命令，而且還能夠將命令反饋至中控室，同時現場控制單位還具備建立相對獨立的操作控制系統。

如圖1所示，污水處理電氣自控系統包括計算機、PLC、矢量控制的各類傳感器、等，運用計算機系統對污水處理工藝進行控制，對各污水處理設備設施實施實時監控。通過各類傳感器，將收集到的液位、電壓等相關數據傳送至PLC，再有PLC向計算機、污水處理工藝單元進行發送，需要注意的是，PLC對污水處理工藝單元進行的反饋和控制是單向的，而計算機與PLC中間的傳輸是雙向的。

圖1 污水處理電氣自控系統基本原理示意圖

2 電氣自控系統在污水處理工藝中運用的意義

伴隨城鎮人口數量不斷增多，配套污水管網不斷健全和完善，污水收集率不斷提高，如果不通過科學的解決直接將其排除，容易讓環境受到影響[2]。在一般污水處理過程中，專業人員通過尋找、辨識污水來源，污水展開合理檢測，才可以確保污水問題更好地解決。但是這樣會浪費大量人力和物力。電氣自控系統的運用，可以確保污水處理工藝的先進性，還可以節約能源、人力和物力，提升污水處理效率。

3 影響污水處理的因素

當今科技不斷進步的態勢，讓經濟進一步發展，有很多污水解決新工藝都進入人們的生活，在采用污水處理工藝的過程中，這就需要思考這種工藝是不是先進、是不是有用，是不是可以確保污水處理系統的運用效果[3]。影響污水處理的主要因素有以下幾個層面：

3.1 檢測工具穩定性差

因為一些檢驗設備十分不穩定，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傳感器的檢測真實性，從而使得污水解決效果有很大的影響。除此之外，各類傳感器僅僅體現出其檢測的作用，在進行污水處理監管的過程中，傳感器自身的監督效果沒有全部體現出來，因此很難提升污水處理流程水平。

3.2 缺乏重視

在部分傳統污水處理單位中，由于對電氣自控系統不夠重視，讓電氣自控系統污水處理的時候運用效果無法提高。比如，在一種大型污水處理廠中，因為相關領導者對電氣自控系統沒有充分了解，覺得這種系統積極性較低。此外，相關監督單位對電氣工程自動控制系統進行全面學習，認為這樣的系統對將污水排出準則不會產生影響，而容易對工程自控系統的合理運用有很大影響[2]。

3.3 配套設備不足

由于有些城鎮污水處理廠的運轉時間很長，受經濟、管理水平等影響，污水處理過程自控水平長期偏低，隨著污水排放標準的不斷提高，電氣自動控制系統建立的難度逐漸提高。在污水處理自控系統中，由于與最新軟件的匹配性問題，設施設備運用的規范性較差，電氣工程自控技術出現問題，影響電氣自控系統在污水處理工藝中的運用效果。

4 污水處理中電氣設計應遵循的原則

4.1 保證技術先進

污水處理中電氣控制系統設計時一定要保證具有對應的前瞻性，運用成熟和最新的設計觀念，在確保性價比的同時，選擇有效成熟的技術策略和中高端設施，讓研發出來的污水處理電氣控制系統科技含量在整體的污水處理電氣控制系統領域處于先進地位。

4.2 做好實戰服務

建立污水處理廠電氣控制系統需要和我國有關的單位規定和要求相適應。經過和上級領導展開應急調整預案，做好實戰運用，讓指揮效果進一步提高、指揮方式逐漸健全，在輔助指揮的時候最大程度上展現出系統的功能效果。

4.3 節省資源

污水處理廠電氣控制系統需要把目前所具有的系統資源最大程度地結合，將網絡和通信設施最大程度地運用起來，把信息數據進行共享，形成實用和經濟的觀念，避免存在重復的建設。

4.4 達到可持續發展

在科技發展快速影響下，加上污水處理工廠范圍不斷增大，建立的污水處理廠電氣控制系統一定要從長遠方向考慮，在實戰基礎上，建立系統需要與拓展、更換、調節互相配合，從而兼容其余系統，具有可持續發展的能力。

5 污水處理中存在的問題

伴隨城鎮化進程不斷加快，市政配套管網不斷健全，污水收集率不斷升高，而現階段我國大多數污水處理廠處理效率、自控系統水平、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、簡易電氣控制的階段，污水處理能力卻很難達到設計值，導致很多污水未能通過完全處理直接排出。雖然近幾年我國污水處理自動化方面展開探究，將互聯網技術、PLC控制技術、工業計算機技術、顯示技術設備、儀表技術逐漸運用到污水處理廠中，但是我國目前運用的污水處理技術仍然十分落后，整體還處在上世紀八九十年代的水平，以智能決策為目標的信息化技術相對遲緩，“信息孤島”現象依然嚴重，自動化技術和信息化技術缺乏融合，大量的過程數據都靜靜地“躺”在現場，而沒有發揮其應有的作用。

目前，我國大多采用“預處理+A2O+二次沉淀+深度處理（反硝化、高效沉淀等）”的三級污水處理方法，雖然在自動化方面有了很大提升，但在運行管理方面仍存在許多問題，如運行效率低下、能耗特別高、設備故障率高等等，與發達國家相比，仍然有較大差距，很難滿足低碳環保、先進高效的發展要求。在污水處理能耗方面，采用同一處理方法，我國約需0.4kwh/m3，遠遠高于美國的0.2kwh/m3和日本的0.26kwh/m3。

6 電氣自控系統在污水處理工藝中的運用

據了解，污水處理廠建設自控系統，成本一般占設備的10%，包括控制儀表、流量計這些等等。原來污水處理廠的管理控制系統都是采用比較單一的遠程控制功能，在保證出水穩定達標的同時，提升整個系統的自動化水平不僅可以提高設備的使用效率和壽命，及時分析各處理單元的運行工況，保證污水處理能力，而且可以有效降低勞動強度、提高管理水平。特別是在線監測儀器的使用有力保證提供數據的快速性和連續性，數據分析更加可靠、效率更高，既能自動完成數據統計還能降低人員配置，同時還能避免失誤、減少能源消耗、降低成本[5]。

6.1 污水處理廠的自動化系統構成

污水處理廠自動化系統的核心為監控系統通訊網絡、PLC及各類信號傳輸系統等，它們的性能對污水處理自動化系統起到決定性的作用，因此根據污水處理工藝特點和監控需求選擇合適的PLC及通訊網絡是保證污水處理自動化系統性能的重要因素。目前，污水處理自動化系統大多采用三級管理，即中央控制中心、子站控制中心和現場控制。

（1）中央控制中心：一般將設置多臺SCADA工作站（工控機），用于調度系統、加藥間、沉淀池、反硝化濾池、消毒、提升系統等監控，完成污水廠內各種設備的狀態顯示、自動控制、半自動控制、打印報警、分析報表等工作。同時，還將設置多臺服務器，為其它計算機提供支援和與各子站進行通信。為確保不同廠家不同設備之間的信息傳輸，本級通常采用工業以太網Ethernet作為信息網絡。他們的共同特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。為使系統的穩定可靠，控制層的網絡結構多采用環網的方式組成，包括線纜型和光纖作為傳輸介質。

（2）子站控制中心：一般是針對某一處理單元或污水處理某一工藝環節進行設置的，一般配套設置PLC系統及SCADA工作站（工控機），用于本單元的監控。本單元與現場設備、遠程I/O端子及現場儀表之間具有較為緊密的聯系，目前主要采用DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等總線控制方式，其特點是由于采用了標準總線組網，既能滿足實時通信的要求，又具有開放協議的標準接口，能在總線上方便掛接各種外場設備，有利于監控系統的擴展。

（3）現場控制：一般是針對現場設備（如水泵、推流器、風機、格柵等）進行單一控制，同時將各類信號（如液位、流量、電流等）反饋至子站控制中心，確保每個設備能夠正常、可靠運行，本單元大多采用I/O端子直接連接。

6.2 PLC設計要求

PLC作為污水處理廠自動控制系統的核心，在污水處理工藝中起著舉足輕重的作用，因此對其提出更高要求，主要有以下幾點：

（1）PLC必須穩定可靠，具有預先處理數據和集中傳輸數據的能力，具有較高的故障保護能力。

（2）各子站PLC能夠獨立承擔控制相應單元的基本控制任務，即使監控站或者監控中心因故障停止運行，相鄰區域的控制器也能交換數據信息;再次，當某控制子站的控制量出現變化時，可按預定方案和程序采取相應的算法，對相關區域的控制對象，比如泵或者加藥系統等做出相應的調整。

（3）PLC必須具有數據采集存儲處理功能（實現集中和獨立工作方式，尤其是在獨立控制時能與相鄰控制器實現數據交換）、通信功能、容錯功能、自動診斷功能和本地操作功能（即能帶觸摸屏）等。

6.3 污水自動化系統運用情況

污水處理廠自動化系統要求能夠實現“集中管理、分散控制”的模式，即局部故障不影響主體正常運行，分散風險，確保系統運行的可靠性和穩定性。污水處理廠主要以去除化學需氧量、生化需氧量等為主要目標，該系統的基本結構及運行流程如圖2所示，進水后依次經過格柵及提升水池、初沉池、生化池、二沉池、絮凝沉淀池、過濾池、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入污泥處置系統中，而二沉池中過濾出來的污泥會向生化池中回流。

圖2 污水自動化系統結構及運行流程示意圖

在污水處理過程中，如何降低能耗、藥耗，提高污水處理效率，降低設備故障率，成為現狀污水處理廠工作的重點，自動化系統的運用主要通過以下幾方面解決污水處理問題：

（1）通過對進水各項指標、進水流量及污泥濃度等，確定污水處理的污水需氧量，調整鼓風機的供氣量，以達到降低能耗的目標。如：按去除1kgBOD需要1.5kgO2計算，則需要空氣量為11.41m3/min，考慮10%左右冗余量，從而實現精準曝氣。

（2）通過對設備運行狀態、運行時間、故障點分析等，加強設備管理及維護保養，從而降低設備故障率，提高設備使用效率。

（3）加強對污水處理過程中的各項檢測指標的在線監測，及時反饋，通過調整藥劑投加量，確保水質穩定達標的情況，減少藥劑過量投加造成不必要的浪費。

（4）通過按照視頻、SCADA等監控方式，這樣既能保證巡檢更為全面，也可以減少人員的投入，且能夠更為及時發現問題，從而達到減少成本的目標。

7 結語

現代污水處理廠規模越來越大，對自動化程度要求也越來越高。污水處理自動化控制系統應具有全自動邏輯控制、在線工藝狀態顯示及參數記錄、運行故障診斷記錄和生產報表顯示記錄等功能，確保系統能長周期安全無故障運行，具有高可靠性。