地埋式污水處理廠電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張傳貴

瀚藍(lán)環(huán)境股份有限公司 廣東 佛山 528200

引言

污水處理是保護(hù)環(huán)境和人類健康的關(guān)鍵過程，當(dāng)今城市化進(jìn)程對土地的利用以及有效的污水管理提出了更高的要求。地埋式污水處理廠作為污水處理重要場所，已廣泛應(yīng)用于城市建成區(qū)。隨著城市人口的增加和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，地埋式污水處理廠需要更先進(jìn)、更智能的電氣自動化控制系統(tǒng)推動自身發(fā)展。本文將探討地埋式污水處理廠電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略和應(yīng)用優(yōu)勢，以期為提升環(huán)境保護(hù)水平和資源管理水平提供有益參考。

1 地埋式污水廠電氣自動化控制系統(tǒng)概述

地埋式污水廠的電氣自動化控制系統(tǒng)是污水處理工程中的關(guān)鍵組成部分，其承擔(dān)著監(jiān)測、控制和調(diào)節(jié)污水處理過程的任務(wù)，確保污水在經(jīng)過一系列處理步驟后，得以達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。在地埋式污水廠的電氣自動化控制系統(tǒng)中，通常包括電動機(jī)、傳感器、自動化控制裝置和電力分配系統(tǒng)[1]。電動機(jī)用于驅(qū)動攪拌器、泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)污水的攪拌、提升和通風(fēng)。傳感器用于監(jiān)測污水的pH值、溶解氧濃度、溫度等，以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)。自動化控制裝置負(fù)責(zé)根據(jù)傳感器反饋的信息，自動調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行，以保持污水處理過程的穩(wěn)定性和高效性。電力分配系統(tǒng)則確保電能的安全供應(yīng)，以滿足各個設(shè)備和系統(tǒng)的用電需求。此外，地埋式污水廠的電氣自動化系統(tǒng)通常包括監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制功能，允許運(yùn)營人員遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理污水處理過程，從而有助于實(shí)時響應(yīng)問題和故障，提高污水處理廠的運(yùn)行效率和可靠性。整體而言，地埋式污水廠的電氣自動化控制系統(tǒng)是確保污水處理工程正常運(yùn)行的核心要素，其能夠通過自動化控制和監(jiān)測，提高處理效率，降低運(yùn)營成本，為環(huán)境保護(hù)和資源管理提供重要技術(shù)支持。

2 地埋式污水廠電氣自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 提高運(yùn)行效率

地埋式污水廠電氣自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用為污水處理廠帶來了顯著的運(yùn)行效率提升。傳統(tǒng)的污水處理廠通常需要依靠人工操作和監(jiān)控，但這種方法受限于人為誤差和反應(yīng)速度，容易導(dǎo)致處理效率不佳。相比之下，電氣自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制各個處理單元，根據(jù)實(shí)際情況智能地調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，此種即時響應(yīng)和精確調(diào)節(jié)使得污水處理過程更為高效，能夠更安全可靠地將污水轉(zhuǎn)化為滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的清潔水，并減少處理時間和資源浪費(fèi)。具體而言，自動化控制系統(tǒng)能夠通過實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，迅速響應(yīng)變化的處理需求。針對處理污水流量的增加以及水質(zhì)參數(shù)的波動，系統(tǒng)能夠立即調(diào)整設(shè)備運(yùn)行方式，以保持最佳的處理效果，此種即時反應(yīng)速度相較傳統(tǒng)手動控制方法更加快捷，使污水處理過程更為高效。同時，自動化控制系統(tǒng)能夠通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備的使用，降低能源消耗，其能夠智能調(diào)整攪拌器、泵和通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行，以滿足污水廠運(yùn)行需求，避免浪費(fèi)能源。在此環(huán)節(jié)，其不僅有助于污水廠節(jié)約能源，同時有助于其降低運(yùn)營成本，使污水廠更加可持續(xù)。此外，自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運(yùn)維管理，完成設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測和維護(hù)需求的自動識別，從而減少操作風(fēng)險，提高整個污水廠的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 節(jié)約能源及資源

傳統(tǒng)的污水處理過程中，常常需要以恒定的速度運(yùn)行設(shè)備，導(dǎo)致能源的不必要消耗。然而，電氣自動化控制系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測和智能調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行模式，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電動機(jī)、泵和風(fēng)機(jī)的速度和負(fù)荷，使系統(tǒng)可以避免能源浪費(fèi)，降低運(yùn)行成本，對節(jié)約電能和資源起到積極作用。當(dāng)處理廠負(fù)荷較低時，系統(tǒng)可以降低設(shè)備的運(yùn)行速度或關(guān)閉不必要的設(shè)備，從而減少能源消耗。這種能源優(yōu)化有助于降低電費(fèi)開支，并減輕對有限能源資源的依賴。其次，電氣自動化控制系統(tǒng)能夠通過優(yōu)化污水處理過程，減少化學(xué)品使用。系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況智能地調(diào)整添加化學(xué)藥劑劑量，確保在達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的同時，最大限度地減少化學(xué)品浪費(fèi)，進(jìn)而節(jié)約資源，減少對環(huán)境的化學(xué)污染。同時，自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析功能可以識別出污水處理過程中的管道堵塞或設(shè)備故障等潛在問題，從而減少不必要的資源浪費(fèi)，此種預(yù)測性維護(hù)有助于延長設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備更換頻率，進(jìn)一步節(jié)約資源和維護(hù)成本。此外，自動化控制系統(tǒng)的資源節(jié)約有助于減少對自然環(huán)境的影響。通過降低污水處理過程的能源消耗和化學(xué)藥品使用，其有助于減少溫室氣體排放、減緩氣候變化，同時減少水資源需求，有助于保護(hù)珍貴水資源。

2.3 減少人工干預(yù)

傳統(tǒng)的污水處理方法通常需要大量的人工監(jiān)控、操作和維護(hù)，不僅費(fèi)時費(fèi)力，同時容易受到人為誤差的影響，導(dǎo)致處理效率和穩(wěn)定性的不確定性。而電氣自動化控制系統(tǒng)通過智能傳感器、數(shù)據(jù)采集和自動化控制裝置，能夠?qū)崟r監(jiān)測污水處理過程中的關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，提高整個污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。具體而言，自動化控制系統(tǒng)能夠連續(xù)、精確地監(jiān)測和控制污水處理過程中的關(guān)鍵參數(shù)，其中，傳感器能夠?qū)崟r收集數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法，智能調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，使污水廠運(yùn)行過程對操作人員定期檢查和手動調(diào)整設(shè)備的需求減少，從而減少人工干預(yù)機(jī)會。其次，自動化控制系統(tǒng)可以在污水處理廠不同的操作階段之間實(shí)現(xiàn)自動切換。當(dāng)處理廠的負(fù)荷從低到高變化時，系統(tǒng)能夠根據(jù)需求自動調(diào)整處理單元的運(yùn)行方式，而無須操作人員手動干預(yù)，進(jìn)而提高污水處理操作的連貫性和穩(wěn)定性。同時，自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。運(yùn)營人員可以通過遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)隨時查看處理過程的實(shí)時數(shù)據(jù)，并在需要時進(jìn)行調(diào)整，使得操作人員不再需要長時間駐留在污水處理廠，提高其工作靈活性及效率。

3 地埋式污水廠電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

3.1 PLC自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC自動化控制系統(tǒng)是地埋式污水廠的核心，其設(shè)計(jì)需要經(jīng)過詳細(xì)的規(guī)劃和操作步驟，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和高效性，具體分述如下：①功能分析和需求定義。首先，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行全面的功能分析，明確污水處理過程中需要自動化控制的關(guān)鍵參數(shù)和階段，細(xì)化分析監(jiān)測水質(zhì)、流量、溫度、攪拌器速度、通風(fēng)設(shè)備狀態(tài)等。在這一階段，團(tuán)隊(duì)需要與污水處理廠的運(yùn)營人員緊密合作，確保系統(tǒng)滿足實(shí)際需求[2]。②系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。基于功能分析的結(jié)果，團(tuán)隊(duì)需要選擇適當(dāng)?shù)腜LC型號和配置，以及設(shè)計(jì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而制定系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在決策過程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮到處理規(guī)模、數(shù)據(jù)通信需求和安全性。③傳感器和執(zhí)行器選擇。PLC系統(tǒng)依賴于傳感器來獲取實(shí)時數(shù)據(jù)，并通過執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)自動化控制。在這一階段，設(shè)計(jì)人員需要選擇適合的傳感器類型和位置，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，配置執(zhí)行器以響應(yīng)自動化控制命令。④容錯性和故障恢復(fù)設(shè)計(jì)。為確保系統(tǒng)的可用性，設(shè)計(jì)人員需考慮容錯性和故障恢復(fù)機(jī)制，制定實(shí)施冗余控制、備用電源和數(shù)據(jù)備份，以防止系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失。同時，設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)故障檢測和恢復(fù)策略，以最小化停機(jī)時間。⑤控制算法開發(fā)。系統(tǒng)硬件和傳感器部署就緒后，設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)控制算法。控制算法主要負(fù)責(zé)根據(jù)傳感器反饋的數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，算法的復(fù)雜程度取決于處理過程的復(fù)雜性，但需要確保其穩(wěn)定性和高效性。

3.2 生化池溶解氧精確控制設(shè)計(jì)

生化池是地埋式污水廠中至關(guān)重要的處理單元，其DO（溶解氧）的精確控制對于維持污水處理效率至關(guān)重要。以下是生化池DO精確控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①DO監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)池的尺寸、水深和操作條件在生化池的不同深度和位置安裝多個高質(zhì)量傳感器，以確保全面監(jiān)測DO水平。②智能控制算法。設(shè)計(jì)生化池的DO控制系統(tǒng)需要開發(fā)智能控制算法，此類算法應(yīng)根據(jù)DO傳感器提供的實(shí)時數(shù)據(jù)，智能地調(diào)整攪拌器和通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。控制算法需要考慮到水質(zhì)波動和氣候條件的影響，確保DO水平穩(wěn)定在目標(biāo)范圍內(nèi)。③攪拌器和通風(fēng)設(shè)備控制。攪拌器和通風(fēng)設(shè)備是控制DO的主要執(zhí)行器。設(shè)計(jì)中需要配置這些設(shè)備，使其能夠響應(yīng)控制算法的指令。攪拌器的運(yùn)行速度和方向以及通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)量需要根據(jù)DO控制要求進(jìn)行自動調(diào)整。此外，設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，以及故障檢測和自動切換備用設(shè)備。④考慮污水水質(zhì)和季節(jié)性變化。DO控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮到不同季節(jié)和污水水質(zhì)的變化。不同季節(jié)，水溫、水流和水質(zhì)可能會有顯著變化，因此控制算法需要能夠適應(yīng)這些變化。污水水質(zhì)的波動也需要及時檢測和處理，以確保DO控制穩(wěn)定性。

3.3 污水廠變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

污水廠的變配電系統(tǒng)是電氣自動化控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，其設(shè)計(jì)涉及電力供應(yīng)、設(shè)備保護(hù)、電力負(fù)載均衡以及安全性等關(guān)鍵方面。污水廠變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體操作步驟如下：①電力需求分析。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行電力需求分析，評估污水廠的電力需求，考慮各種設(shè)備（如泵、攪拌器、通風(fēng)設(shè)備）的功率需求以及其運(yùn)行時間表，確保電力供應(yīng)系統(tǒng)能夠滿足所有設(shè)備的需求，避免電力瓶頸和停電風(fēng)險。②設(shè)備選型和電氣圖設(shè)計(jì)。電力需求明確后，團(tuán)隊(duì)需要開始選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩鳌㈤_關(guān)設(shè)備、電纜等電氣設(shè)備，綜合考慮電流負(fù)載、設(shè)備尺寸和可靠性[3]。同時，設(shè)計(jì)電氣圖，制定電氣布線計(jì)劃，明確設(shè)備之間的連接方式，確保電力流暢傳輸。③電力分配系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。安全性和穩(wěn)定性是污水廠變配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方面。這包括實(shí)施過載和短路保護(hù)，以防止電氣故障對設(shè)備和工作人員的危害。同時，設(shè)計(jì)人員需要考慮到電力負(fù)載均衡，確保電流在各個分支線路中均勻分布，避免過載和不平衡。④防雷和接地系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮到污水廠所在地區(qū)的氣象條件，以決定是否需要防雷設(shè)施。同時，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，確保設(shè)備在雷電天氣中不受到損害，并保護(hù)工作人員的安全。

3.4 儀表監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儀表監(jiān)測自動化系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測和記錄各種關(guān)鍵參數(shù)，以確保污水處理過程的可控性和合規(guī)性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體操作要點(diǎn)如下：①儀表選擇和布局。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要仔細(xì)選擇適用于監(jiān)測參數(shù)的流量計(jì)、壓力傳感器、水質(zhì)分析儀器等儀表，儀表的選擇應(yīng)根據(jù)監(jiān)測參數(shù)的類型和范圍來確定。隨后，確定儀表的安裝位置，確保其能夠準(zhǔn)確地反映處理過程的狀態(tài)。②數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過傳感器的連接、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的配置以及通信協(xié)議的選擇等環(huán)節(jié)，實(shí)時獲取儀表產(chǎn)生的數(shù)據(jù)[4]。③數(shù)據(jù)分析和報(bào)告功能。儀表監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要包括數(shù)據(jù)分析和報(bào)告功能，以便對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估。具體而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時著重進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢分析、異常檢測和性能評估。此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使系統(tǒng)能夠生成定期的監(jiān)測報(bào)告，用于記錄數(shù)據(jù)、滿足監(jiān)管要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，污水處理是涉及環(huán)境、健康和資源管理的綜合任務(wù)。地埋式污水處理廠的電氣自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可以提高污水處理效率，同時能夠減輕運(yùn)營人員的負(fù)擔(dān)，降低運(yùn)營成本，從而在保護(hù)環(huán)境的同時促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可行性。因此，地埋式污水處理廠電氣自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)和資源管理領(lǐng)域提供重要貢獻(xiàn)，激發(fā)更多的創(chuàng)新和合作，實(shí)現(xiàn)更清潔、更可持續(xù)的未來。