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    作者簡介：劉海峰（1960-），男，吉林九臺人，現任中國市政工程東北設計研究總院，咨詢公司副經理。

    摘要：本文針對城市污水處理自動控制系統進行研究，開發設計了一套基于PLC，并通過工業以太網和PROFIBUS總線聯網的污水處理自控系統。該系統采用改良型A2/O工藝，在長春市北郊污水處理廠實現了污水處理的全自動控制，實際運行穩定，效果良好。

    關鍵詞：PLC； A2/O；Profibus-DP；污水處理自動控制系統

    1 引言

    水污染是我國城市面臨的嚴重環境問題，它不僅危害人民的身體健康，還抑制了我國經濟的發展，破壞了生態平衡，并容易導致水荒的發生。城市污水處理設施的建設是現代化城市經濟發展和水資源保護不可缺少的組成部分，工業污水由于成分復雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業發展壯大的瓶頸。為了實現污水處理的過程能在惡劣的環境中（溫差大、污水水質水量變化大、電網電壓波動大、電氣干擾嚴重）連續、穩定、可靠、準確地工作，對控制系統的要求有著比一般的過程控制系統更高的要求。

    隨著計算機控制技術的發展，可以對污水處理實現日常的信息化管理。本文針對長春市北郊污水處理廠的污水再生利用處理系統，結合了北京和利時自動化驅動技術有限公司的相關項目經驗，設計了一套基于工業以太網和PROFIBUS總線的污水處理自控系統，對污水處理過程進行自動控制和遠程監視。

    2 工程概況

    長春市北郊污水處理廠升級改造及污水再生利用工程設計規模為污水39萬噸/日，中水回用10萬噸/日，處理工藝為改良型A2/O工藝+生物濾池，主要處理來自市中心、二道、南湖、小南和八里堡五個排水區的生活用水和工業廢水，經過處理后的污水可以直接排到伊通河內，不會污染伊通河水質，能有效改善沿岸周邊居民的生活環境。回用水深度水處理設施可以用于熱電廠的循環水，以緩解長春市用水緊張的局面。

    3 自控系統設計

    長春市北郊污水處理廠的自動化控制系統是基于現代先進的控制思想，采用以PLC為主的集中與分散相結合的計算機控制系統，它集成了當代計算機技術、高性能控制器及智能化儀表的各自特點于一身，使其在污水處理廠的運行管理方面發揮了巨大作用。

                     

    由可編程序控制器（PLC），遠程I/O (RIO)及自動化儀表組成檢測控制系統——現場控制站，以控制分區為對象，具有獨立的區域控制能力，能接受中央控制的調控，但不依賴中央控制的存在，對污水處理廠各過程進行分散控制；再由中央控制室，對全廠實行集中管理。現場控制站及遠程I/O根據污水處理廠所采用的工藝和構筑物的平面分布，設置在控制對象和信號源相對集中的建筑物中。

    工廠網絡系統采用客戶/服務器模式，環形拓撲網絡結構，光纖網，客戶/服務器(Client/Server)模式的分布式實時關系數據庫，100Mbps傳輸速率，全雙工通信，網絡傳輸介質有光纜、通訊同軸電纜，主網絡系統布線、子網絡系統布線統一考慮、綜合利用，配置網絡操作系統及相關應用軟件。

    各現場控制站與中央控制室之間由工業以太網進行數據通信，通訊介質為光纜；現場控制站與遠程I/O之間由標準的Profibus現場總線進行數據通信，通訊介質為總線電纜或光纜（視距離遠近而定）；現場控制站及遠程I/O與現場測控儀表的連接采用24VDC電壓數字信號及標準4~20mA模擬信號通訊，通訊介質為控制電纜及信號電纜；現場控制站及遠程I/O與工藝設備電控裝置的連接采用現場總線方式或采用24VDC電壓數字信號及標準4~20mA模擬信號通訊，通訊介質為總線電纜或控制電纜及信號電纜；測量儀表、在線式分析儀表、電動執行器是具有微處理器的智能設備。

系統結構圖如圖1所示。

   4 工藝設計方案

    長春市北郊污水處理廠升級改造及污水再生利用工程主要包括粗格柵、提升泵房、細格柵、旋流沉砂池、改良型A2/O生化池、變配電間、配水井及污泥泵房、二沉池、紫外線消毒池、鼓風機房和污泥濃縮脫水機房等主要工藝生產設施。

    4.1污水預處理流程

    4.1.1 格柵自動控制

    格柵自動控制采用水位差控制和時間控制。通過液位差測量儀檢測格柵前后水位差值，當水位差值大于設定值時，啟動格柵。當格柵距上次運行的時間超過設定值時，啟動格柵。啟動時，先啟動輸送機和柵渣壓實脫水機，格柵停止后延遲一段時間再停輸送機和柵渣壓實脫水機。任何一臺格柵啟動時，均啟動輸送機和柵渣壓實脫水機。通過監控管理系統和現場控制系統的操作屏可以設定水位差值，格柵距上次運行的時間間隔及格柵的運行周期。

    4.1.2水泵自動控制

    根據吸水井液位控制取水泵的開啟。當水位升高時，控制水泵依次逐臺啟動，水泵的啟動順序按累計的水泵運行時間從小到大排列。當水位降低時，控制水泵依次逐臺停止，順序與之相反。同時自動累積水泵運行時間，實現水泵的自動輪值，保證水泵總是處在最佳運行狀態。當水位降低到干運轉保護水位時，水泵全停。通過監控管理系統和現場控制系統的操作屏，可以設定水位值。

    4.1.3旋流沉砂池的控制

    旋流沉砂池自動運行時，旋流沉砂池攪拌葉輪連續運行，由控制系統定時啟動排砂過程，同時控制砂水分離器等設備的聯動運行。

    旋流沉砂池、排砂泵、沖洗水、排砂閘門、砂水分離器等由PLC連鎖控制，自動順序啟動或順序停止。

    4.1.4初沉池排泥控制

    初沉池的排泥可以根據裝在改造貯泥池內的超聲波液位計來控制排泥管上排泥閥的開停。排泥有二種控制方式：超聲波液位計設定值進行自動排泥，按定時實現自動排泥。

    初沉污泥濃度由改造貯泥池內的污泥濃度計測量。
    排泥泵所在的集泥井內配置了超聲波液位計和浮球液位開關，作為排泥泵的啟停控制和干運轉保護。

    4.2污水二級處理流程

    4.2.1鼓風機房

    在鼓風機房出口空氣總管上裝設溫度傳感器、壓力傳感器和氣體流量計，鼓風機總管壓力將作為控制鼓風機運行的控制參數。

    根據空氣總管壓力自動控制鼓風機的開機臺數和各鼓風機的有關風閥，調節鼓風機的導葉片角度，保持空氣總管壓力的恒定，在保證生物池內空氣需求量和滿足曝氣管最低壓力值的前提下，盡可能地節省能耗。每臺鼓風機的運行時間被累積記錄，保證各臺鼓風機的運行時間均勻。

    4.2.2改良A2/O生物池

    每座生物池的好氧段設置一套曝氣量調節系統，根據溶解氧值自動調節曝氣量，并測量空氣流量，最經濟有效地滿足生物反應的氧需求。 

    生物池的曝氣量調節系統和鼓風機房的壓力控制系統相互關聯，相互影響，最終使生物池的生物處理過程處在最佳狀態，實現生物池曝氣量的自動調節，保證生物池中的生物處理過程能夠順利進行。

    根據生產負荷，實現潛水攪拌器、內回流泵的運行控制。

    4.2.3 二沉池集配水井及污泥泵站

    污泥泵站設置超聲波液位計，浮球液位開關，控制及保護回流污泥泵和剩余污泥泵運行；設置污泥濃度計，測量污泥濃度。在剩余污泥總管上設置電磁流量計，計量進入污泥處理系統的污泥流量。在回流污泥總管上設置電磁流量計，測量回流到生物池的回流污泥流量，根據生產負荷，實現回流泵的運行控制。

    4.2.4接觸池

    二級處理出水的監測點設在接觸池，內容有余氯（CL2）、濁度（SS）、酸堿度/溫度（pH/T）、COD、BOD、NH3-N等，采用在線式檢測分析儀表。污水廠二級處理出水水質狀況數據，作為本廠污水處理效果的評價指標，同時作為排放水質評價依據。

    另外，還設置有自動取樣器，自動進行進水取樣，供化驗室分析和存樣。

    在每座接觸池上設置1座流量計量槽，采取超聲波明渠流量計，計量二級處理出水流量, 為比例加氯控制提供參數。

    4.2.5 加氯加藥間

    加藥系統、加氯系統的運行控制：采取電磁流量計，計量加藥點的投加量。接觸池加氯為流量比例投加控制，清水池加氯為流量、余氯復合環控制。加藥均為流量比例投加控制。

    4.2.6污泥濃縮脫水機房

    在各污泥脫水機進泥管和加藥管設置電磁流量計，數據送入污泥控制系統，為污泥脫水機進行比例加藥控制提供參數。
脫水機的開機或停機過程及相關設備的聯動、連鎖由總控制箱協調，每臺設備的運行時間被累積記錄，保證各臺離心脫水機的運行時間均勻。

    4.3回用水處理流程

    4.3.1中途提升泵房

    泵房吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。出水總管上設置壓力變送器，配水井后設兩臺電磁流量計對水泵進行輪值控制，并均衡各泵的運行時間。同時兩臺電磁流量計的檢測值，為濾前的比例加藥控制提供參數。配合生產需要，對相關閥門進行控制。

    4.3.2小網格反應池和小間距斜板沉淀池

    設置濁度計測量濾池進水濁度。

    4.3.3濾池

    濾池是污水深度處理工藝過程的核心部分，濾池控制的主要任務是要自動的控制濾池的運行和反沖洗。

    濾池的過濾控制：
    根據每格濾池的水位自動控制出水閥門的開啟度，水位下降到設定低限時，減小閥門的開啟度，反之，加大閥門的開啟  度，使得濾池內的水位在過濾過程中保持恒定。保證濾池有一個相對恒定的濾速，從而保證濾池正常、穩定的過濾。
    濾池的反沖洗控制：
    濾池反沖洗有三種方式：分別為定時沖洗、水位沖洗、強制沖洗。每種沖洗方式設有允許／禁止選擇按鈕。
 
    4.3.4清水池

    設置有水位、余氯（由復合環加氯機設備配套供貨）監測儀。進水管路上設有電磁流量計，為濾后的復合環加氯控制提供參數。

    4.3.5送水泵房

    泵房吸水井設置超聲波液位計，控制和保護水泵的運行。出水管路上設置電磁流量計和壓力變送器，對水泵進行輪值控制，并均衡各泵的運行時間。深度處理出水設置水質分析監測點，內容有余氯（CL2）濁度（SS）、酸度/溫度（pH/T）。還設置有自動取樣器，自動進行進水取樣，供化驗室分析和存樣。

    5 電力監控與管理

    1#變電站綜合保護系統計算機提供一個100Mbps工業以太網接口；2#變電站、主要配電及用電設備上配置帶總線接口的多功能電力儀表；電氣數據通過以上方式上傳至中央控制室進行顯示、記錄、存檔。

    6 結論

    該套自動化集中監控系統具有以下優點：①先進的全開放、分布式結構；②擴展靈活；③中文操作界面友好，操作人員容易掌握。

    PLC控制系統作控制站、最優的工控組態軟件及工控機作操作站，實現了對污水處理廠現場的集中監控；實現了良好的人機對話，方便操作人員在控制室里了解現場電機、水泵、攪拌器和電動閥等設備的運行狀況，并可通過操作站實現對現場設備的遠程操作，同時通過PLC控制系統實現聯鎖控制保護現場設備；維護人員可以直接從操作站上靈活組態和方便查找現場設備故障原因，達到了既顯示直觀又節省費用的目的。本設計經北京和利時自動化驅動技術有限公司具體實施實現，已得到了非常好的實際應用效果。

    參考文獻

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