城镇污水厂自控系统的设计研究

许 冬，李国伟

（1．机械工业第六设计研究院，郑州450007；2．中原工学院，郑州450007）

城镇污水厂自控系统的设计研究

许 冬1，李国伟2

（1．机械工业第六设计研究院，郑州450007；2．中原工学院，郑州450007）

结合某污水处理厂的设计及运行情况，分析介绍了PLC自控系统在我国城镇污水处理厂建设中的应用，总结了自控系统设计与管理中应注意的问题．

污水处理；自控系统；自动化仪表

随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制系统被广泛应用于城镇污水处理领域，并且起到了重要作用，实现了污水处理全过程的自动化智能控制，既节省了人力资源，又能够及时、准确地反映工艺过程中各个工艺参数的变化情况．一般情况下，城镇污水处理厂都有总控室和多个现场控制站，站与站之间通过控制器层网络或信息层网络相连，然后全部连接到总控室．总控室的多台计算机、工作站和图形站都用信息层网络连接，这样就和现场控制站构成了集中管理、分散控制、高速数据交换的工厂级自动化网络．目前，PLC（可编程控制器）控制系统已成为污水处理控制系统的核心部分，因而对其进行合理的选型和设计，保证通讯网络良好的兼容性和稳定性，实现高速通讯，对于污水厂高效、自动运行显得尤为重要，并为生产工艺的改进提供了条件［1－3］．然而，常规的自动化控制系统设计中，有一些不太容易引起设计人员注意的细节问题，这些问题看似无关大局，但如果解决不好，将有可能使污水处理厂无法高效、顺畅运行，造成能源浪费，增加运行成本，还会给日常管理带来不便．本文以某污水处理厂为例，介绍并分析污水处理厂自动化控制系统在设计阶段和实际运行当中值得注意的若干问题．

1 工程设计

1．1 工程概况

该污水处理厂工程于2008年立项，2009年7月进行初步设计，经过多方专家评审后，于2009年11月设计完毕并正式开工建设，2010年9月进水试运行．该工程一期工程设计污水处理能力2．5万m3／d，出水水质达到一级A标准，经过处理后的清洁水，排入十七里河．

1．2 处理工艺

该污水处理厂采用国内外先进的水处理工艺，并针对新郑市龙湖镇污水排放以学校生活污水为主，污染物浓度低的特点，采用循环式活性污泥法CASS（Cyclic Activated Sludge System）工艺．该工艺具有能耗低、运行费用少、出水水质好、便于管理、自动化程度高等优点．

从厂外收集到的污水经过粗格栅，去除较大的垃圾；通过提升泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在生物处理工艺的核心部分——CASS反应池中，对有机物进行生物降解，沉淀下来的泥浆态污泥通过污泥处理系统脱水、压滤，形成干污泥饼；混合液经加药处理、连续流动床过滤后，进入紫外线消毒渠，上层澄清液作为净化后的清洁水排放．工艺流程如图1所示．

1．3 仪表及自控要求

（1）进水泵房集水池内设液位计．PLC根据集水池内水位，通过变频器自动调节水泵工作频率并控制水泵运行台数．液位计设定上、下限报警水位，防止水泵干运转．

图1 污水处理厂工艺流程

（2）粗、细格栅处设置超声波液位差计，通过对格栅前后液位差的检测，判断格栅是否堵塞．PLC按时间间隔，同时根据格栅前后液位差，自动控制机械格栅转动除渣．在粗格栅后设置p H监测仪，进行进水p H值监测．

（3）在沉砂池与CASS池之间设置电磁流量计，进行污水厂水量监测．

（4）针对CASS工艺特点，自控采用PLC时序控制，每个池子的基本循环周期为4 h，PLC时序控制系统按照设定的程序启、停鼓风机、剩余污泥泵及相应的闸门，实现CASS的周期性程序运行．

（5）每座CASS反应池分别设一套溶解氧测定仪、一套MLSS污泥浓度测定仪和一套氨氮测定仪，分别负责测量CASS反应池中溶解氧含量、污泥浓度和氨氮浓度．PLC根据反应池中溶解氧含量来调节鼓风机转速，根据反应池中的污泥浓度控制剩余污泥泵的开启．

（6）鼓风机房出口空气总管上装设空气流量计、压力传感器，作为控制风机运行的参数，保障CASS池的供氧要求．在CASS池与中间提升泵房之间设置电磁流量计，进行污水厂水量监测．

（7）污泥储泥池液位传感器通过检测泥位，控制污泥进泥管阀门的开闭．

（8）脱水机房进泥管设电磁流量计，负责调整加药系统的输出量．

（9）在污水厂的出水管处设电磁流量计，负责本项目污水出水的计量．

（10）在紫外线消毒渠处设COD在线监测仪和NH3－N在线监测仪，负责监测出水水质．

2 问题分析

2．1 设备控制

设计中，经反复比较论证，决定采取如下控制方式：全厂参与过程控制的工艺设备电机采用机旁就地手动控制、MCC遥控方式、远程PLC自动控制三种控制方式．在机旁设置带转换开关、启停按钮和指示灯按钮箱．在MCC（电动机控制中心）上设置集中控制启停按钮、相应的指示灯及与PLC对应的控制端子．

根据以上原则，未设置PLC控制分站或者没有自带控制系统的构筑物内的工艺设备，均由低压开关柜（MCC）放射式供电．与提升泵等大功率用电设备配套的低压变频器或软启动器设在低压开关柜内，并在现场设控制按钮箱．这样不仅便于MCC集中控制，也避免了因变频器柜或软启动器柜等重要设备暴露在室外需提高防护等级而额外增加费用；同时由于PLC控制分站的设置邻近MCC，大大缩短了信号电缆长度，从而进一步减少了投资成本．这样，设备控制箱不再需设备厂家配套提供，而由设计单位进行设计，有利于PLC控制站与设备自控系统的衔接，使设计更为完整与明确，便于订货和安装．有些工程设计采用在各构筑物分别独立设置MCC，再由MCC为内部设备放射式供电的方式．这种配电方式有以下问题：

（1）控制不方便．由于工艺设备一、二次回路设在现场控制柜内，而PLC控制柜设在控制分站，两者不在同一地点，使得管理人员在设备运行出现故障的情况下，难以在第一时间实施有效干预，进而可能造成控制上的不便．

（2）设备调试对接可能出现问题．由于各个构筑物工艺设备的现场控制柜很可能不是由同一厂家成套供货，相互之间会缺乏协调一致，造成做法不统一，给系统调试对接带来麻烦，甚至可能出现一些设备缺失而另一些设备重复设置的情况，影响工程顺利完工．

（3）成本问题．从工程投资来看，这种配电方式并不比从变电所低压开关柜放射式供电的方式节省成本．因为这样做尽管电力电缆投资或许会减少一些，但由于设备设置在室外，采取防水、防晒等措施而产生的前期投资及后期运行维护费用将会相应增加．

2．2 自动化仪表

自动化检测仪表的合理设置，对于自动控制系统的高效经济运行发挥着十分重要的作用．在设计中，我们是按照其在正常工况运行时的参数进行设计的．而在工程运行初期，由于进水量往往还达不到设计水平，而系统仍按照正常工况进行工作，这就造成了设备工作效率降低和能源浪费，运行成本增加，这不符合当前建设低碳经济的要求．

例如，在设计中，针对CASS工艺特点，自控系统采用PLC时序控制，每个池子的基本循环周期为4 h，PLC时序控制系统按照设定的程序启、停相应的风机、泵及闸门，实现CASS的周期性程序运行．但在工程试运行一段时间后，该污水厂提出，由于前期水量较少，按时序自动控制降低了设备的工作效率，使得运行成本增加，造成不必要的浪费．经过认真研究，我们决定在CASS池设置超声波液位计，采用时序和液位同时控制的方式，以避免设备的低效率运转．实践证明，这样做的效果是明显的，切实降低了运行成本．

这个案例提醒我们，不能只考虑设计时的情况，同时还要兼顾到未达到设计水平时的运行情况，使工程在运行的各个时期都能创造出良好的社会效益和经济效益．

2．3 线缆敷设

在本工程安装阶段，由于引至CASS池的各种电缆较多，出现了电缆桥架占用走道板的情况．这提醒我们在以后的设计中，尽量使桥架不在走道板上敷设，而是在走道板外侧安装支架，在支架上敷设电缆桥架．另外，如果厂区可供电缆敷设的空间有限，不如考虑使桥架沿构筑物的外围敷设．

3 结 语

PLC自控系统是城镇污水处理厂自动化系统的核心组成部分，它的性能对于污水处理自动化系统的正常运行起到了决定性的作用．根据污水处理自动化本身的特点和控制需要，设计合理的PLC控制系统及其通讯网络是保证污水处理自动化系统性能的前提．但在实际的设计及应用中仍存在一些问题，需要加以解决．

［1］王树东，王红波，谭华，等．OPC技术在城市污水处理控制系统中的应用研究［J］．电气自动化，2011（3）：35－37．

［2］牛学义．济宁污水处理厂控制系统的特点［J］．给水排水，2000，26（6）：75－78．

［3］唐宝玉，蒋式勤．实用污水处理厂网络监控系统［J］．电气自动化，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

许 冬（1978－），男，河南开封人，工程师．