一种地埋式污水处理厂除砂系统的智能化控制方案

摘  要：对污水处理厂沉砂池工艺设备的控制进行了研究，提出一种除砂系统泵与阀门智能联动的解决方案，通过标准化的参数传递，设定泵/阀门的状态判定、起始阀门编号与停止编号的判定，优化砂泵的启停条件控制，优化阀门的开阀与关阀条件，实现单泵与4组阀门的互锁联动，也可1V3、1V2、1V1组阀门联动，自动容错运行中的阀门故障，保证沉砂池除砂系统的高效稳定运行。

关键词：污水处理;除砂系统;智能控制

中图分类号：TP311       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0157-04

An Intelligent Control Scheme for Sand Removal System of Buried Sewage Treatment Plant

NIU Furong

（China Union Engineering Co.， Ltd.， Xiamen  361004， China）

Abstract： This paper studies the control of the process equipment of the grit chamber of the sewage treatment plant， and puts forward a solution scheme of intelligent linkage between the pump and the valve of the sand removal system. Through standardized parameter transmission， it sets the judgment of the state of the pump/valve， the judgment of the starting valve number and the stop number， optimizes the control of the start and stop conditions of the sand pump， and optimizes the opening and closing conditions of the valve， realizes the interlocking linkage between single pump and 4 groups of valves and the linkage of 1V3， 1V2 and 1V1 groups of valves. The valve fault in operation can be automatically tolerated to ensure the efficient and stable operation of the grit chamber sand removal system.

Keywords： sewage treatment; sand removal system; intelligent control

0  引  言

污水處理的主流程工艺一般划分为几个段：预处理段、生化段、深度处理段、尾水排放等，配套的系统则包括提升系统、曝气系统、加药系统等。沉砂池在污水处理厂的占比很小，但其作用却不可忽视。若不设置沉砂池，大量砂粒将进入后续工艺段，给污水厂的正常运行带来诸多隐患：（1）砂粒会加速污泥处置单元的设备磨损，比如泵、压泥机等，缩短使用寿命。（2）部分工艺会减少池容积，降低工艺处理能力。

在预处理段中，污水通过粗细格栅和污水提升泵提升以后，进入到沉砂池，此时需要对污水中的无机物颗粒进行去除，目的主要有两个：（1）降低污水无机物的比例。通过前期处理，使进入到后续生化工艺段中的污水无机物下降到较低水平，低无机物进入将使得生化池内的活性污泥浓度中的有机占比升高，污泥浓度可以控制在合理的范围内。（2）减少运营维护的成本，增加设备寿命。砂砾的减少能够降低对设备的损耗、磨损，同时减少的无机物可以降低活性污泥浓度，因而减少剩余污泥排放量，减少污泥脱水机的压力，对于降低污泥车间的整体的药耗、能耗、外运成本等作用很大。

因此对于除砂池的运行管理也是提升污水厂整体管理的一个重要环节。

沉砂池作为控制活性污泥有机比例的处理构筑物，对它的良好管理是非常必要的，本文针对除砂系统的设备管理，通过自动化的编程设计，提高除砂系统的自动化水平，降低人工成本，加强除砂系统的运行水平，这对于整体工艺提升也是非常有益的。事实上，前段沉砂池去除无机物的泥沙，提升有机物在剩余污泥中的含量，将对于后段污泥资源化再利用大有裨益，比如污泥焚烧的热值提高，可厌氧发酵再利用，可作为土地填满物改良土壤特性，等等。

1  控制需求

整个地埋式污水处理站，除砂系统布置在地下室，通过管道将砂水混合物提升至地上设备间砂水分离机，因此对地埋式污水处理站除砂系统有以下特别要求：（1）系统稳定性与灵活性共存。系统稳定性要求系统能够长时间自动运行，尽可能少地需要人工参与;灵活性则要求系统能够根据现场实际情况，人工设定系统运行工况参数。（2）自动化程度高。自动化程度高则要求除了正常的工作流程，对于其他“意外”也能保证系统运行，容错度高，可持续时间长。

因此梳理地埋式除砂系统的工作流程有以下要求：（1）周期工作制。根据进水水质情况，定时定期的开启除砂系统。整个系统要求能够循环工作，即工作一段时间停一段时间，周而复始。（2）轮换工作制。从1#阀门开始，到4#阀门结束为一个周期，每个阀门工作时间可自由设定，以应对不同沉砂池的沉砂情况。（3）阀门与泵的相互关联。为了设备安全及管道安全，要求砂泵开启的时候必须有阀门开到位，砂泵停止了才能关闭阀门。（4）阀门故障下的选择与跳转。在日常运行中，难免会出现设备故障或管道故障，要求在出现某单一设备故障下，自动程序仍能有效运行，减少人工工作强度，增加工艺处理灵活性。（5）自动下的纠错。系统自动运行期间，因人工误操作，关闭某个阀门的时候，程序能够自动跳转或恢复到初始状态。

沉砂系统的设备平面布置示意图如图1所示。

图1沉砂系统泵与阀门平面布置示意图

2  逻辑分析

在整个系统中，难点主要还是阀门的开启条件及关闭条件，同理砂泵的开启与关闭条件。特别是在逻辑时序不定的情况下，如何确定该阀门的上级阀门与下级阀门的身份，同时砂泵的开启和关闭条件。

3  实现方法

图2为程序块最终调用的情况，将液位、泵、阀门均作为一个标准化对象，将对象的所有属性传递给程序块，方便程序调用。

LEVAL：沉砂池液位条件，参数传递如表1所示。

IN_TIME：两个阀门之间交错时间，即两个阀门允许同时开到位的时间，单位秒。

PUMP：砂泵属性，参数传递如表2所示。

VALVE1：阀门1属性;VALVE2：阀门2属性;VALVE3：阀门3属性;VALVE4：阀门4属性，其参数传递如表3所示。

表4为除砂系统功能块中的程序段注释

详细说明功能块中比较重要的几处程序：

（1）首先确定阀门与泵的正常状态与非正常状态，如图3所示，其他类似。

（2）自行判断开始阀门与停止阀门编号。根据阀门的状态条件，依据PLC顺序扫描原理，赋值STAR_NO和STOP_NO。

（3）按步序定义阀门开启命令与停止命令。主流程采取顺序控制流程，定义步骤0为初始等待步骤。步骤1为阀门1的开启周期，步骤2为阀门2的开启周期，步骤3为阀门3的开启周期，步骤4为阀门4的开启周期。每个周期的时间为标准化对象传递进程序块的阀门持续时间。时间到达，触发下一个阀门开启，下一个阀门开启后持续一段时间，关闭上一个阀门。或者下一个阀门故障，则进入下下个阀门的步骤。1#阀门动作如图4所示。

需要注意的是1#阀门的停止觸发，可能是正常下的2#阀门，也可能是3#、4#或者砂泵。图4中显示的逻辑是更安全考虑的逻辑，简单总结就是，2#阀门正常，根据2#阀门开到位时间超过IN_TIME，复位1#阀门;3#阀门正常，根据3#阀门开到位时间超过IN_TIME，复位1#阀门，4#阀门正常，根据4#阀门开到位时间超过IN_TIME，复位1#阀门;或者其他阀门都故障，根据1#阀门自身开阀时间超过设定时间，并且泵停止时间超过30 s后，复位1#阀门。同理，2#、3#、4#的复位逻辑相似。

（4）定义砂泵的启动停止条件。因为前面很好地定义了阀门的动作条件，以及开始阀门编号和步序的逻辑关系，砂泵的启动和停止条件则很好实现。如果起始阀门是1#，则根据1#阀门开阀到位后的持续时间，启动砂泵运行，起始阀门是其他阀门则类似。到第4个阀门的时序完成，则停止砂泵。

4  结 论

按以下情况分组进行了测试：1—2—3—4的正常流程;任意3组阀门流程;任意2组阀门流程;任意1组阀门流程。可以设定任意阀门的开阀持续时间，从而实现对每个砂池的个性化控制。在4组以下阀门数量的系统中，可以不用修改当前程序段，直接套用程序段，虽然每个时序都会进行，但是没有外部变量的阀门数据流，默认为非正常状态而自动跳过。可以按当前标准化程序段，增加其他组别阀门控制，最大可扩容到最大8组阀门的联动控制。事实上，在更多阀门组出现的时候，通常是分成了两组砂泵阀门组进行工艺设计，从而更好实现工艺上需要的冗余度。可以修改程序块接口，增加标准化程序段，实现更多的阀门与泵的联动控制。

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作者简介：牛富荣（1981.03—），男，汉族，湖北当阳人，中级，本科，研究方向：电子工程。