地埋式污水处理厂电气自动化控制系统设计研究

张传贵

瀚蓝环境股份有限公司 广东 佛山 528200

引言

污水处理是保护环境和人类健康的关键过程，当今城市化进程对土地的利用以及有效的污水管理提出了更高的要求。地埋式污水处理厂作为污水处理重要场所，已广泛应用于城市建成区。随着城市人口的增加和环境标准的提高，地埋式污水处理厂需要更先进、更智能的电气自动化控制系统推动自身发展。本文将探讨地埋式污水处理厂电气自动化控制系统的设计策略和应用优势，以期为提升环境保护水平和资源管理水平提供有益参考。

1 地埋式污水厂电气自动化控制系统概述

地埋式污水厂的电气自动化控制系统是污水处理工程中的关键组成部分，其承担着监测、控制和调节污水处理过程的任务，确保污水在经过一系列处理步骤后，得以达到环保标准。在地埋式污水厂的电气自动化控制系统中，通常包括电动机、传感器、自动化控制装置和电力分配系统[1]。电动机用于驱动搅拌器、泵和风机等设备，实现污水的搅拌、提升和通风。传感器用于监测污水的pH值、溶解氧浓度、温度等，以及设备的运行状态各项参数。自动化控制装置负责根据传感器反馈的信息，自动调节设备的运行，以保持污水处理过程的稳定性和高效性。电力分配系统则确保电能的安全供应，以满足各个设备和系统的用电需求。此外，地埋式污水厂的电气自动化系统通常包括监控和远程控制功能，允许运营人员远程监视和管理污水处理过程，从而有助于实时响应问题和故障，提高污水处理厂的运行效率和可靠性。整体而言，地埋式污水厂的电气自动化控制系统是确保污水处理工程正常运行的核心要素，其能够通过自动化控制和监测，提高处理效率，降低运营成本，为环境保护和资源管理提供重要技术支持。

2 地埋式污水厂电气自动化控制系统应用优势

2.1 提高运行效率

地埋式污水厂电气自动化控制系统的应用为污水处理厂带来了显著的运行效率提升。传统的污水处理厂通常需要依靠人工操作和监控，但这种方法受限于人为误差和反应速度，容易导致处理效率不佳。相比之下，电气自动化控制系统能够实时监测和控制各个处理单元，根据实际情况智能地调整设备的运行状态和参数，此种即时响应和精确调节使得污水处理过程更为高效，能够更安全可靠地将污水转化为满足环保标准的清洁水，并减少处理时间和资源浪费。具体而言，自动化控制系统能够通过实时监测关键参数和设备状态，迅速响应变化的处理需求。针对处理污水流量的增加以及水质参数的波动，系统能够立即调整设备运行方式，以保持最佳的处理效果，此种即时反应速度相较传统手动控制方法更加快捷，使污水处理过程更为高效。同时，自动化控制系统能够通过优化运行参数和设备的使用，降低能源消耗，其能够智能调整搅拌器、泵和通风设备的运行，以满足污水厂运行需求，避免浪费能源。在此环节，其不仅有助于污水厂节约能源，同时有助于其降低运营成本，使污水厂更加可持续。此外，自动化控制系统能够实现自动化运维管理，完成设备状态的实时监测和维护需求的自动识别，从而减少操作风险，提高整个污水厂的稳定性和可靠性。

2.2 节约能源及资源

传统的污水处理过程中，常常需要以恒定的速度运行设备，导致能源的不必要消耗。然而，电气自动化控制系统通过实时监测和智能调整设备的运行模式，根据实际需求调整电动机、泵和风机的速度和负荷，使系统可以避免能源浪费，降低运行成本，对节约电能和资源起到积极作用。当处理厂负荷较低时，系统可以降低设备的运行速度或关闭不必要的设备，从而减少能源消耗。这种能源优化有助于降低电费开支，并减轻对有限能源资源的依赖。其次，电气自动化控制系统能够通过优化污水处理过程，减少化学品使用。系统能够根据实际水质情况智能地调整添加化学药剂剂量，确保在达到目标水质标准的同时，最大限度地减少化学品浪费，进而节约资源，减少对环境的化学污染。同时，自动化系统的数据分析功能可以识别出污水处理过程中的管道堵塞或设备故障等潜在问题，从而减少不必要的资源浪费，此种预测性维护有助于延长设备的使用寿命，减少设备更换频率，进一步节约资源和维护成本。此外，自动化控制系统的资源节约有助于减少对自然环境的影响。通过降低污水处理过程的能源消耗和化学药品使用，其有助于减少温室气体排放、减缓气候变化，同时减少水资源需求，有助于保护珍贵水资源。

2.3 减少人工干预

传统的污水处理方法通常需要大量的人工监控、操作和维护，不仅费时费力，同时容易受到人为误差的影响，导致处理效率和稳定性的不确定性。而电气自动化控制系统通过智能传感器、数据采集和自动化控制装置，能够实时监测污水处理过程中的关键参数和设备状态，提高整个污水处理系统的稳定性和可靠性。具体而言，自动化控制系统能够连续、精确地监测和控制污水处理过程中的关键参数，其中，传感器能够实时收集数据，并根据预设的控制算法，智能调整设备的运行状态和参数，使污水厂运行过程对操作人员定期检查和手动调整设备的需求减少，从而减少人工干预机会。其次，自动化控制系统可以在污水处理厂不同的操作阶段之间实现自动切换。当处理厂的负荷从低到高变化时，系统能够根据需求自动调整处理单元的运行方式，而无须操作人员手动干预，进而提高污水处理操作的连贯性和稳定性。同时，自动化系统能够实现远程监测和控制。运营人员可以通过远程访问系统随时查看处理过程的实时数据，并在需要时进行调整，使得操作人员不再需要长时间驻留在污水处理厂，提高其工作灵活性及效率。

3 地埋式污水厂电气自动化控制系统设计策略

3.1 PLC自动化控制系统设计

PLC自动化控制系统是地埋式污水厂的核心，其设计需要经过详细的规划和操作步骤，以确保系统的稳定性、可靠性和高效性，具体分述如下：①功能分析和需求定义。首先，设计团队需要进行全面的功能分析，明确污水处理过程中需要自动化控制的关键参数和阶段，细化分析监测水质、流量、温度、搅拌器速度、通风设备状态等。在这一阶段，团队需要与污水处理厂的运营人员紧密合作，确保系统满足实际需求[2]。②系统架构设计。基于功能分析的结果，团队需要选择适当的PLC型号和配置，以及设计系统的网络拓扑结构，从而制定系统架构设计方案。在决策过程中，设计人员需要考虑到处理规模、数据通信需求和安全性。③传感器和执行器选择。PLC系统依赖于传感器来获取实时数据，并通过执行器来实现自动化控制。在这一阶段，设计人员需要选择适合的传感器类型和位置，以确保数据的准确性和可靠性。同时，配置执行器以响应自动化控制命令。④容错性和故障恢复设计。为确保系统的可用性，设计人员需考虑容错性和故障恢复机制，制定实施冗余控制、备用电源和数据备份，以防止系统崩溃或数据丢失。同时，设计人员需要开发故障检测和恢复策略，以最小化停机时间。⑤控制算法开发。系统硬件和传感器部署就绪后，设计人员需要开发控制算法。控制算法主要负责根据传感器反馈的数据实时调整设备的运行状态和参数，算法的复杂程度取决于处理过程的复杂性，但需要确保其稳定性和高效性。

3.2 生化池溶解氧精确控制设计

生化池是地埋式污水厂中至关重要的处理单元，其DO（溶解氧）的精确控制对于维持污水处理效率至关重要。以下是生化池DO精确控制系统的具体设计要点：①DO监测系统。设计人员需要根据池的尺寸、水深和操作条件在生化池的不同深度和位置安装多个高质量传感器，以确保全面监测DO水平。②智能控制算法。设计生化池的DO控制系统需要开发智能控制算法，此类算法应根据DO传感器提供的实时数据，智能地调整搅拌器和通风设备的运行状态。控制算法需要考虑到水质波动和气候条件的影响，确保DO水平稳定在目标范围内。③搅拌器和通风设备控制。搅拌器和通风设备是控制DO的主要执行器。设计中需要配置这些设备，使其能够响应控制算法的指令。搅拌器的运行速度和方向以及通风设备的风量需要根据DO控制要求进行自动调整。此外，设计人员需要实现运行状态的监测，以及故障检测和自动切换备用设备。④考虑污水水质和季节性变化。DO控制系统设计需要考虑到不同季节和污水水质的变化。不同季节，水温、水流和水质可能会有显著变化，因此控制算法需要能够适应这些变化。污水水质的波动也需要及时检测和处理，以确保DO控制稳定性。

3.3 污水厂变配电系统设计

污水厂的变配电系统是电气自动化控制系统中至关重要的组成部分，其设计涉及电力供应、设备保护、电力负载均衡以及安全性等关键方面。污水厂变配电系统设计的具体操作步骤如下：①电力需求分析。设计团队需要进行电力需求分析，评估污水厂的电力需求，考虑各种设备（如泵、搅拌器、通风设备）的功率需求以及其运行时间表，确保电力供应系统能够满足所有设备的需求，避免电力瓶颈和停电风险。②设备选型和电气图设计。电力需求明确后，团队需要开始选择适当的变压器、开关设备、电缆等电气设备，综合考虑电流负载、设备尺寸和可靠性[3]。同时，设计电气图，制定电气布线计划，明确设备之间的连接方式，确保电力流畅传输。③电力分配系统安全性和稳定性设计。安全性和稳定性是污水厂变配电系统设计的重要方面。这包括实施过载和短路保护，以防止电气故障对设备和工作人员的危害。同时，设计人员需要考虑到电力负载均衡，确保电流在各个分支线路中均匀分布，避免过载和不平衡。④防雷和接地系统。在设计过程中，设计人员需要考虑到污水厂所在地区的气象条件，以决定是否需要防雷设施。同时，设计人员应合理设计接地系统，确保设备在雷电天气中不受到损害，并保护工作人员的安全。

3.4 仪表监测自动化系统设计

仪表监测自动化系统负责监测和记录各种关键参数，以确保污水处理过程的可控性和合规性，该系统设计具体操作要点如下：①仪表选择和布局。设计团队需要仔细选择适用于监测参数的流量计、压力传感器、水质分析仪器等仪表，仪表的选择应根据监测参数的类型和范围来确定。随后，确定仪表的安装位置，确保其能够准确地反映处理过程的状态。②数据采集和传输系统设计。设计过程中，设计人员需要建立数据采集系统，通过传感器的连接、数据采集设备的配置以及通信协议的选择等环节，实时获取仪表产生的数据[4]。③数据分析和报告功能。仪表监测自动化系统设计需要包括数据分析和报告功能，以便对监测数据进行分析和评估。具体而言，设计人员应在设计本系统时着重进行数据趋势分析、异常检测和性能评估。此外，设计人员应考虑使系统能够生成定期的监测报告，用于记录数据、满足监管要求。

4 结束语

综上所述，污水处理是涉及环境、健康和资源管理的综合任务。地埋式污水处理厂的电气自动化控制系统设计不仅可以提高污水处理效率，同时能够减轻运营人员的负担，降低运营成本，从而在保护环境的同时促进经济可行性。因此，地埋式污水处理厂电气自动化控制系统的设计能够为环境保护和资源管理领域提供重要贡献，激发更多的创新和合作，实现更清洁、更可持续的未来。