曾繁明

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211106）

近年來(lái)，我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，城市生活污水量不斷增大。污水處理不好會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。江蘇省某縣污水處理廠日處理污水2×104m3，處理標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)A，采用循環(huán)式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge System，CASS）污 水 處 理 工 藝。CASS污水處理工作分為曝氣、沉淀和排水3個(gè)階段。使用CASS處理污水的過(guò)程中會(huì)周期循環(huán)進(jìn)行上述3個(gè)階段，同時(shí)由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）構(gòu)成的控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)進(jìn)水水質(zhì)，根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)和污水處理工藝，對(duì)污水處理設(shè)備和處理過(guò)程進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，使得出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)降低運(yùn)行費(fèi)用，保障污水處理設(shè)備始終處在高效、安全的工作狀態(tài)。

1 CASS污水處理工藝流程

該污水處理廠廠內(nèi)主要污水處理設(shè)施有粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵及沉砂系統(tǒng)、CASS池、鼓風(fēng)機(jī)房、污泥濃縮池以及污泥脫水機(jī)房等[1]。污水通過(guò)粗格柵進(jìn)入提升泵房。泵房?jī)?nèi)配置3臺(tái)潛污泵，2用1備。泵房上方設(shè)計(jì)有1臺(tái)電動(dòng)起重機(jī)，可在安裝及檢修時(shí)提升潛污泵。污水經(jīng)潛污泵提升至格柵處過(guò)濾后再到沉砂池，經(jīng)過(guò)吹砂機(jī)、砂水分離器后進(jìn)入CASS池。CASS反應(yīng)池集曝氣、沉淀為一體，末端設(shè)置有1臺(tái)旋轉(zhuǎn)式不銹鋼潷水器。潷水器的出水經(jīng)過(guò)集水井流入消毒池。反應(yīng)池內(nèi)部設(shè)置水下攪拌器，滿(mǎn)足池內(nèi)污水脫氮除磷的要求。根據(jù)CASS池曝氣量的需求，鼓風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，2用1備。機(jī)房上方設(shè)計(jì)有1臺(tái)電動(dòng)單梁懸掛式起重機(jī)，便于鼓風(fēng)機(jī)的安裝及日常維護(hù)保養(yǎng)。紫外線消毒燈管設(shè)置于出水槽的前端，采用機(jī)械式自動(dòng)清洗裝置進(jìn)行日常清洗。CASS池產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)入污泥濃縮池，濃縮產(chǎn)生的上清液經(jīng)管道送回提升泵站的集水井，沉淀產(chǎn)生的污泥則由污泥泵輸送到污泥脫水機(jī)房。機(jī)房?jī)?nèi)采用2臺(tái)帶式脫水機(jī)，1用1備。污泥在帶式脫水機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)多道壓榨脫水后，通過(guò)螺旋輸送機(jī)直接送至裝料車(chē)間的污泥運(yùn)輸專(zhuān)用車(chē)斗內(nèi)外運(yùn)。脫水機(jī)房?jī)?nèi)還配有空氣壓縮機(jī)和絮凝劑添加設(shè)備。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)采用集散式控制方式?，F(xiàn)場(chǎng)控制站盒監(jiān)控計(jì)算機(jī)經(jīng)由通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控控制和自動(dòng)控制，其中就地手動(dòng)控制的優(yōu)先級(jí)最高?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜上設(shè)置“就地/遠(yuǎn)程”開(kāi)關(guān)，當(dāng)選擇“就地”方式時(shí)，可以通過(guò)控制柜上的按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂啤．?dāng)選擇“遠(yuǎn)程”方式時(shí)，通過(guò)PLC控制站控制設(shè)備。操作人員在PLC控制站的操作面板上選擇“手動(dòng)”方式，可以用鍵盤(pán)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修操作，也可通過(guò)操作面板或操作站監(jiān)控畫(huà)面選擇“遙控”方式，對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂?。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開(kāi)關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式且“自動(dòng)/遙控”設(shè)定為“自動(dòng)”方式時(shí)，PLC完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制，不需要人工干預(yù)[2]。

中控室設(shè)在污水處理廠的綜合樓內(nèi)，監(jiān)測(cè)、控制、管理污水處理的全部工藝過(guò)程。監(jiān)控管理機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，配置1臺(tái)故障打印機(jī)和1臺(tái)高清晰度投影儀，動(dòng)態(tài)顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、主要設(shè)備的狀態(tài)、電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)、各種報(bào)表以及數(shù)據(jù)曲線等內(nèi)容。中控室可直接控制緊急排放、配水閘門(mén)等全廠運(yùn)行調(diào)度的設(shè)備，主要負(fù)責(zé)運(yùn)行調(diào)度、參數(shù)分配和信息管理，一般不直接參與設(shè)備控制。中控室通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制層的PLC分配運(yùn)行控制目標(biāo)，由PLC控制站完成對(duì)工藝設(shè)備等被控對(duì)象的控制管理。中控室也可以禁止某臺(tái)設(shè)備投入運(yùn)行，同樣由PLC控制站執(zhí)行中控室指令。PLD 控制站控制禁止投入的設(shè)備退出運(yùn)行，同時(shí)將圖標(biāo)變?yōu)榛疑?，?biāo)記為設(shè)備不可用。系統(tǒng)配有2臺(tái)監(jiān)控管理機(jī)，互為備用。如果其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)不受影響，能實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)的高可靠性。控制系統(tǒng)采用10/100 Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)，通過(guò)光纖、交換機(jī)將各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站、中控室操作站、化驗(yàn)室操作站以及變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)等連接起來(lái)，構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵。控制層的PLC通過(guò)控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的采集，執(zhí)行來(lái)自管理層的指令。PLC采用羅克韋爾自動(dòng)化公司的SLC 500，根據(jù)控制功能和控制點(diǎn)數(shù)進(jìn)行配置，共設(shè)置了配電間PLC工作站和脫泥車(chē)間PLC工作站2個(gè)控制站，采用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊SLC-5/05、模擬量輸入模塊1746-NI8/NI16、模擬量輸出模塊1746-NO4I、開(kāi)關(guān)量輸入模塊1746-IV32/IV16和開(kāi)關(guān)量輸出模塊1746-OW16?？刂普竞蜕衔粰C(jī)通過(guò)光纖以太網(wǎng)相連，控制網(wǎng)絡(luò)采用基于Ethernet的用于過(guò)程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）通信協(xié)議。1#PLC控制站設(shè)在濾格配電中心，負(fù)責(zé)的測(cè)控管理區(qū)域?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)房、厭氧池、氧化溝、回流及剩余污泥泵房、沉淀池集配水井、工廠進(jìn)水、粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、旋流沉砂池、泵房配電間以及總變配電室，主要控制中間提升泵房設(shè)備、濾格閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、反沖泵、進(jìn)水、反沖洗過(guò)程、回流、剩余污泥泵以及二沉池吸掛泥機(jī)等，并采集以上工段的儀表信號(hào)、出水流量、反沖洗流量和回流污泥流量計(jì)信號(hào)[4]。2#PLC控制站設(shè)在加藥間，負(fù)責(zé)的測(cè)控管理區(qū)域?yàn)橄境?、加藥及消毒控制間、污泥脫水機(jī)房以及監(jiān)測(cè)控制室等，主要監(jiān)控預(yù)處理段設(shè)備的運(yùn)行情況、氧化溝上設(shè)備的運(yùn)行情況、預(yù)處理段儀表及氧化溝儀表以及脫水機(jī)運(yùn)行情況等。部分工藝設(shè)備自帶控制單元，通過(guò)接口與所在區(qū)域的PLC相連。

現(xiàn)場(chǎng)儀表選用精度適宜、穩(wěn)定可靠、免維護(hù)的數(shù)字式、智能化儀表?，F(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換器帶數(shù)字顯示。水質(zhì)分析儀表配備自清洗裝置。此外，還有連續(xù)非接觸式雙通道超聲波水位差計(jì)、玻璃復(fù)合電極、內(nèi)置溫度傳感器的pH/溫度檢測(cè)儀、覆膜式濁度或懸浮物濃度儀、熒光法原理測(cè)量溶解氧測(cè)量?jī)x、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）測(cè)量?jī)x（投入式，紫外光測(cè)量，無(wú)須任何藥劑）以及電磁感應(yīng)測(cè)量污泥/污水流量的電磁流量計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、各儀表參數(shù)等數(shù)據(jù)由PLC通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)街锌厥夜芾頇C(jī)予以存儲(chǔ)及顯示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用RSLogix500。RSLogix500是針對(duì)SLC 500系列PLC的基于Windows的梯形圖邏輯編程軟件包，可根據(jù)污水處理工藝流程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)控制程序。

3.1.1 格柵自動(dòng)控制

格柵前后水位差閾值由水位差測(cè)量?jī)x檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)送入PLC，然后PLC輸出自動(dòng)控制機(jī)械格柵的啟動(dòng)和停止。當(dāng)機(jī)械格柵長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行超過(guò)設(shè)定的時(shí)間值時(shí)，系統(tǒng)按時(shí)間表控制，自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械格柵。自動(dòng)模式下，PLC按程序自動(dòng)控制柵渣輸送機(jī)的起停、機(jī)械格柵的起停以及安全聯(lián)鎖保護(hù)。水位差設(shè)定值、格柵的運(yùn)行時(shí)間及格柵運(yùn)行周期均可調(diào)整。

3.1.2 泵組自動(dòng)控制

根據(jù)物位測(cè)量?jī)x的檢測(cè)值自動(dòng)控制多臺(tái)泵組的輪值運(yùn)行。當(dāng)物位升高至某一設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)增加泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；當(dāng)物位降低到某一設(shè)定值時(shí)，逐臺(tái)減少運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)。此外，物位測(cè)量?jī)x自動(dòng)累積各水泵的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，根據(jù)不同時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)輪換備用泵，保障各泵的累積運(yùn)行時(shí)間大致相同。當(dāng)有泵出現(xiàn)故障時(shí)，故障泵會(huì)自動(dòng)切出自動(dòng)控制程序；當(dāng)物位降到干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)位置時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)停止全部泵的運(yùn)行，以保證各泵的安全。

3.1.3 旋流沉砂池系統(tǒng)的控制

污水以一定的流速切向進(jìn)入沉砂池，在重力和離心力的共同作用下，比重較大的砂礫會(huì)沉降到池底的集砂槽，待攪拌器啟動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)后形成一個(gè)軸向渦流排出污水。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，控制器定時(shí)啟動(dòng)攪拌器，使得攪拌葉輪連續(xù)運(yùn)行進(jìn)行排砂，同時(shí)聯(lián)動(dòng)控制砂水分離器等設(shè)備。排砂管道上設(shè)置固體密度傳感器，根據(jù)檢測(cè)值控制排砂過(guò)程和排砂量。如果固體密度傳感器的輸出低于某一數(shù)值，意味著沉砂已基本排盡，這時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉排砂泵，并順序關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。

3.1.4 曝氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)

設(shè)計(jì)采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測(cè)生物池的溶解氧和生物池空氣管的流量。這兩個(gè)檢測(cè)值通過(guò)模擬量輸入模塊輸入PLC，通過(guò)運(yùn)算形成一個(gè)控制量來(lái)調(diào)節(jié)空氣管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和進(jìn)氣量。溶解氧值可以在控制中心或現(xiàn)場(chǎng)控制柜的操作屏上進(jìn)行設(shè)置。

3.1.5 鼓風(fēng)機(jī)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)

根據(jù)設(shè)定的溶氧值控制鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速。鼓風(fēng)機(jī)是二次方率負(fù)載，消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方近似成正比?？諝饬髁亢娃D(zhuǎn)速成正比，在滿(mǎn)足空氣需求量的前提下，降低轉(zhuǎn)速可節(jié)省能耗?？諝鈮毫娃D(zhuǎn)速成正比，壓力控制和曝氣量調(diào)節(jié)相互之間有影響，通過(guò)模糊算法控制，可使處理過(guò)程處在最佳狀態(tài)[5]。

3.1.6 污泥回流量自動(dòng)調(diào)節(jié)

根據(jù)生物池進(jìn)水量的多少和回流污泥濃度的大小，控制回流污泥泵的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以保證污泥混合液濃度在一定的范圍內(nèi)和生物池微生物的需要量。此外，通過(guò)操作屏可以設(shè)定回流污泥比例。

3.1.7 電動(dòng)閘門(mén)的控制

電動(dòng)閘門(mén)的操作箱面板上設(shè)手動(dòng)/遠(yuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。在手動(dòng)狀態(tài)下，工作人員通過(guò)按鈕控制閘門(mén)的開(kāi)閉。在遠(yuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，在中控室通過(guò)鍵盤(pán)或觸摸屏遙控閘門(mén)的開(kāi)閉。此外，位于中控室的模擬屏?xí)?shí)時(shí)顯示閘門(mén)的狀態(tài)和工況。

3.1.8 污泥濃縮脫水自動(dòng)控制

污泥濃縮脫水設(shè)備采用順序控制，啟動(dòng)順序依次為傾斜式螺旋輸送機(jī)、水平螺旋輸送機(jī)、濃縮脫水機(jī)、加藥泵、進(jìn)泥泵和污泥切割機(jī)。需要注意，停止的順序與開(kāi)機(jī)順序相反。當(dāng)藥液罐的液體較少、液位較低、進(jìn)泥流量較低或任何一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并發(fā)出報(bào)警信息。每天允許的運(yùn)行次數(shù)和每次運(yùn)行的時(shí)間在操作屏上進(jìn)行設(shè)定。

3.1.9 沉淀池排泥控制

沉淀池內(nèi)的泥位計(jì)檢測(cè)到泥位達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制吸泥車(chē)開(kāi)動(dòng)進(jìn)行排泥或定時(shí)自動(dòng)排泥。

3.1.10 加氯的自動(dòng)控制

根據(jù)進(jìn)水流量和濁度控制加氯機(jī)按比例自動(dòng)加氯，并根據(jù)出水余氯值進(jìn)一步修正加氯量，使加氯量始終處于最佳值。

3.1.11 電力監(jiān)控

在中控系統(tǒng)設(shè)置電力監(jiān)控程序，監(jiān)控電力系統(tǒng)電壓、電流、相位、功率因數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、各主要用電設(shè)備的狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)等，計(jì)量各用電設(shè)備的電力消耗，以便分析其能耗狀態(tài)，采取措施進(jìn)一步降低能耗，節(jié)約電費(fèi)。

3.1.12 電氣設(shè)備控制

電動(dòng)機(jī)控制方式通過(guò)在各個(gè)電氣設(shè)備控制箱/柜上的就地、停止、自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)來(lái)控制。就地方式下，電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)由工作人員操作，不受自控系統(tǒng)控制。自動(dòng)方式下，電氣設(shè)備由自控系統(tǒng)控制。切換控制方式時(shí)應(yīng)延遲10 s，以避免在自動(dòng)方式下設(shè)備即時(shí)啟動(dòng)。電氣設(shè)備的控制信號(hào)全部采用無(wú)源觸點(diǎn)，主要有自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行/停止信號(hào)或開(kāi)啟/關(guān)閉信號(hào)、緊急停車(chē)信號(hào)、機(jī)械故障和電氣故障信號(hào)、保護(hù)或連鎖報(bào)警信號(hào)等。電氣設(shè)備的聯(lián)鎖裝置不受自控系統(tǒng)支配，但安全聯(lián)鎖裝置應(yīng)連接PLC，以便及時(shí)傳輸報(bào)警信號(hào)到控制室。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控程序采用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，監(jiān)控畫(huà)面有工藝流程圖、報(bào)警記錄、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史趨勢(shì)圖、報(bào)表以及參數(shù)設(shè)定等功能畫(huà)面和按鈕。在主畫(huà)面工藝流程控制圖部分可瀏覽污水處理廠中各測(cè)點(diǎn)當(dāng)前值，主要顯示廠區(qū)中各液位、液位差以及混合液懸浮固體濃度值等。通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)，可以查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和控制設(shè)備。例如，點(diǎn)擊“2號(hào)粗格柵設(shè)備”，馬上會(huì)彈出該設(shè)備的控制盤(pán)，這時(shí)操作人員可以操作該設(shè)備。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，在設(shè)備及控制盤(pán)上有相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)指示設(shè)備狀態(tài)，如攪拌機(jī)的漿葉會(huì)旋轉(zhuǎn)、管道中的水流流動(dòng)等，同時(shí)設(shè)備顏色會(huì)變?yōu)榫G色，表示設(shè)備正在運(yùn)行。設(shè)備故障時(shí)，故障設(shè)備的顏色會(huì)變成紅色并閃爍，且會(huì)彈出報(bào)警窗口，提示操作員有故障產(chǎn)生。既沒(méi)運(yùn)行也沒(méi)發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備的顏色顯灰色。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，畫(huà)面中會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)報(bào)警提示窗口，同時(shí)發(fā)出警報(bào)聲提示操作人員。關(guān)閉報(bào)警窗口后，點(diǎn)擊故障設(shè)備，在彈出的設(shè)備控制盤(pán)上的狀態(tài)欄上也可清楚看見(jiàn)故障狀態(tài)，如電氣故障、過(guò)載故障、超溫漏水漏油故障等。歷史報(bào)警記錄負(fù)責(zé)記錄已發(fā)生過(guò)的報(bào)警信息。為方便查詢(xún)，歷史報(bào)警記錄分為設(shè)備故障歷史報(bào)警和參數(shù)歷史報(bào)警兩種。黃色的報(bào)警信息表示的是發(fā)生過(guò)報(bào)警但未確認(rèn)或沒(méi)有來(lái)得及確認(rèn)的報(bào)警信息；灰色表示被確認(rèn)的報(bào)警；紫色表示發(fā)生報(bào)警后已經(jīng)恢復(fù)正常的報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)已在某污水處理廠投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，故障率低，維護(hù)方便，實(shí)現(xiàn)了污水處理的全自動(dòng)化控制，污水處理達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減少了工作人員，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和能耗，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。