【關(guān)鍵詞】電氣自動(dòng)化技術(shù)；水處理；PLC

前言

隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)水平不斷提高，其在水處理領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，但是處理水平還需要進(jìn)一步提高，深度自動(dòng)化仍然是水處理領(lǐng)域未來(lái)重要的發(fā)展方向。將電氣自動(dòng)化技術(shù)融入水處理工作中，并選用與之相匹配的處理設(shè)備，以此提高處理效果并降低人力物力消耗，這對(duì)推動(dòng)污水治理與城市可持續(xù)發(fā)展而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、電氣自動(dòng)化技術(shù)在水處理過(guò)程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前各行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠大幅提高工作效率與自動(dòng)化水平，即使沒(méi)有人工直接參與到生產(chǎn)中，也能利用信息控制系統(tǒng)，對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)的工作進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。在水處理過(guò)程中合理運(yùn)用電氣自動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制水處理環(huán)節(jié)，并使用儀表自動(dòng)采集有關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，精確地控制設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)以及化學(xué)藥品用量[1]。當(dāng)水處理發(fā)生異常時(shí)，工作人員無(wú)需進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，只需通過(guò)控制電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，便可掌握水處理設(shè)備的工作狀態(tài)，并據(jù)此對(duì)其運(yùn)行做出相應(yīng)調(diào)整。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)還具備監(jiān)控與報(bào)警功能，一旦檢測(cè)到水處理出現(xiàn)異常便可及時(shí)將消息發(fā)送到管理人員移動(dòng)終端上，這種自動(dòng)化方式能夠降低人力資源成本，又能夠隨時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)解決，在水處理過(guò)程中具有良好應(yīng)用效果。

二、水處理技術(shù)與工藝流程

（一）水處理技術(shù)選擇

首先要根據(jù)出水水質(zhì)要求來(lái)確定污水的處理等級(jí)，然后再進(jìn)行二次強(qiáng)化處理，以避免水體富營(yíng)養(yǎng)化，強(qiáng)化除磷。工業(yè)廢水可采用管網(wǎng)收集，通過(guò)粗格柵入流調(diào)節(jié)，這樣能排出水中的部分膠體和懸浮物，達(dá)到水質(zhì)的平衡。采用活性污泥工藝和生物膜工藝可以有效地解決污水中的氮去除和化學(xué)需氧問(wèn)題。在缺氧池與好氧池中的填料既能保證優(yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)，又能促進(jìn)有機(jī)物持續(xù)溶解，又能使氨氮元素硝化與反硝化反應(yīng)更具活性?；钚晕勰喾ê蜕锬しㄔ趶?qiáng)化有機(jī)物溶出效果的同時(shí)，還能強(qiáng)化有機(jī)物的溶解作用，從而達(dá)到強(qiáng)化脫氮的目的。

（二）水處理工藝流程

污水先進(jìn)行物理清洗，后進(jìn)入脫鹽池、氧化溝，再經(jīng)過(guò)生物藥化處理。凈化后的污水進(jìn)入沉淀池，利用刮泥機(jī)對(duì)污水進(jìn)行物理沉淀處理[2]。利用大分子助凝劑強(qiáng)大的吸附性能，進(jìn)一步處理污水，可以促使混凝劑、絮凝劑在沉淀池中加速沉淀，加快沉淀速度。最后，通過(guò)脫水器分離出污泥，并將分離后的泥餅與清水分開(kāi)處理。

三、基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的水處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）PLC系統(tǒng)選型

PLC控制就是用程序邏輯對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的手段。隨著電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，相對(duì)于其他控制方法而言，PLC控制能夠有效地提高自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的使用效果。PLC控制具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，從而確保自動(dòng)化生產(chǎn)順利運(yùn)行。將PLC控制運(yùn)用到水處理中，可以發(fā)揮電氣自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，為電氣設(shè)備運(yùn)行提供技術(shù)支持，PLC技術(shù)可靠性較高，可以提高自動(dòng)化系統(tǒng)反應(yīng)速度，確保各環(huán)節(jié)運(yùn)行效率[3]。PLC系統(tǒng)能夠大幅簡(jiǎn)化污水處理過(guò)程，污水處理效率大大提高，選擇機(jī)型時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，而非盲目地追求高功率和高性能。根據(jù)污水處理工藝要求，系統(tǒng) I/O點(diǎn)最大值為225，程序長(zhǎng)度在8 KB左右。本系統(tǒng)選用西門(mén)子S7—200系列，它能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，具有很高性價(jià)比。

（二）電動(dòng)機(jī)的選型

污水處理系統(tǒng)將采用多臺(tái)電機(jī)，y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，防護(hù)采用IP44，冷卻采用IC411方式，該系列設(shè)備高效節(jié)能，噪音小，使用方便。超聲液差計(jì)是一種數(shù)字化、人性化的液位差計(jì)，它具有先進(jìn)的液位測(cè)量和控制、數(shù)據(jù)傳輸和信息交換等功能，不需要直接接觸就能獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而提高處理流程自動(dòng)化水平。

（三）儀器儀表選擇

污水處理工藝復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)型，除了具有靈敏測(cè)量功能外，還必須具備對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)的能力。電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)不僅能夠記錄污水處理設(shè)備狀態(tài)，而且還能夠?qū)⒃O(shè)備工作電流、控制系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)都記錄下來(lái)，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)地對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析和調(diào)整。污水處理過(guò)程中的模擬信號(hào)經(jīng)傳感器傳輸至變送器，變送器將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再送至PLC的輸入端。在主要廢水處理過(guò)程中使用的儀器如表1所示。

（四）系統(tǒng)硬件電氣原理圖

系統(tǒng)選用三相380V、50HZ的交流電作為進(jìn)線電源，電源電路圖如圖1所示。變頻器，水泵及其他現(xiàn)場(chǎng)用電均采用380VAC電源，PLC的主從兩個(gè)獨(dú)立的24V直流供電是用一個(gè)獨(dú)立的24V直流供電，傳感器、電磁閥等也是用24V直流供電。

四、基于電氣自動(dòng)化技術(shù)的水處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于儀器設(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用人工觀察，不但效率低下，而且觀察效果不佳，因此采用電氣自動(dòng)化技術(shù)完成數(shù)據(jù)檢測(cè)環(huán)節(jié)。下位機(jī)負(fù)責(zé)采集全系統(tǒng)的水位、pH值、含氧量和流量數(shù)據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)的中心部分，也是電氣自動(dòng)化技術(shù)主要應(yīng)用環(huán)節(jié)[4]。在進(jìn)行PLC設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析控制需求，確定系統(tǒng)總體配置，再分配，接著編制流程圖，編制相應(yīng)的程序，當(dāng)系統(tǒng)符合要求時(shí)，繼續(xù)調(diào)試程序，如果不滿足要求，則需要進(jìn)行機(jī)型更換。例如，污水處理系統(tǒng)中粗、細(xì)格柵除污機(jī)工作流程圖如圖2所示。

（二）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用上位機(jī)與各系統(tǒng) PLC控制單元之間的數(shù)據(jù)總線通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)污水處理廠運(yùn)行狀態(tài)的快速、全面監(jiān)控。既能有效地提高污水處理效率，又能使處理出水達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

中央控制室通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，建立遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的目的是讓工作人員實(shí)時(shí)了解水處理各環(huán)節(jié)運(yùn)行情況，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，減輕人工監(jiān)控負(fù)擔(dān)。工作人員可以在監(jiān)控屏幕上直接查看除沙池中的液位和 pH值、氧化溝反應(yīng)池的液位、pH值、氧含量、清水流量等數(shù)據(jù)信息，并將重要的信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，以便以后工作需要分析[5]。分區(qū)與流域控制可分為手動(dòng)與遙控兩種，遠(yuǎn)程遙控模式有PLC與顯示器兩種實(shí)現(xiàn)方式，自動(dòng)信息采集方式也有區(qū)別。

（1）液位差信息采集：傳感器采集排水氧化罐液位，超聲波差壓計(jì)自動(dòng)采集液位參數(shù)，由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行記錄，將所記錄的數(shù)據(jù)信息與歷史數(shù)據(jù)相比較，得出液位差信息。當(dāng)測(cè)量到的液位差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（2）pH值信息采集。傳感器收集除沙池和氧化池的數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)模型，通過(guò)變送器將其傳輸?shù)斤@示屏上，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍時(shí)，由上位器及時(shí)報(bào)警。在pHlt;6.5和pHgt;9.0的條件下，除氮能力明顯下降，污泥沉降性能下降，出水渾濁。由于硝化反應(yīng)需要堿性環(huán)境，在pH值下降超過(guò)6.5的時(shí)候，污水中的堿性不足會(huì)影響硝化菌的生長(zhǎng)與繁殖，此時(shí)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)充堿性。

（3）溫度信息采集。傳感器可對(duì)氧化池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上，方便調(diào)整。溫度對(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)都有影響，硝化反應(yīng)一般在20-30℃溫度條件下進(jìn)行。在冬季低溫條件下，反硝化菌的活性也會(huì)受到影響，當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度下降時(shí)自動(dòng)添加 COD有機(jī)原水來(lái)作為額外補(bǔ)充的碳源，加速硝化反應(yīng)，保證污水處理的效果。隨著夏季氣溫的升高，硝化菌的活性增加，設(shè)備根據(jù)采集的溫度信息變化適度減少碳源供給，達(dá)到系統(tǒng)的反硝化需要。

五、電氣自動(dòng)化技術(shù)在水處理過(guò)程中的應(yīng)用發(fā)展

在污水處理系統(tǒng)中，降低投資是工藝設(shè)備的首要問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際污水處理工藝的要求和廢水的實(shí)際情況，選擇最合適的工藝，如能源消耗等。特別是鼓風(fēng)機(jī)、提升泵等高能耗設(shè)備，要根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)真思考，合理選擇設(shè)備型號(hào)，以確保最大限度地降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在供電網(wǎng)和配電網(wǎng)絡(luò)中，要合理選擇變頻器，采用變頻調(diào)速技術(shù)，提高供電網(wǎng)和配電系統(tǒng)的節(jié)能效果。在城市污水處理廠電氣設(shè)計(jì)中，采用具有較強(qiáng)節(jié)能特性的變頻調(diào)速裝置，可根據(jù)流體力學(xué)原理，調(diào)節(jié)電能流量與設(shè)備轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，達(dá)到保證電能質(zhì)量，提高節(jié)能效率的目的。污水處理廠可以選擇一些智能化水平比較高的供電設(shè)備，選擇智能變頻調(diào)速裝置，在運(yùn)行過(guò)程中能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)電流，達(dá)到節(jié)能的目的。

結(jié)論

水處理智能化電氣控制系統(tǒng)是未來(lái)水處理的主要發(fā)展方向。根據(jù)污水處理站的規(guī)模以及設(shè)備情況，合理運(yùn)用以PLC技術(shù)為代表的電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠保障處理站的所有設(shè)備以及儀表都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)行故障預(yù)警，降低設(shè)備處理成本，提升設(shè)備運(yùn)行效率，最終使水處理效率大幅提高，同時(shí)也降低人力資源成本與能源消耗。