小城鎮污水處理廠電氣自控設計分析

梁輝

（山東省環科院環境工程有限公司，山東 濟南 250014）

隨著城鎮化建設的不斷推進，城鎮水污染問題也日益凸顯，圖1為某城鎮水污染情況，作為人們生活不可或缺的資源，人均占有率逐漸下滑，影響了人們的生活。對此建立污水處理廠，通過電氣自控系統設計，充分發揮污水處理廠的作用，緩解城鎮水資源污染問題，對社會穩定發展具有重要意義。

1 電氣自控系統的簡單概述

在城鎮未開發之前，水資源污染源頭較少，其自身凈化能力能夠滿足需求，如圖1所示。隨著經濟的不斷發展，提高城鎮人們生活水平的同時，環境污染問題越發凸顯，尤其是水污染問題，嚴重影響了城鎮居民的生活，如圖2所示。若能夠改善城鎮污水狀況，能夠極大地提高人們生活質量，改善水資源稀缺問題，對此城鎮污水處理應引起重視。然而，傳統的污水治理方式效果并不佳，只有對城鎮污水情況進行遠距離實施監控，有效遏制污染源，才能真正發揮污水處理廠的作用。對此積極利用計算機、通訊技術、自動檢測技術等，構建電氣自控系統，對城鎮水質進行遠距離監控，及時獲取水質、流量等污水處理數據，實時監控城鎮廢水的處理，有效降低水污染。

圖1 干凈的水資源

圖2 某城鎮水污染情況

我國污水處理電氣自控系統設計中，采用在中控室內設置專用服務器及操作站，通過工業以太網交換機接入全廠光纖以太環網，接受并存儲各工藝段自控系統PLC站上傳的實時數據，形成歷史數據庫，并具備數據查詢、瀏覽及報表生成等功能。提供人機界面，實現各類工藝參數、設備狀態的實時遠程監視及遠程操作。

2 小城鎮污水處理廠規模與工藝

2.1 污水處理廠的規模劃分

在小城鎮污水處理工程建設標準中，對小城鎮污水處理廠的規模劃分為4類：第I類，處理廠每天處理污水5000～10000m3；第II類，處理廠每天處理污水3000～5000m3；第III類，處理廠每天處理污水1000～3000m3；第IV類，處理廠每天處理污水不足1000m3。

2.2 污水廠處理工藝

在小城鎮污水處理廠中，污水處理工藝主要包含以下幾部分：預處理、生化處理、污泥脫水與中水回用，具體處理流程如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程

3 小城鎮污水處理廠的電氣設計

3.1 負荷計算

在小城鎮污水處理中，處理廠的電氣設計時，應進行負荷計算。通常負荷計算依照配電順序展開，由用電設備組、車間、電控室、變電所逐級向上推進。一般來講，用電設備依照生產流程、負荷性質、工作制等將用電設備分為不同組別，分組計算用電設備的負荷。在負荷計算過程中，因備用設備的容量較小，工作時間較短，不需要計入用電設備組的負荷；備用設備、事故用設備、檢修電源也不需要計入負荷。處理廠配電負荷為：（各個用電設備組＋車間配電室的負荷）

3.2 供配電系統

對用電負荷的等級進行劃分。小城鎮污水處理工程建設標準中，對污水處理廠做出如下規定：污水處理廠所用電源應就近選擇。對于I類污水處理廠，電力負荷應選擇二級供電，若發生停電現象，極有可能影響區域間的經濟、生活與環境。其他類別的污水處理廠規模較小，停電帶來的影響相對較小，電力負荷可考慮三級供電。對于風景區、古城鎮等區域，因對環境要求較高，若供電條件允許，及其他類別污水處理廠，也可選擇二級負荷供電。

供電電壓的選擇。為保障污水處理廠的可靠運行，應選擇適當的供電電壓，具體來講，工作人員可依照處理廠的總電荷、用電設備的額定電壓、供電距離，通過與區域供電網現狀與發展等展開技術經濟對比，再與供電部門商議后，確定合理的供電電壓。

配電系統接線方式。小城鎮本身面積較小，處理廠所處理的污水量相應較小，所用電氣設備較少，用電負荷相對較小，依照就近供電原則，處理廠可直接就近引入0.4kV或者10kV電源，為處理廠供電。若污水處理廠的電力負荷為二級，應設置自用發電機，若供電系統出現故障，發電機能夠立即啟動，為處理廠供應電能，保障處理廠的可靠性。另外，處理廠配電所的主接線為單母線，接線方式不分段，低壓配電系統多采用三相五線方式接線，接地方式多采用TN—S系統。

電機啟動。在污水處理廠運行中，若采用小功率電機，則啟動方式為直接啟動，若電機功率較大，應選擇軟啟動或變頻啟動方式，避免電機啟動瞬間所產生的超大電流影響供電系統。

設備選擇。小城鎮污水處理廠想要自動運行，應重視電氣自控系統的設計。在電氣設計中，對于變壓器，因處理廠的用電負荷較小，可選擇容量較小的變壓器；對于負荷開關，應選擇帶熔斷器的開關。對于一般電氣設備，應以滿足污水處理為原則，選擇性價比高、可靠性高、維修便利的電氣設備。

4 小城鎮污水處理廠的自控設計

4.1 CASS 工藝與流程

CASS工藝即為循環式活性污泥法，以此工藝對污水進行清理，不僅能夠脫氮、除磷、降解污水中的有機物質，還能夠單池連續循環。CASS工藝還具有占地面積較小，運行維護量小等優勢，非常適宜小型城鎮的污水處理廠。在CASS設計應用時，生物池作為其核心，在污水處理廠中，整個處理流程全部在生物池進行，不需要設置二沉池、調節池等，降低了成本投入，提高了經濟效益。CASS工藝的流程較為簡單，設備設置非常緊密，具體如圖4所示。

圖4 CASS工藝流程

4.2 設計自控系統網絡

在小城鎮的污水處理廠中，自動控制系統的性能受到了網絡通信的轄制，一旦網絡通信可靠性不足，將直接影響自控系統的性能，對此在自控系統設計中，設計人員對網絡拓撲結構、傳輸介質、參數等提出更高要求。本文以小城鎮污水處理廠為依據，為其設計的自控系統的結構主要包含2方面：上位機的監控系統、下位機的監控系統。

自控系統網絡選擇工業以太網，以TCP/IP協議作為基礎，系統抗干擾能力較強，實時性較強，監控系統能夠延伸至處理廠的設備控制層面，實現了處理廠的遠程控制和資源共享。因此，在自控系統設計時，工業以太網應選擇環形光纖，作為自控系統組網，為處理廠自控系統的有效實施提供數據支持，自控系統的網絡拓撲圖如下圖5所示。

圖5 自控系統拓撲圖

在整個自控系統網絡結構中，主要包含了3個網絡層面。（1）監控管理層。位于上位機，是系統網絡最上層，主要有WinCC組態構建。（2）通訊層。為系統網絡的中間層，由環形的工業以太網組成，通過將通訊模塊CP343—1實現以太網，將其與S7—300PLC有效連接，設置WinCC組態的網絡參數，以收發器將以太網、上位機有效連接。（3）執行層。為系統網絡最底層，位于下位機，主要包含了下位機的PLC和污水處理廠的設備，實現了對污水處理過程的控制，實現了設備執行。

4.3 設計上位機監控系統

上位機監控系統的設計方式較多，可直接通過組態軟件設計，也可利用可視化軟件進行編程設計。文章采用了WinCC組態軟件開發設計了上位機監控系統，該設計方式具有功能強、通訊穩、開發簡單等特點。在其應用中，點擊導航欄，實現了數據瀏覽和控制，同時具備報警確認、故障提醒、故障自診斷、遠程控制與維護等功能，為監控人員提供了極大便利。

4.4 設計下位機監控系統

在下位機監控系統設計時，應以PLC作為基礎展開設計，使系統具備手動控制、遠程手控、全自動控制等多種模式。其中全自動控制為日常主要運行模式，若設備需要調試與維修，可選擇另外2種控制模式，避免設備故障處理為其他設備帶來影響。同時以PLC編寫的監控系統，能夠對設備運行進行智能化判斷，實現不同控制模式的自動切換，實現對各個現場設備的有效控制。

5 結語

在小城鎮污水處理廠的電氣自動化設計中，應全面掌握水質水量，區域間的地貌特征與位置，地理條件與城鎮經濟，處理廠的管理能力與員工水平等，通過綜合考慮選擇最恰當的電氣自控設計方式，有效發揮污水處理廠的作用，降低污水帶來的負面影響，改善水資源短缺的現象，提高小鎮居民飲水健康。