城鎮污水處理廠自動化控制設計

文/劉芹

隨著國民經濟和城市化的迅猛發展，水資源污染問題越來越突顯。為了人民生活質量的提高以及子孫后代的生存環境，為了加快生態文明建設，為了綠水青山，中央及各級政府加大了對污水的整治力度，污水資源化已成為當前我國合理開發充分保護水資源的重要途徑。隨著現代科學技術的發展，計算機的測控技術的日臻完善，城市生活污水處理中有效的應用電氣自控技術，可以促進城市生活污水的處理效率及處理質量。

1 污水處理廠工藝

城鎮污水中各種污染物的濃度，與各種水體和用水的要求相比，一般都至少高出一個數量級，因此在排入水體或使用前，都必須進行適當程度的處理。根據各種水體及用水的水質要求以及《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的有關規定，城鎮污水處理廠應為二級或加深度處理。

與工業污水相比，城鎮污水的水質變化相對較小，所以一般城鎮污水處理的工藝流程比較典型，即所謂的三級處理體制。其中一級處理是預處理，二級處理是主體，三級處理為精制。如圖1所示。

2 污水處理廠自動化控制設計

工業自動化是一綜合性應用技術，涉及自動化控制、計算機、通信及網絡等多學科、多技術領域，通過對工業生產過程實現采集、控制、優化、調節、管理和決策，達到增加產量、提高產品質量、降低消耗、確保安全的目的。隨著計算機、網絡技術、電子技術、自動化技術的飛速發展，可編程序控制器（PLC）以其高可靠性、抗干擾性以及靈活方便的編程技術，在工業自動化控制中得到了廣泛地應用。對自動化控制技術要求較高的水處理行業也正廣泛地采用著以PLC為核心的工藝過程的全面監控。

2.1 系統構成

根據分散控制，集中管理的原則，結合污水處理廠生產設備、生產管理、工藝流程、構筑物位置分布等的特點，污水處理廠一般都采用可編程序控制器(PLC)構成集散型控制系統。該系統由現場層、控制層、廠級管理層、公司調度層和將上述4個部分分別聯系起來的網絡5個主要部分構成。

2.1.1 現場層

現場層主要包括過程檢測及控制儀表、遠程輸入/輸出I/O和執行機構。它的主要功能是為PLC控制站提供現場檢測信號并執行PLC控制站發出的控制指令。

2.1.2 控制層—PLC控制站

分站控制層是污水處理廠控制系統的核心。PLC現場控制站有獨立的CPU處理器，可以獨立的對采集的數據進行處理并編制本分站內設備運行的邏輯關系。它接收現場信號和廠級管理層的指令，對這些數據進行處理，根據編制的程序發出控制指令，并將現場信號及各種數據發送至管理層。分站控制層的主要功能為：

圖1：城鎮污水的三級處理體制

（1）按工藝過程控制程序對所控制區域內的電氣設備進行控制。

（2）采集所轄區域內的工藝參數、電氣參數及電氣設備運行狀態。

（3）各工藝設備除按PLC系統程序自動運行外，操作人員也根據操作權限在操作員終端（人機界面）上直接手動干預設備運行狀態，修改控制參數。

（4）通過交換機與中央控制室的監控系統進行通信。向監控管理系統傳送數據，并接受監控管理系統發出相關指令。

2.1.3 廠級管理層—中央控制室

廠級監控中心通過人—機界面操作平臺負責協調各分站控制層工作，并負責廠級的各項管理功能的實現。其主要功能如下：

（1）數據采集：實時采集全廠生產過程的工藝過程數據、設備運行狀態、電氣參數，電氣設備運行狀態。

（2）圖形功能：在彩色監視器上顯示全廠工藝總流程圖、局部工藝流程圖、供電系統圖、工藝參數、電氣參數及電氣設備運行狀態、事故報警顯示、各種數據圖表。

（3）控制功能：從操作站以"人—機"對話方式指導操作，遠程設定工藝參數、控制電氣設備。

（4）報警功能：可以對設備及工藝過程中發生的故障進行報警，顯示故障狀態，按報警等級做出相應反應，記錄故障信息。

（5）數據管理：根據采集到的信息，建立各種數據信息庫，保存工藝參數、電氣參數，電氣設備運行數據、報警數據、故障數據，并自動生成工藝參數的趨勢曲線。管理人員可以通過對工藝曲線的分析、研究、比較，找出適合污水處理廠的最佳運行規律，為生產管理、事故分析、工藝控制、改進管理辦法、保證出水水質、提高生產效率，提供可靠的依據。

（6）自動生成報表（班/日/月）供生產管理之用。打印各式生產運行報表、報警數據報表、事故報表；以及各種圖形、曲線。

（7）與工廠管理系統聯網，實現資源共享、綜合管理。

2.1.4 公司調度層公司調度層通過對各廠級管理層的協調調度，實現更高層次的管理功能。

2.1.5 網絡通訊系統

PLC計算機控制系統的網絡分現場總線和工業以太網兩類?，F場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線。它主要負責PLC控制站與現場智能儀表、智能設備和控制子系統之間的通信。傳輸介質以雙絞屏蔽電纜為主。工業以太網是一種使用最廣泛地用于工業現場的計算機網絡。主要用于分站控制層與廠級管理層之間的通信聯系。它的網絡拓樸結構有環網型和星型。對于中、小型污水處理廠，一般采用的是單機單環拓樸網絡結構。傳輸介質為多模光纖。廠級管理層與公司調度層之間則多選用星型廣域網的形式。選擇使用有線和無線傳輸介質。

2.2 PLC控制站的設置

污水處理廠控制系統是一種面向過程的控制系統。所以在結構和組態設計時，應充分考慮現場I/O的分布，根據現場I/O點的分布決定PLC控制站點的設置位置和數量，即把總平面布置圖上地理位置相對集中的I/O點劃成一個區域，這個區域一般在4～8個之間，在這些區域內考慮設置PLC控制站點。PLC站點的設置應遵循以下三個原則：

（1）站點所含I/O點在地理位置上相對集中，這樣可以節省大量信號電纜，減小因電纜過長而帶來的干擾問題。

（2）盡量使在工藝上聯系密切的I/O點集中在同一站點上，使計算機測控系統的各站點能相互獨立地運行，當某通道或站點出現故障時，不影響其他站點的工作，從而提高整個控制系統的可靠性。

（3）每個PLC站的I/O點數量宜控制在300點以內，以防止過大的I/O量使某一站點負荷過大而降低整個系統的反應速度和可靠性。

污水處理廠PLC控制站站點布置一般按生產工藝來劃分設置，它包括：污水預處理分站（格柵間、污水提升有味道房、沉砂池和初沉池）、生物污水處理分站（鼓風機房、曝氣池、二沉池等）、污泥處理分站（污泥泵房、污泥濃縮池或污泥消化池、污泥脫水間）、尾水處理站（接觸消毒池、加藥間等）及深度處理或回用水處理分站。

3 結束語

由于水資源的緊缺，通過多年的探索與實踐，城鎮污水處理后可作為一種穩定可靠的水資源。目前，國內外很多城鎮二級污水處理廠已經向城鎮和工業提供相當數量的再生水，污水處理再生利用是發展趨勢。采用先進的自動化控制技術以實現工藝參數的全過程自動控制，對于提高我國城鎮污水處理廠處理系統的設計、運行和管理水平具有重要意義。