城市生活污水處理廠電氣及自控設(shè)計(jì)分析

游鐘輝

（三達(dá)膜環(huán)境技術(shù)股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

當(dāng)前城市生活污水廠中的處理系統(tǒng)，在自控方面的水平不斷提升，技術(shù)體系趨于成熟，實(shí)際運(yùn)行中獲得了比較好的效果，為高效地處理城市生活污水提供了有力支持。但是在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布局、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面還存在一定的不足，造成自動(dòng)控制的效果受到了一定影響，影響了污水處理的實(shí)效性。因此，為了更加有效地開展污水處理工作，當(dāng)前有必要對(duì)處理廠中的電氣與自控設(shè)計(jì)中不足之處進(jìn)行分析，并且針對(duì)性地提出解決措施。這不僅是提升污水處理工作質(zhì)量和效率的重要舉措，同時(shí)也是確保進(jìn)一步完善我國(guó)城市污水處理廠自控體系和提升電氣自控水平的有效途徑。

1 城市污水處理發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，我國(guó)污水治理建設(shè)步伐不斷加快，每年都增加一定數(shù)量污水處理廠數(shù)量，與此同時(shí)，城市污水處理水平和能力也得到大幅度提高。但是，對(duì)于污水處理廠，我國(guó)實(shí)施的水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)又提出更高要求，必須使其排放的COD、BOD5、TP等水質(zhì)指標(biāo)滿足要求，然而考慮到早期建造的污水處理廠具有較低的脫氮除磷能力，所以其排放的水質(zhì)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。想要改變這一情況，就要對(duì)污水處理廠進(jìn)行升級(jí)改造，從而促進(jìn)其處理能力和處理效果的提高。

2 污水處理廠升級(jí)改造原則

為了使污水處理廠排出的水質(zhì)與國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求相符合，需要對(duì)污水處理廠工藝進(jìn)行改造，同時(shí)更新設(shè)備和材料，促進(jìn)污水處理效率和能力的提高，但是需要注意的是，應(yīng)以原有工程為基礎(chǔ)，不大改和擴(kuò)建污水廠。

通過全面深入研究污水處理廠實(shí)際情況，對(duì)比分析多種工藝方案，對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管控。盡量縮小改造后的工程量，使改造后工程運(yùn)行起來更加方便快捷，保障污水處理廠應(yīng)用先進(jìn)改造技術(shù)，并且具有較低運(yùn)行成本，運(yùn)行具有可靠性、節(jié)能高效等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用較少成本獲取較優(yōu)異效果目標(biāo)[1]。

3 污水處理廠升級(jí)改造思路

通常從改造設(shè)備、改造水力、改造工藝等三個(gè)方面出發(fā)，對(duì)污水處理廠進(jìn)行改造升級(jí)。當(dāng)前造成污水處理廠耗能較高的重要原因之一是其設(shè)備具有較低效率且相對(duì)陳舊，改造設(shè)備后就能夠提高其效率，降低能耗，節(jié)省能源，使其安全穩(wěn)定運(yùn)行。開展升級(jí)改造工作中，需要應(yīng)用高效設(shè)備，尤其是風(fēng)機(jī)、污泥處理設(shè)備、自動(dòng)化儀表控制、在線監(jiān)測(cè)等。改造水力是對(duì)構(gòu)筑物不均勻流量分配、溢流、短流等進(jìn)行穩(wěn)妥處理，能夠輔助設(shè)備和工藝進(jìn)行改造。

提高水質(zhì)的關(guān)鍵就是升級(jí)改造污水處理工藝，此方法應(yīng)用比較廣泛。第一，如果現(xiàn)狀進(jìn)水水質(zhì)與設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)情況不符合，可以將進(jìn)水預(yù)處理段增加進(jìn)來，借助將適量藥劑增加進(jìn)來，可以提高去除水中污染物的效率。第二，生物處理單元，對(duì)多種復(fù)合工藝進(jìn)行利用，使脫氮除磷能力得以提高。第三，深度處理單元，借助多種工藝的改造如混合、沉淀、過濾、氣浮、混凝等，使去除有機(jī)物和其他污染物的效率提高。如圖1 所示，觀察此污水工藝流程可知，處理工藝會(huì)直接影響最后排放的污水水質(zhì)，必須對(duì)其給予高度重視。

圖1 污水工藝處理流程

以處理程度為依據(jù)，可以將城市污水處理分為預(yù)處理、一級(jí)處理、二級(jí)處理、深度處理、污泥處理。預(yù)處理包括粗格柵、細(xì)格柵、沉沙池。一級(jí)處理包括初沉池，二級(jí)處理包括生物濾池、曝氣池和二沉池。深度處理通常將混凝沉淀和過濾作為常用工藝，主要目標(biāo)是對(duì)高標(biāo)準(zhǔn)受納水體要求或者特殊工業(yè)用途要求進(jìn)行滿足，這是未來城市污水處理發(fā)展主流趨勢(shì)。污泥處理包括消化、濃縮、脫水、堆肥和衛(wèi)生填埋。此次污水廠改造主要將缺氧變速生物濾池增加到除塵池和曝氣池之間，改造后的工藝流程具體包括出格柵、沉沙池、細(xì)格柵、除沉池、生物濾池、提升泵房、曝氣池、二沉池。

4 城市生活污水處理廠升級(jí)改造電氣與自控設(shè)計(jì)具體策略

工程概況：本次工程各種自控設(shè)備經(jīng)過多年運(yùn)行已經(jīng)出現(xiàn)老化等問題，其中中控電腦的使用情況已經(jīng)接近壽命期限，軟件也已經(jīng)被淘汰，無法與全新的設(shè)備相適應(yīng)。正常情況下該處理廠是利用中央控制級(jí)運(yùn)行、監(jiān)控等工作。按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際發(fā)展情況，現(xiàn)該廠需要升級(jí)改造，主要包括中控設(shè)備架構(gòu)、設(shè)備安裝地點(diǎn)改變、管線重新敷設(shè)、增加PLC通信模塊等。

4.1 電氣設(shè)計(jì)

（1）選擇變配電所地址。選擇變電所地址時(shí)，需對(duì)本工程附近環(huán)境和污水處理廠用電負(fù)荷情況進(jìn)行綜合考量，使變電所接近負(fù)荷中心與電源側(cè)，為運(yùn)輸設(shè)備和進(jìn)出線提供便利，防止在高溫環(huán)境或者劇烈震動(dòng)區(qū)域設(shè)置變電所。

（2）設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)。本工程中污水處理廠的主要用電設(shè)備包括攪拌機(jī)、進(jìn)水泵、消毒設(shè)備、鼓風(fēng)機(jī)等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，以相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)，需要將二級(jí)用電負(fù)荷應(yīng)用于污水處理廠中，適合將兩路電源供電引入城市電網(wǎng)中，將單母線分段接線方式應(yīng)用于開關(guān)柜中，在中間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，且此開關(guān)不自投。將兩個(gè)干式變壓器設(shè)置出來，分別用于供電、備用，控制負(fù)載率在75%，一旦有故障存在于其中一臺(tái)變壓器時(shí)，另一臺(tái)變壓器可以將全部負(fù)荷供電任務(wù)擔(dān)負(fù)起來。

（3）安全配電設(shè)置。將落地配電箱底部適當(dāng)抬高，控制在50mm，室外控制在200mm以上，防止配電箱中進(jìn)入老鼠等，同時(shí)對(duì)底座實(shí)施封閉操作。另外，有兩條母線與配電室相鄰，如果一級(jí)負(fù)荷存在于每條母線中，需將防火措施應(yīng)用于相鄰母線中。如果同一室內(nèi)有高低壓配電設(shè)備，就要將二者距離控制好，通常至少在2m。

（4）敷設(shè)電纜。在建筑物內(nèi)敷設(shè)電纜時(shí)應(yīng)用電纜橋和電纜溝。將分層分側(cè)布置方式應(yīng)用于對(duì)電纜和動(dòng)力電纜的控制中。開展敷設(shè)電纜穿管工作時(shí)，可以將備用管埋下一些，為日后線路維修和增容工作提供便利。應(yīng)用電纜手井方式開展敷設(shè)工作時(shí)，通常情況下具有較小線徑，同時(shí)擁有較少數(shù)量的敷設(shè)電纜數(shù)量。反之，具有較大線徑，較多電纜數(shù)量時(shí)，就要將電纜人井設(shè)置出來。可以將直埋、電纜溝等敷設(shè)方式應(yīng)用于城市污水處理廠，從變配電室將電纜引到室外。為使敷設(shè)效率得以提高，在開展土建工程施工工作時(shí)，必須將相應(yīng)尺寸孔位預(yù)留出來，使二次穿墻施工概率減少。有機(jī)結(jié)合室外電纜敷設(shè)與排水工程，將排水管線避開，將電纜溝排水工作做好。

（5）選擇設(shè)備。將具有較高可靠性、先進(jìn)性的設(shè)備選擇出來，并且遵守經(jīng)濟(jì)性、適用性原則。應(yīng)用的高壓開關(guān)柜為中置式金屬鎧裝置，主開關(guān)是真空斷路器。選擇干式變壓器，因?yàn)槠鋬?yōu)勢(shì)比較明顯，如優(yōu)良穩(wěn)定性、較高效率等。

（6）完善控制體系，實(shí)現(xiàn)全廠監(jiān)控。首先，技術(shù)人員在對(duì)電氣與自控展開設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要嚴(yán)格按照處理廠使用需求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)開展工作，樹立正確設(shè)計(jì)理念，秉持集中管理、分布控制的全新系統(tǒng)運(yùn)行理念，保證能夠通過完善設(shè)計(jì)提升處理廠的實(shí)際工作效率。想要真正提升人員的意識(shí)，不僅需要及時(shí)開展多樣化的培訓(xùn)工作，使其能夠合理地對(duì)電氣與自控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)也需要相關(guān)人員自身加強(qiáng)工作的責(zé)任心，使其能夠樹立正確的設(shè)計(jì)理念，從多個(gè)方面綜合地考慮系統(tǒng)需要。其次，需要對(duì)處理廠中現(xiàn)有的監(jiān)控體系進(jìn)行完善，完善對(duì)應(yīng)的制度，提升人員對(duì)于監(jiān)控工作的重視程度，保證監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中獲得的信息能夠得到充分利用，為完善設(shè)計(jì)提供一定支持。

4.2 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)硬件資源和PLC控制的人機(jī)系統(tǒng)組成了電氣自控系統(tǒng)。借助計(jì)算機(jī)，操作者能夠有效運(yùn)轉(zhuǎn)各個(gè)機(jī)器，同時(shí)將監(jiān)控參數(shù)提供給每臺(tái)設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能夠有效連接對(duì)象和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用采集系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中輸入相關(guān)信息，通過實(shí)時(shí)運(yùn)算后，使實(shí)時(shí)控制得以完成。將電氣自控系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理廠的目的是完成校驗(yàn)污水處理過程中參數(shù)的任務(wù)，從而使合理控制得以實(shí)現(xiàn)。PLC和VB是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要部分，負(fù)責(zé)自動(dòng)化控制的是PLC，負(fù)責(zé)將信息數(shù)據(jù)傳遞給PLC的是VB程序。

（1）設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)模塊和代碼。電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容主要包括石英砂過濾器自動(dòng)反沖系統(tǒng)、曝氣池濾池自動(dòng)反沖系統(tǒng)、主程序、變量及參數(shù)設(shè)計(jì)。通常情況所有子程序的總?cè)肟诙伎梢詰?yīng)用主程序，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)時(shí)需以具體需求為根據(jù)，適當(dāng)調(diào)整，使實(shí)用性增加，因此，為避免調(diào)整的繁瑣，通常在子程序中設(shè)置一般參數(shù)。大多數(shù)時(shí)候都不會(huì)改變中間變量，如果實(shí)際情況發(fā)生變化，為了滿足需求而改變時(shí)，就要大幅度調(diào)整整個(gè)程序，因此，在具體實(shí)踐中將其設(shè)置為一個(gè)子程序，一旦需要調(diào)整就比較方便。曝氣濾池和石英砂過濾器自動(dòng)反沖系統(tǒng)具有相對(duì)復(fù)雜性，究其原因，主要是為使整個(gè)過程的自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)，需要借助多個(gè)閥門控制電氣，而大多數(shù)閥門的開關(guān)操作都是借助小型電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)發(fā)出指令后，電動(dòng)機(jī)會(huì)向已定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在此期間，實(shí)現(xiàn)閥門指定目的，然而，這時(shí)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)容易損壞，這就需要給予重視，將具有限制的特定功能設(shè)置出來，即指令發(fā)出30s后自動(dòng)斷開電動(dòng)機(jī)電源，從而保護(hù)電動(dòng)機(jī)。

（2）設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)與功能。以集中控制原則為根據(jù)設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)，即結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)儀表和電氣設(shè)備，使整體監(jiān)控系統(tǒng)得以形成，能實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。應(yīng)用手動(dòng)控制，需要注意應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)控制箱與控制室的控制鍵盤；自動(dòng)控制僅僅應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)時(shí)，一般具有專門控制柜和監(jiān)視臺(tái)，這樣就能實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確記錄整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況的目的。實(shí)際工作時(shí)還要根據(jù)情況對(duì)其控制順序進(jìn)行調(diào)整。

（3）設(shè)計(jì)VB系統(tǒng)。第一，簡(jiǎn)單易懂是對(duì)操作界面提出的要求，這樣有利于讓操作員快速掌握方法與程序，有利于節(jié)省時(shí)間，提高操作效率。第二，操作員需要實(shí)時(shí)監(jiān)控所有設(shè)備，同時(shí)準(zhǔn)確記錄每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀況。第三，將設(shè)備故障和運(yùn)行記錄工作做好，將準(zhǔn)確參考依據(jù)提供出來，方便日后工作。

表1 電氣自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以本工程的城市污水處理廠系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)中可以采用由中央監(jiān)管計(jì)算機(jī)、PLC現(xiàn)場(chǎng)控制子站組成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其主要是由工業(yè)以太網(wǎng)為核心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將其連接在一起，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)信息交換、共享。系統(tǒng)一般由兩臺(tái)監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)構(gòu)成，各自分擔(dān)不同的功能，具備比較高的信息收集效率，能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的大量信息進(jìn)行收集和整理，以最快速度傳遞到相關(guān)人員面前，相關(guān)人員按照反饋的信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳的系統(tǒng)運(yùn)行模式。同時(shí)系統(tǒng)中也包括污水分析儀器、實(shí)時(shí)監(jiān)控儀器、水質(zhì)分析儀器等，多種設(shè)備結(jié)合在一起開展工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水處理的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和管理[2-4]。

5 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由圖2可知，100M工業(yè)以太網(wǎng)是整個(gè)污水自控系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)上有PLC1、PLC2、觸摸屏和工業(yè)計(jì)算機(jī)，它們之間具有獨(dú)立性，借助以太網(wǎng)開展通信工作。觀察DCS系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)可知，屬于現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)別的是PLC1和PLC2，分別位于預(yù)處理配電室、泵房；屬于監(jiān)控級(jí)別的是操作員站和泵房的觸摸屏操作終端；屬于管理級(jí)別的是工程師站，位于中央控制室。考慮到有大量電氣設(shè)備存在于現(xiàn)場(chǎng)，想要防止通信被外界干擾，將四芯多模光纖作為通信介質(zhì)，有兩芯備用。各個(gè)設(shè)備在以太網(wǎng)上的IP具體是：

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

工程師站：192.168.0.11

操作員站：192.168.0.12

現(xiàn)場(chǎng)操作終端：192.168.0.13

觸摸屏操作終端:192.168.0.23

以控制規(guī)則為根據(jù)，可以將控制系統(tǒng)分為三個(gè)層次，分別是現(xiàn)場(chǎng)就地控制PLC聯(lián)動(dòng)控制中央監(jiān)視，各層次功能是：第一，現(xiàn)場(chǎng)就地控制，借助現(xiàn)場(chǎng)電控柜開展控制工作，通過控制柜選擇開關(guān)行使相應(yīng)功能，用于緊急情況或者更換設(shè)備時(shí)，其控制權(quán)限最高。并且如果有故障發(fā)生于上位機(jī)PLC中， 同樣可以借助現(xiàn)場(chǎng)電控柜控制設(shè)備，防止停止生產(chǎn)導(dǎo)致?lián)p失產(chǎn)生。第二，PLC聯(lián)動(dòng)控制，可以將其劃分為自動(dòng)控制、手動(dòng)控制，如果PLC控制被選定為電控柜相應(yīng)設(shè)備的控制方式，PLC可以應(yīng)用相應(yīng)工藝開展控制工作，并且將采集水質(zhì)數(shù)據(jù)的工作完成，避免誤操作產(chǎn)生[5]。第三，中央監(jiān)控，借助網(wǎng)絡(luò)可以將PLC控制采集的儀表數(shù)據(jù)傳輸至中央控制室，中央控制室可以完成一些功能性操作，如記錄數(shù)據(jù)、處理報(bào)表、顯示全場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、打印、報(bào)警等。

7 結(jié)語(yǔ)

在城市生活污水處理廠電氣與自控設(shè)計(jì)工作中，需要嚴(yán)格地按照相關(guān)程序開展設(shè)計(jì)工作，明確設(shè)計(jì)中存在的不足，通過優(yōu)化總線布局、完善控制體系、提升維護(hù)效率等方式，保證設(shè)計(jì)的合理性和有效性。這樣不僅能夠保證系統(tǒng)與處理廠的實(shí)際情況相符，保證處理系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量，同時(shí)也可以真正有效提升污水處理的質(zhì)量和效率，為解決我國(guó)城市水資源短缺、促進(jìn)城市化進(jìn)程作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。