電氣自動化技術在水處理過程中的應用

【關鍵詞】電氣自動化技術；水處理；PLC

前言

隨著電氣自動化技術水平不斷提高，其在水處理領域也得到了廣泛應用，但是處理水平還需要進一步提高，深度自動化仍然是水處理領域未來重要的發(fā)展方向。將電氣自動化技術融入水處理工作中，并選用與之相匹配的處理設備，以此提高處理效果并降低人力物力消耗，這對推動污水治理與城市可持續(xù)發(fā)展而言具有重要的現實意義。

一、電氣自動化技術在水處理過程中的應用優(yōu)勢

當前各行業(yè)生產過程中應用電氣自動化技術，能夠大幅提高工作效率與自動化水平，即使沒有人工直接參與到生產中，也能利用信息控制系統(tǒng)，對每一個環(huán)節(jié)的工作進行控制，從而實現自動化生產。在水處理過程中合理運用電氣自動技術能夠實現自動控制水處理環(huán)節(jié)，并使用儀表自動采集有關的各項數據，精確地控制設備運行時長以及化學藥品用量[1]。當水處理發(fā)生異常時，工作人員無需進入現場，只需通過控制電氣自動化系統(tǒng)，便可掌握水處理設備的工作狀態(tài)，并據此對其運行做出相應調整。電氣自動化系統(tǒng)還具備監(jiān)控與報警功能，一旦檢測到水處理出現異常便可及時將消息發(fā)送到管理人員移動終端上，這種自動化方式能夠降低人力資源成本，又能夠隨時發(fā)現問題并及時解決，在水處理過程中具有良好應用效果。

二、水處理技術與工藝流程

（一）水處理技術選擇

首先要根據出水水質要求來確定污水的處理等級，然后再進行二次強化處理，以避免水體富營養(yǎng)化，強化除磷。工業(yè)廢水可采用管網收集，通過粗格柵入流調節(jié)，這樣能排出水中的部分膠體和懸浮物，達到水質的平衡。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需氧問題。在缺氧池與好氧池中的填料既能保證優(yōu)勢菌群的生長，又能促進有機物持續(xù)溶解，又能使氨氮元素硝化與反硝化反應更具活性。活性污泥法和生物膜法在強化有機物溶出效果的同時，還能強化有機物的溶解作用，從而達到強化脫氮的目的。

（二）水處理工藝流程

污水先進行物理清洗，后進入脫鹽池、氧化溝，再經過生物藥化處理。凈化后的污水進入沉淀池，利用刮泥機對污水進行物理沉淀處理[2]。利用大分子助凝劑強大的吸附性能，進一步處理污水，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，通過脫水器分離出污泥，并將分離后的泥餅與清水分開處理。

三、基于電氣自動化技術的水處理系統(tǒng)硬件設計

（一）PLC系統(tǒng)選型

PLC控制就是用程序邏輯對設備進行控制的手段。隨著電氣自動化技術的發(fā)展，相對于其他控制方法而言，PLC控制能夠有效地提高自動化技術在實際應用中的使用效果。PLC控制具有網絡通信功能，從而確保自動化生產順利運行。將PLC控制運用到水處理中，可以發(fā)揮電氣自動化技術的優(yōu)勢，為電氣設備運行提供技術支持，PLC技術可靠性較高，可以提高自動化系統(tǒng)反應速度，確保各環(huán)節(jié)運行效率[3]。PLC系統(tǒng)能夠大幅簡化污水處理過程，污水處理效率大大提高，選擇機型時，應根據系統(tǒng)的功能需求，而非盲目地追求高功率和高性能。根據污水處理工藝要求，系統(tǒng) I/O點最大值為225，程序長度在8 KB左右。本系統(tǒng)選用西門子S7—200系列，它能實現較復雜的控制功能，具有很高性價比。

（二）電動機的選型

污水處理系統(tǒng)將采用多臺電機，y系列三相異步電動機，防護采用IP44，冷卻采用IC411方式，該系列設備高效節(jié)能，噪音小，使用方便。超聲液差計是一種數字化、人性化的液位差計，它具有先進的液位測量和控制、數據傳輸和信息交換等功能，不需要直接接觸就能獲取檢測數據，從而提高處理流程自動化水平。

（三）儀器儀表選擇

污水處理工藝復雜，設備種類繁多，應根據實際情況選擇適當型，除了具有靈敏測量功能外，還必須具備對被控對象狀態(tài)進行全方位監(jiān)測的能力。電氣自動化控制系統(tǒng)不僅能夠記錄污水處理設備狀態(tài)，而且還能夠將設備工作電流、控制系統(tǒng)中關鍵部件的工作狀態(tài)數據都記錄下來，根據設備的實際運行情況，實時地對參數進行分析和調整。污水處理過程中的模擬信號經傳感器傳輸至變送器，變送器將采集到的模擬量轉化為數字量，再送至PLC的輸入端。在主要廢水處理過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的交流電作為進線電源，電源電路圖如圖1所示。變頻器，水泵及其他現場用電均采用380VAC電源，PLC的主從兩個獨立的24V直流供電是用一個獨立的24V直流供電，傳感器、電磁閥等也是用24V直流供電。

四、基于電氣自動化技術的水處理系統(tǒng)軟件設計

（一）PLC控制系統(tǒng)軟件設計

由于儀器設備種類繁多、結構復雜，若采用人工觀察，不但效率低下，而且觀察效果不佳，因此采用電氣自動化技術完成數據檢測環(huán)節(jié)。下位機負責采集全系統(tǒng)的水位、pH值、含氧量和流量數據，是整個系統(tǒng)的中心部分，也是電氣自動化技術主要應用環(huán)節(jié)[4]。在進行PLC設計的時候，首先要對系統(tǒng)進行分析控制需求，確定系統(tǒng)總體配置，再分配，接著編制流程圖，編制相應的程序，當系統(tǒng)符合要求時，繼續(xù)調試程序，如果不滿足要求，則需要進行機型更換。例如，污水處理系統(tǒng)中粗、細格柵除污機工作流程圖如圖2所示。

（二）遠程控制系統(tǒng)軟件設計

利用上位機與各系統(tǒng) PLC控制單元之間的數據總線通訊，實現了對各個污水處理廠運行狀態(tài)的快速、全面監(jiān)控。既能有效地提高污水處理效率，又能使處理出水達到質量標準。遠程控制系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

中央控制室通過遠程控制系統(tǒng)實現遠程監(jiān)控，建立遠程控制系統(tǒng)的目的是讓工作人員實時了解水處理各環(huán)節(jié)運行情況，能夠遠程監(jiān)控設備運行狀況，減輕人工監(jiān)控負擔。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、氧化溝反應池的液位、pH值、氧含量、清水流量等數據信息，并將重要的信息存儲在計算機中，以便以后工作需要分析[5]。分區(qū)與流域控制可分為手動與遙控兩種，遠程遙控模式有PLC與顯示器兩種實現方式，自動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，超聲波差壓計自動采集液位參數，由遠程控制系統(tǒng)對其進行記錄，將所記錄的數據信息與歷史數據相比較，得出液位差信息。當測量到的液位差值超過設定值時，上位機發(fā)出報警信號。

（2）pH值信息采集。傳感器收集除沙池和氧化池的數據信息，并轉化為數據模型，通過變送器將其傳輸到顯示屏上，系統(tǒng)自動對數據進行分析，當數據超出規(guī)定的范圍時，由上位器及時報警。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。由于硝化反應需要堿性環(huán)境，在pH值下降超過6.5的時候，污水中的堿性不足會影響硝化菌的生長與繁殖，此時設備可實現自動補充堿性。

（3）溫度信息采集。傳感器可對氧化池溫度進行實時采集，并將數據傳輸到顯示屏上，方便調整。溫度對硝化細菌和反硝化細菌的生長都有影響，硝化反應一般在20-30℃溫度條件下進行。在冬季低溫條件下，反硝化菌的活性也會受到影響，當監(jiān)測到溫度下降時自動添加 COD有機原水來作為額外補充的碳源，加速硝化反應，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，設備根據采集的溫度信息變化適度減少碳源供給，達到系統(tǒng)的反硝化需要。

五、電氣自動化技術在水處理過程中的應用發(fā)展

在污水處理系統(tǒng)中，降低投資是工藝設備的首要問題。根據實際污水處理工藝的要求和廢水的實際情況，選擇最合適的工藝，如能源消耗等。特別是鼓風機、提升泵等高能耗設備，要根據實際情況，認真思考，合理選擇設備型號，以確保最大限度地降低能源消耗，實現節(jié)能。在供電網和配電網絡中，要合理選擇變頻器，采用變頻調速技術，提高供電網和配電系統(tǒng)的節(jié)能效果。在城市污水處理廠電氣設計中，采用具有較強節(jié)能特性的變頻調速裝置，可根據流體力學原理，調節(jié)電能流量與設備轉速間的關系，達到保證電能質量，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備，選擇智能變頻調速裝置，在運行過程中能夠自動調節(jié)電流，達到節(jié)能的目的。

結論

水處理智能化電氣控制系統(tǒng)是未來水處理的主要發(fā)展方向。根據污水處理站的規(guī)模以及設備情況，合理運用以PLC技術為代表的電氣自動化技術，能夠保障處理站的所有設備以及儀表都能夠穩(wěn)定運行。應用電氣自動化技術可以實現自動進行故障預警，降低設備處理成本，提升設備運行效率，最終使水處理效率大幅提高，同時也降低人力資源成本與能源消耗。