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污水处理系统电气控制系统设计
摘要
本文主要介绍了PLC在城市污水处理中的具体应用实例，系统设计了城市污水处理工艺流程和基于SIEMENS的S7—200系列PLC的污水处理实施方案，以及城市污水处理厂电气控制系统的方法。
为了提高污水处理厂的运行管理水平，PLC也成为了该系统的重要组成单元之一，在该系统中各单元按一定拓扑结构互相连接构成污水处理厂的控制系统。
结合污水处理厂自动化控制系统的运行情况，PLC对污水厂的进出水质等参数进行监控，同时控制水区及泥区的设备工作，当系统出现故障的时候系统能够自行报警。
设计包含了污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和PLC各工作站的功能、网络构成在污水处理中的应用，总结自动化控制系统对提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性发挥的良好效果。
关键词污水处理自动化控制系统PLC软件设计
Abstract
ThispaperdesignstheprojectofurbansewagedisposalwithPLC,whichisSIEMENSS7—200seriesandintroducesthemethodofurbanwastewatertreatment.Thepaperalsodesignsthemethodofsupervisesandcontrolintheurbanwastewatertreatmentplant.Inordertoimprovetheoperationmanagementlevelofthesewagetreatmentplant,PLChasbecomeoneoftheimportantcompositionunitsthatisthissystemtoo,everyEntranceformthecontrolsystemofthesewagetreatmentplantaccordingtocertaintopologicalstructureinterconnectionamongsystemthis.Combinetherunningsituationofthebenevolenceofoneandautomaticcontrolsystemofwastewatertreatmentplant,systemwillmonitorthewaterqualityoftheinandoutsewageandalsocontrolthewaterzoneandmirezone.WhenthesystemhassomethingwrongPLCwillgiveanalarm.Recommendtheequipmentofthesewagetreatmentplanttomakeup,automaticcontrolmethodandfunction,networkofPLCeveryworkstationformapplicationinsewagedisposal,summarizetheautomaticcontrolsystemtothegoodresultraisingproductionefficiency,reducingtheon-the-spotattendant,improvingsecurityfullplay.
KeywordsSewagetreatmentplantAutomaticcontrolsystemPLCSoftwaredesign
绪论
在我国，随着经济飞速发展，人民生活水平的提高，对生态环境的要求日益提高，要求越来越多的污水处理后达标排放。
在全国乃至世界范围内，正在兴建及待建的污水厂也日益增多。
有学者曾根据日处理污水量将污水处理厂分为大、中、小三种规模：
日处理量大于10万m3为大型处理厂，1-10万m3为中型污水处理厂，小于1万m3的为小型污水处理厂。
近年来，大型污水处理厂建设数量相对减少，而中小型污水厂则越来越多。
如何搞好中、小型污水处理厂，特别是小型污水厂，是近几年许多专家和工程技术人员比较关注的问题。
我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的1/4。
而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。
因此近些来，我国的城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。
与此同时，水资源的污染却日益严重，也因此许多城市都规划和建设了水污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。
随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂必然是向着高度自动化和无人职守的方向发展。
目前，PLC在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使PLC成为在城市污水处理自动化方面的首选。
第1章污水处理工艺流程
1.1污水处理工艺的选用原则
在污水处理工程的设计中，方案的选择具有极其重要的地位。
在进行方案的规划时，污水处理工艺的优化原则将是工程界面临的首要问题。
一般来说，污水处理工艺的选择有一下几个原则：
（1）技术合理。
重视工艺所具备的技术指标的先进性，同时必须充分考虑适合中国的国情和工程的性质。
工艺的选择更注重成熟性和可靠性，以降低技术的风险，保证其长远的经济效益。
（2）经济节能。
节省工程投资是污水处理厂建设的重要前提。
合理确定处理标准，选择简洁紧凑的处理工艺，尽可能减少占地，同时，必须充分考虑节省电耗和药耗。
（3）易于管理。
必须考虑到我国现有的运行管理水平，尽可能做到设备简单，维护方便，适当采用可靠实用的自动化技术。
应特别注重工艺本身对水质变化的适应性及处理出水的稳定性。
事实上，任何一种工艺总是有利有弊，关键在于其适用性。
在工程实践中应具体情况具体分析、因地制宜、综合比较，做出优化选择。
1.2对工艺流程的阐述
目前，污水处理的主导工艺有AB法和SBR法。
（1）AB工艺法。
AB法是吸附——生物降解工艺（AdsorptionBiodegradation）的简称。
该工艺将曝气池分为高、低负荷两段，各具有独立的沉淀和污泥回流系统。
A段（高负荷段）停留时间为20～40min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除生物化学需氧量（BOD）达50%以上。
B段（低负荷段）与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。
AB法A段效率高，并具有较强的缓冲能力。
B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。
对于高浓度的污水处理，AB法具有很好的适用性，并具有较高的节能效益。
尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。
但是，AB法污泥产量较大，A段污泥有机物含量极高，污泥后续稳定化处理是必须的，这将增加一定的投资和费用。
此外，由于A段去除了较多的BOD，可能会造成碳源不足，难以实现脱氮工艺。
对于污水浓度较低的场合，B段运行较为困难，也难以发挥优势。
目前有仅用A段的做法，效果好于一级处理。
作为过度型工艺，AB法在性价比上有较好优势，一般用于排江、排海场合。
（2）SBR工艺。
SBR法是序批式活性污泥法（SequencingBatch-FlowReactorActivatedSludgeProcess）的简称，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。
它的原理是通过微生物的活动来净化污水。
它与传统的活性污泥法工艺相同，只是运行方式不同。
SBR工艺的应用起始于20世纪初，由于人工管理的困难和繁琐未推广应用。
这种工艺集进水、曝气、沉淀在一个池子中完成。
污水处理系统一般由多个池子构成一组，各池工作状态轮流交换运行，单池由滗水器间歇出水。
该工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上的分布改为时间上的分布，形成一体化的集约构筑物，并有利与实现紧凑的模块布置，最大优点是节省占地。
此外，这种工艺也有利于减少污泥回流量，有节能效果。
在此基础上，SBR又发展演变了CASS和CAST等工艺，在除磷脱氮及自动控制等方面有新的特点，大大丰富了SBR工艺的内容。
SBR工艺的优点有：
①SBR工艺流程简单、管理方便、造价低。
SBR工艺只有一个反应器，不需要二沉池，不需要污泥回流设备，一般情况下也不需要调节池，因此要比传统活性污泥工艺节省基建投资30%以上，而且布置紧凑，节省用地。
由于科技进步，目前自动控制已相当成熟、配套。
这就使得运行管理变得十分方便、灵活，很适合小城市采用。
②处理效果好。
SBR工艺反应过程是不连续的，是典型的非稳态过程，但在曝气阶段其底物和微生物浓度变化是连续的（尽管是处于完全混合状态中），随时间的延续而逐渐降低。
反应器内活性污泥处于一种交替的吸附、吸收及生物降解和活化的变化过程之中，因此处理效果好。
③有较好的除磷脱氮效果。
SBR工艺可以很容易地交替实现好氧、缺氧、厌氧的环境，并可以通过改变曝气量、反应时间等方面来创造条件提高除磷脱氮效率。
④污泥沉降性能好。
SBR工艺具有的特殊运行环境抑制了污泥中丝状菌的生长，减少了污泥膨胀的可能。
同时由于SBR工艺的沉淀阶段是在静止的状态下进行的，因此沉淀效果更好。
⑤SBR工艺独特的运行工况决定了它能很好的适应进水量、水质波动。
SBR法虽然工艺优势明显，但对于自动化控制要求很高，需要大量的电控阀门和机械滗水器，稍有故障将不能运行，目前一般引进全套进口设备。
由于一池有多种功能，所以对曝气头的数量、鼓风机的能力、池子总体容积等要求较高。
另外，由于滗水深度通常有1.2～2m，出水的水位必须按最低滗水水位设计，故总的水力高程度较一般工艺要求高1m左右，能耗有所提高。
对于单一的SBR反应器需要较大的调节池，对于多个SBR反应器，进水和排水的阀门自动切换频繁。
污水处理时，先要流经格栅。
一般要设置粗细两道格栅，间距在16～25m，主要用来清除污水中的大块粗粒悬浮物质及杂质。
在沉砂池中，密度较大的无机颗粒，如砂子、煤渣被分离并进行相应处理。
SBR反映池是整个工艺的核心部分，SBR法工艺处理周期一般由进水、反应（曝气）、沉淀、滗水和闲置五个过程组成，反应期间要保证一定的曝气量，需要的活性污泥一般情况下为定量，剩余污泥则排向污泥池。
净化后的水由滗水器滗出，加氯后排入自然水体。
贮泥室的多余污泥脱水后外运，进行深埋或投海处理。
本项目拟采用SBR工艺，其处理水质好、系统效率高、占地省、自控运行，特别适用于中小型污水处理厂。
近些年来，由于微机在自动化方面的广泛应用及在线溶解氧测定仪、液位计等高精度但对过程控制比较经济的水质检测仪表的普及，SBR工艺以其独特的优势在近年来得以迅速推广，称为世界上污水处理技术中应用最为广泛的工艺技术。
首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼如图1-1、1-2所示。
图1-1工艺流程详图
图1-2工艺流程简图
1.3主要设备的组成及控制方式
1.3.1主要设备
活性污泥法的曝气方式可分为两大类：
鼓风曝气及机械曝气两大类。
鼓风曝气系统的主要设备是鼓风机及扩散系统。
小污水厂的鼓风机一般采用罗茨风机及小型离心风机。
分散系统一般采用微孔曝气器。
但必须是适应于间歇曝气的运行方式。
鼓风机往往安装在SBR池旁边，以减少管路系统的造价。
由于污水厂较小，一般不设鼓风机房，仅在鼓风机上设罩棚。
这主要适用于厂矿企业内的污水处理厂，不严格控制噪音的情况。
如果污水厂毗邻生活小区，若采用鼓风曝气则必须建鼓风机房，同时还要有相应的降噪措施，这样情况下宜采用机械曝气方式。
（所选设备名称及参数如表1-1）
表1-1设备名称及参数
序号
设备名称
数量
技术参数
1
污水提升泵
3
P=55KW流量600m
/h
扬程20m
2
粗、细格栅机
8
P=1.5KW，V=380V，I=3.7A
3
罗茨鼓风机
3
P=55KW，风量30m
/min
压力0.6Mpa
4
搅拌器
12
P=3.8KW，V=380V，I=7.2A
5
吸、刮泥机
8
P=0.37KW，V=380V，I=1.2A
6
污泥提升泵
3
P=54KW，V=380V，I=9.4A
7
投药泵
2
P=0.63KW，V=220Δ/380Y
8
脱水机
2
P=2.2KW，V=220Δ/380Y
9
电磁流量计
13
OUT:
4~20mA，DN:
350，DN:
600，DN:
1000
10
污泥浓度计
4
0~20mA，0~5000PPM
11
溶氧仪
10
0~20mA，0~5mg/L
12
循环泵
2
P=20W流量20L/min扬程5m
13
电磁隔膜计量泵
3
CONCEPT型流量0～2.3（L/h）
功率24W
1.3.2设备控制方式
污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC控制方式和微机控制方式。
目前，以MCC控制为基础，PLC控制为主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。
1.4 粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制
粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。
远程控制模式由PLC和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：
（1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到PLC控制器，进行分析计算。
当液位差超过预设的数值，控制格栅运行；
（2）时间设置控制方式，在上位机的INTERACT组态软件中设置格栅机运行时间和停机时间，经PLC控制器的程序运算指挥MCC对格栅机进行控制。
提升泵运行控制以远程控制为主。
某污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设有一个PLC工作站与厂内主站联络如图1-3所示。
厂内
PLC
主站
图1-3各子站联络图
为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个PLC工作站分别担负各泵站的设备控制、设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。
根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵的运行组合。
这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。
1.5沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制
砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。
生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过PLC控制。
生化池好氧区的DO计、MLSS计（污泥浓度计）、ORP计（氧化还原电位计）、空气调节阀和罗茨鼓风机是污水处理的重要设备。
曝气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。
该系统控制思路：
PLC通过对DO的检测，自动调节空气阀的开度；当检测到空气阀的调节不能满足DO的需要时，再着行调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）；PLC检测DO计、MLSS计、ORP计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度等状况，及时调整工艺控制。
1.6脱水机房的控制
脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。
污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混合后，污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。
设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。
该系统流程控制原理图如图1-4所示。
图1-4污泥脱水系统流程控制图
脱水机系统的联动控制时序：
条件：
各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。
启动：
皮带输送机运转带式脱水机运转投药泵运转污泥泵运转。
停机：
控制顺序与启动顺序相反。
时间：
根据实际的运行状况，可在PLC中设置各设备联动间隔时间。
1.7PLC控制系统
污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。
PLC控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。
1.7.1PLC控制系统的基本构成及功能
污水处理厂PLC控制系统由两台计算机、8个现场控制站、工艺仪表、电量变送器构成。
8个现场控制站用于控制现场设备、采集动态工艺参数和设备工作情况。
现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。
本控制系统由8个现场控制站组成。
它们分别位于：
厂外1#泵站；厂外2#泵站；厂内中心控制室；厂内低压电房；鼓风机房（3个站）；脱水机房。
1#工作站和2#工作站与厂内主工作站的距离较远，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和A1SJ71UC24通信模块进行泵房设备控制和数据传输。
网络控制分布图如图1-5所示。
图1-5全厂网络控制图
1.7.2网络结构
污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ringtopology）和星形拓扑形式（startopology）两种总线网络形式构成。
1.7.3上位机组态功能
（1）控制操作：
在中控室里采用2台IBM90和INTERACT组态软件开发的工控程序能对全厂和2个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站PLC的参数进行设定和修改，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。
设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。
（2）显示功能：
用设计方法生成图形，实时地、集中地显示被测参数所处的变化过程。
对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显示。
数据处理及管理：
操作记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。
报警功能：
当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警、屏幕报警。
（3）报表功能：
分成年度、月度、日班报表及运行参数报表。
如：
污水处理量、加药量、耗电量等。
（4）打印功能：
各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。
由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。
有专家统计，采用渠道输配水的污水处理厂的水头损失要比管道输配水的小2-3m。
对于采用SBR法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与SBR池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放场合建。
这样，在常规的设计中，小型污水厂内至多有三个主要的处理单元：
辅助生产区（含办公、变配电及总控等）水处理单元、泥处理单元。
有时泥处理和水处理单元也可合建。
由于方便输配水，各构筑物采用了合建方式，在设计时应注意距离较近的构筑物的基础处理，埋深上尽量接近。
通过连接构筑物的渠道应做沉降缝。
多座反应池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回阀连接的方式，这样不仅减少了设备的维护管理，而且没有阀门堵塞的问题。
在小型污水处理厂内多采用类似策略，可以大大节省工程费用，方便维护管理。
1.8 系统构成及其布局
根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个PLC分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。
具体控制分为:
（1）现场控制，设现场箱或按钮站，由“现场/遥控”转换控制状态，“现场”设点动按钮，用于调整和检修。
（2）各开关柜（包括:
10kV进线柜、0.4kV进线柜等），由“自动/停止/手动”转换控制状态，“手动”设启/停按钮，用于手动操作。
（3）分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。
（4）总站主机控制，多为计算机监控管理系统，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。
监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、2个PLC工作站和现场一次设备。
通信网络采用西门子的过程现场总线标准（Profibus），它为分布式I/O站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量数据内部交换的接口通信协议采用SINECL2，该协议遵从DIN19245标准。
L2-DP适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。
所以本系统可以快速的采集和处理由PLC所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。
第2章污水处理中的PLC
2.1概述
2.1.1设计范围
设计包括厂界内预处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。
2.1.2PLC设计综述
实用性：
PLC系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，设备和系统应符合实际要求。
可靠性：
污水处理厂的生产过程要求PLC控制系统具有连续可靠性。
经济性：
PLC系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较。
先进性：
网络技术、信息技术、PLC控制技术发展迅速。
根据某污水处理厂的设计规模和BAF生物滤池工艺的特点，本着技术先进，性价比高，适用可靠的原则进行设计。
依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统,在中央控制室利用PC（工业级PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程PLC采用就地独立控制。
从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层：
设备就地手动、PLC子站现场监控和中控室远程监控如图2-1所示。
在综合楼设立中央控制室，下设2#预处理PLC子站，3#BAF生物滤池PLC子站和4#污泥处理PLC子站等共7个现场处理子站。
在中央控制时可对主要设备实施开、停控制。
同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行监控。
中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理PLC成以太信息网络相连接，并设置厂长
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