曾繁明

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211106）

近年來，我國中小城市發(fā)展迅速，城市生活污水量不斷增大。污水處理不好會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。江蘇省某縣污水處理廠日處理污水2×104m3，處理標(biāo)準(zhǔn)為一級A，采用循環(huán)式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge System，CASS）污 水 處 理 工 藝。CASS污水處理工作分為曝氣、沉淀和排水3個階段。使用CASS處理污水的過程中會周期循環(huán)進(jìn)行上述3個階段，同時由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）構(gòu)成的控制系統(tǒng)在運行過程中監(jiān)測進(jìn)水水質(zhì)，根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)和污水處理工藝，對污水處理設(shè)備和處理過程進(jìn)行控制和監(jiān)測，使得出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，同時降低運行費用，保障污水處理設(shè)備始終處在高效、安全的工作狀態(tài)。

1 CASS污水處理工藝流程

該污水處理廠廠內(nèi)主要污水處理設(shè)施有粗格柵及提升泵房、細(xì)格柵及沉砂系統(tǒng)、CASS池、鼓風(fēng)機房、污泥濃縮池以及污泥脫水機房等[1]。污水通過粗格柵進(jìn)入提升泵房。泵房內(nèi)配置3臺潛污泵，2用1備。泵房上方設(shè)計有1臺電動起重機，可在安裝及檢修時提升潛污泵。污水經(jīng)潛污泵提升至格柵處過濾后再到沉砂池，經(jīng)過吹砂機、砂水分離器后進(jìn)入CASS池。CASS反應(yīng)池集曝氣、沉淀為一體，末端設(shè)置有1臺旋轉(zhuǎn)式不銹鋼潷水器。潷水器的出水經(jīng)過集水井流入消毒池。反應(yīng)池內(nèi)部設(shè)置水下攪拌器，滿足池內(nèi)污水脫氮除磷的要求。根據(jù)CASS池曝氣量的需求，鼓風(fēng)機房內(nèi)設(shè)有3臺鼓風(fēng)機，2用1備。機房上方設(shè)計有1臺電動單梁懸掛式起重機，便于鼓風(fēng)機的安裝及日常維護(hù)保養(yǎng)。紫外線消毒燈管設(shè)置于出水槽的前端，采用機械式自動清洗裝置進(jìn)行日常清洗。CASS池產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)入污泥濃縮池，濃縮產(chǎn)生的上清液經(jīng)管道送回提升泵站的集水井，沉淀產(chǎn)生的污泥則由污泥泵輸送到污泥脫水機房。機房內(nèi)采用2臺帶式脫水機，1用1備。污泥在帶式脫水機內(nèi)經(jīng)過多道壓榨脫水后，通過螺旋輸送機直接送至裝料車間的污泥運輸專用車斗內(nèi)外運。脫水機房內(nèi)還配有空氣壓縮機和絮凝劑添加設(shè)備。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

污水處理廠自動控制系統(tǒng)采用集散式控制方式。現(xiàn)場控制站盒監(jiān)控計算機經(jīng)由通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)就地手動控制、遠(yuǎn)程遙控控制和自動控制，其中就地手動控制的優(yōu)先級最高。現(xiàn)場控制柜上設(shè)置“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)，當(dāng)選擇“就地”方式時，可以通過控制柜上的按鈕對設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂啤．?dāng)選擇“遠(yuǎn)程”方式時，通過PLC控制站控制設(shè)備。操作人員在PLC控制站的操作面板上選擇“手動”方式，可以用鍵盤對設(shè)備進(jìn)行檢修操作，也可通過操作面板或操作站監(jiān)控畫面選擇“遙控”方式，對設(shè)備進(jìn)行啟/?？刂啤．?dāng)現(xiàn)場控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式且“自動/遙控”設(shè)定為“自動”方式時，PLC完成對設(shè)備運行的自動控制，不需要人工干預(yù)[2]。

中控室設(shè)在污水處理廠的綜合樓內(nèi)，監(jiān)測、控制、管理污水處理的全部工藝過程。監(jiān)控管理機采用工業(yè)控制計算機，配置1臺故障打印機和1臺高清晰度投影儀，動態(tài)顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)、主要設(shè)備的狀態(tài)、電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)、各種報表以及數(shù)據(jù)曲線等內(nèi)容。中控室可直接控制緊急排放、配水閘門等全廠運行調(diào)度的設(shè)備，主要負(fù)責(zé)運行調(diào)度、參數(shù)分配和信息管理，一般不直接參與設(shè)備控制。中控室通過網(wǎng)絡(luò)對控制層的PLC分配運行控制目標(biāo)，由PLC控制站完成對工藝設(shè)備等被控對象的控制管理。中控室也可以禁止某臺設(shè)備投入運行，同樣由PLC控制站執(zhí)行中控室指令。PLD 控制站控制禁止投入的設(shè)備退出運行，同時將圖標(biāo)變?yōu)榛疑瑯?biāo)記為設(shè)備不可用。系統(tǒng)配有2臺監(jiān)控管理機，互為備用。如果其中一臺出現(xiàn)故障，另一臺不受影響，能實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)的高可靠性?？刂葡到y(tǒng)采用10/100 Mb/s工業(yè)以太網(wǎng)，通過光纖、交換機將各個現(xiàn)場控制站、中控室操作站、化驗室操作站以及變電站綜合保護(hù)系統(tǒng)等連接起來，構(gòu)成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

控制層是實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的關(guān)鍵?？刂茖拥腜LC通過控制程序?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)的采集，執(zhí)行來自管理層的指令。PLC采用羅克韋爾自動化公司的SLC 500，根據(jù)控制功能和控制點數(shù)進(jìn)行配置，共設(shè)置了配電間PLC工作站和脫泥車間PLC工作站2個控制站，采用中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊SLC-5/05、模擬量輸入模塊1746-NI8/NI16、模擬量輸出模塊1746-NO4I、開關(guān)量輸入模塊1746-IV32/IV16和開關(guān)量輸出模塊1746-OW16?？刂普竞蜕衔粰C通過光纖以太網(wǎng)相連，控制網(wǎng)絡(luò)采用基于Ethernet的用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）通信協(xié)議。1#PLC控制站設(shè)在濾格配電中心，負(fù)責(zé)的測控管理區(qū)域為鼓風(fēng)機房、厭氧池、氧化溝、回流及剩余污泥泵房、沉淀池集配水井、工廠進(jìn)水、粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、旋流沉砂池、泵房配電間以及總變配電室，主要控制中間提升泵房設(shè)備、濾格閥門、風(fēng)機、反沖泵、進(jìn)水、反沖洗過程、回流、剩余污泥泵以及二沉池吸掛泥機等，并采集以上工段的儀表信號、出水流量、反沖洗流量和回流污泥流量計信號[4]。2#PLC控制站設(shè)在加藥間，負(fù)責(zé)的測控管理區(qū)域為消毒池、加藥及消毒控制間、污泥脫水機房以及監(jiān)測控制室等，主要監(jiān)控預(yù)處理段設(shè)備的運行情況、氧化溝上設(shè)備的運行情況、預(yù)處理段儀表及氧化溝儀表以及脫水機運行情況等。部分工藝設(shè)備自帶控制單元，通過接口與所在區(qū)域的PLC相連。

現(xiàn)場儀表選用精度適宜、穩(wěn)定可靠、免維護(hù)的數(shù)字式、智能化儀表?，F(xiàn)場轉(zhuǎn)換器帶數(shù)字顯示。水質(zhì)分析儀表配備自清洗裝置。此外，還有連續(xù)非接觸式雙通道超聲波水位差計、玻璃復(fù)合電極、內(nèi)置溫度傳感器的pH/溫度檢測儀、覆膜式濁度或懸浮物濃度儀、熒光法原理測量溶解氧測量儀、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）測量儀（投入式，紫外光測量，無須任何藥劑）以及電磁感應(yīng)測量污泥/污水流量的電磁流量計。現(xiàn)場各類設(shè)備的運行狀態(tài)、各儀表參數(shù)等數(shù)據(jù)由PLC通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街锌厥夜芾頇C予以存儲及顯示。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 PLC控制程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用RSLogix500。RSLogix500是針對SLC 500系列PLC的基于Windows的梯形圖邏輯編程軟件包，可根據(jù)污水處理工藝流程開發(fā)設(shè)計控制程序。

3.1.1 格柵自動控制

格柵前后水位差閾值由水位差測量儀檢測，通過信號送入PLC，然后PLC輸出自動控制機械格柵的啟動和停止。當(dāng)機械格柵長時間停止運行超過設(shè)定的時間值時，系統(tǒng)按時間表控制，自動啟動機械格柵。自動模式下，PLC按程序自動控制柵渣輸送機的起停、機械格柵的起停以及安全聯(lián)鎖保護(hù)。水位差設(shè)定值、格柵的運行時間及格柵運行周期均可調(diào)整。

3.1.2 泵組自動控制

根據(jù)物位測量儀的檢測值自動控制多臺泵組的輪值運行。當(dāng)物位升高至某一設(shè)定值時，自動增加泵的運行臺數(shù)；當(dāng)物位降低到某一設(shè)定值時，逐臺減少運行水泵的臺數(shù)。此外，物位測量儀自動累積各水泵的運行時長，根據(jù)不同時長自動輪換備用泵，保障各泵的累積運行時間大致相同。當(dāng)有泵出現(xiàn)故障時，故障泵會自動切出自動控制程序；當(dāng)物位降到干運轉(zhuǎn)保護(hù)位置時，系統(tǒng)可自動停止全部泵的運行，以保證各泵的安全。

3.1.3 旋流沉砂池系統(tǒng)的控制

污水以一定的流速切向進(jìn)入沉砂池，在重力和離心力的共同作用下，比重較大的砂礫會沉降到池底的集砂槽，待攪拌器啟動槳葉旋轉(zhuǎn)后形成一個軸向渦流排出污水。在自動運行模式下，控制器定時啟動攪拌器，使得攪拌葉輪連續(xù)運行進(jìn)行排砂，同時聯(lián)動控制砂水分離器等設(shè)備。排砂管道上設(shè)置固體密度傳感器，根據(jù)檢測值控制排砂過程和排砂量。如果固體密度傳感器的輸出低于某一數(shù)值，意味著沉砂已基本排盡，這時會自動關(guān)閉排砂泵，并順序關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。

3.1.4 曝氣量的自動調(diào)節(jié)

設(shè)計采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測生物池的溶解氧和生物池空氣管的流量。這兩個檢測值通過模擬量輸入模塊輸入PLC，通過運算形成一個控制量來調(diào)節(jié)空氣管上的電動調(diào)節(jié)閥和進(jìn)氣量。溶解氧值可以在控制中心或現(xiàn)場控制柜的操作屏上進(jìn)行設(shè)置。

3.1.5 鼓風(fēng)機壓力自動調(diào)節(jié)

根據(jù)設(shè)定的溶氧值控制鼓風(fēng)機的運轉(zhuǎn)臺數(shù)和轉(zhuǎn)速。鼓風(fēng)機是二次方率負(fù)載，消耗的功率與轉(zhuǎn)速的三次方近似成正比?？諝饬髁亢娃D(zhuǎn)速成正比，在滿足空氣需求量的前提下，降低轉(zhuǎn)速可節(jié)省能耗?？諝鈮毫娃D(zhuǎn)速成正比，壓力控制和曝氣量調(diào)節(jié)相互之間有影響，通過模糊算法控制，可使處理過程處在最佳狀態(tài)[5]。

3.1.6 污泥回流量自動調(diào)節(jié)

根據(jù)生物池進(jìn)水量的多少和回流污泥濃度的大小，控制回流污泥泵的運轉(zhuǎn)臺數(shù)和運轉(zhuǎn)速度，以保證污泥混合液濃度在一定的范圍內(nèi)和生物池微生物的需要量。此外，通過操作屏可以設(shè)定回流污泥比例。

3.1.7 電動閘門的控制

電動閘門的操作箱面板上設(shè)手動/遠(yuǎn)動轉(zhuǎn)換開關(guān)。在手動狀態(tài)下，工作人員通過按鈕控制閘門的開閉。在遠(yuǎn)動狀態(tài)下，在中控室通過鍵盤或觸摸屏遙控閘門的開閉。此外，位于中控室的模擬屏?xí)崟r顯示閘門的狀態(tài)和工況。

3.1.8 污泥濃縮脫水自動控制

污泥濃縮脫水設(shè)備采用順序控制，啟動順序依次為傾斜式螺旋輸送機、水平螺旋輸送機、濃縮脫水機、加藥泵、進(jìn)泥泵和污泥切割機。需要注意，停止的順序與開機順序相反。當(dāng)藥液罐的液體較少、液位較低、進(jìn)泥流量較低或任何一臺設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)停止運行并發(fā)出報警信息。每天允許的運行次數(shù)和每次運行的時間在操作屏上進(jìn)行設(shè)定。

3.1.9 沉淀池排泥控制

沉淀池內(nèi)的泥位計檢測到泥位達(dá)到設(shè)定值時，控制吸泥車開動進(jìn)行排泥或定時自動排泥。

3.1.10 加氯的自動控制

根據(jù)進(jìn)水流量和濁度控制加氯機按比例自動加氯，并根據(jù)出水余氯值進(jìn)一步修正加氯量，使加氯量始終處于最佳值。

3.1.11 電力監(jiān)控

在中控系統(tǒng)設(shè)置電力監(jiān)控程序，監(jiān)控電力系統(tǒng)電壓、電流、相位、功率因數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、變壓器溫度、各主要用電設(shè)備的狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)等，計量各用電設(shè)備的電力消耗，以便分析其能耗狀態(tài)，采取措施進(jìn)一步降低能耗，節(jié)約電費。

3.1.12 電氣設(shè)備控制

電動機控制方式通過在各個電氣設(shè)備控制箱/柜上的就地、停止、自動選擇開關(guān)來控制。就地方式下，電氣設(shè)備運轉(zhuǎn)由工作人員操作，不受自控系統(tǒng)控制。自動方式下，電氣設(shè)備由自控系統(tǒng)控制。切換控制方式時應(yīng)延遲10 s，以避免在自動方式下設(shè)備即時啟動。電氣設(shè)備的控制信號全部采用無源觸點，主要有自動/手動信號、運行/停止信號或開啟/關(guān)閉信號、緊急停車信號、機械故障和電氣故障信號、保護(hù)或連鎖報警信號等。電氣設(shè)備的聯(lián)鎖裝置不受自控系統(tǒng)支配，但安全聯(lián)鎖裝置應(yīng)連接PLC，以便及時傳輸報警信號到控制室。

3.2 上位機監(jiān)控程序設(shè)計

上位機監(jiān)控程序采用組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)計，監(jiān)控畫面有工藝流程圖、報警記錄、實時趨勢圖、歷史趨勢圖、報表以及參數(shù)設(shè)定等功能畫面和按鈕。在主畫面工藝流程控制圖部分可瀏覽污水處理廠中各測點當(dāng)前值，主要顯示廠區(qū)中各液位、液位差以及混合液懸浮固體濃度值等。通過點擊設(shè)備圖標(biāo)，可以查看設(shè)備運行狀態(tài)和控制設(shè)備。例如，點擊“2號粗格柵設(shè)備”，馬上會彈出該設(shè)備的控制盤，這時操作人員可以操作該設(shè)備。當(dāng)設(shè)備運行時，在設(shè)備及控制盤上有相應(yīng)的動畫指示設(shè)備狀態(tài)，如攪拌機的漿葉會旋轉(zhuǎn)、管道中的水流流動等，同時設(shè)備顏色會變?yōu)榫G色，表示設(shè)備正在運行。設(shè)備故障時，故障設(shè)備的顏色會變成紅色并閃爍，且會彈出報警窗口，提示操作員有故障產(chǎn)生。既沒運行也沒發(fā)生故障時，設(shè)備的顏色顯灰色。當(dāng)發(fā)生報警時，畫面中會自動彈出一個報警提示窗口，同時發(fā)出警報聲提示操作人員。關(guān)閉報警窗口后，點擊故障設(shè)備，在彈出的設(shè)備控制盤上的狀態(tài)欄上也可清楚看見故障狀態(tài)，如電氣故障、過載故障、超溫漏水漏油故障等。歷史報警記錄負(fù)責(zé)記錄已發(fā)生過的報警信息。為方便查詢，歷史報警記錄分為設(shè)備故障歷史報警和參數(shù)歷史報警兩種。黃色的報警信息表示的是發(fā)生過報警但未確認(rèn)或沒有來得及確認(rèn)的報警信息；灰色表示被確認(rèn)的報警；紫色表示發(fā)生報警后已經(jīng)恢復(fù)正常的報警信息。

4 結(jié)語

本設(shè)計已在某污水處理廠投入使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，故障率低，維護(hù)方便，實現(xiàn)了污水處理的全自動化控制，污水處理達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，同時減少了工作人員，降低了人員的勞動強度和能耗，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了積極作用。