引言

　　隨著我國(guó)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益突出，尤其是城市水環(huán)境的惡化，加劇了水資源的短缺，嚴(yán)重影響著人民群眾的身心健康，這些情況已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素；我國(guó)現(xiàn)階段很多大中型城市的廢水排放量大，已造成城市地表水的嚴(yán)重污染；三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)事關(guān)三峽工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行和長(zhǎng)江中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水處理自控系統(tǒng)不完善沒(méi)處理好就把污水排放了，很多操作和檢測(cè)監(jiān)控過(guò)程仍停留在人工階段，監(jiān)控時(shí)間覆蓋率低，手工采集樣品缺乏科學(xué)性和代表性，難以反映企業(yè)和城市污水處理及排放連續(xù)變化的情況。大范圍的建立污水處理系統(tǒng)及在線自動(dòng)控制監(jiān)控體系，勢(shì)在必行。

       系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　重慶巫山污水處理廠位于巫山縣城邊緣，廠區(qū)緊鄰長(zhǎng)江流域，處于三峽庫(kù)區(qū)腹地，該污水處理廠采用的是改良型Orbal氧化溝工藝，日處理污水量3萬(wàn)噸，廠區(qū)主體構(gòu)筑物有：綜合樓、配電房、進(jìn)水提升泵房、粗細(xì)格柵井及旋流沉砂裝置、Orbal氧化溝、終沉池、污泥回流剩余泵井、脫水機(jī)房等；整個(gè)廠區(qū)設(shè)備及閥門均采用MCC和PLC兩種控制方式，正常情況下可以實(shí)現(xiàn)儀表、PLC的完全自動(dòng)檢測(cè)控制及運(yùn)行狀況監(jiān)控；下位機(jī)采用施耐德電氣的Premium 系列PLC，上位機(jī)采用北京華富Control2000監(jiān)控軟件。該廠自動(dòng)控制系統(tǒng)于2006年7月11日全面完成調(diào)試，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常。

       污水處理系統(tǒng)詳述

一、Orbal氧化溝工藝介紹

 
圖一　Orbal氧化溝工藝簡(jiǎn)圖

　　Orbal氧化溝水處理工藝起源于南非，后經(jīng)不斷改進(jìn)和推廣，在全球范圍得到廣泛應(yīng)用。城市污水由管道集中后，水流首先經(jīng)過(guò)粗格柵，將粗的垃圾去除，然后由提升泵將污水提高水頭（后面工藝要求有高水頭），再經(jīng)過(guò)細(xì)格柵及旋流沉砂池，進(jìn)一步去除小的垃圾和泥砂，污水進(jìn)入水處理主體結(jié)構(gòu)——氧化溝，污水在“O”型的氧化溝中經(jīng)過(guò)曝氣機(jī)調(diào)節(jié)曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應(yīng)，在該過(guò)程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化學(xué)耗氧量）的去除及污水脫氮的功能，并為下一步水的沉淀作好準(zhǔn)備，經(jīng)過(guò)氧化溝處理的水流入終沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水最后經(jīng)二氧化氯消毒后排入長(zhǎng)江。沉淀的污泥經(jīng)脫水機(jī)濾干后焚燒處理。

二、廠區(qū)主要設(shè)備控制要求

1、粗細(xì)格柵機(jī)及其附屬輸送壓榨設(shè)備的控制

    定時(shí)控制：根據(jù)外來(lái)污水狀況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)定相關(guān)定時(shí)參數(shù)，自動(dòng)控制格柵機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間。
液位差控制：在格柵機(jī)的前后均設(shè)置一臺(tái)超聲波液位傳感器，檢測(cè)出格柵機(jī)的前后液位差。設(shè)定低液位差LDF2和高液位差LDF1，當(dāng)檢測(cè)到的液位差大于LDF1時(shí)，啟動(dòng)格柵機(jī)；當(dāng)檢測(cè)到的液位差低于LDF2時(shí)，停止格柵機(jī)（減少了運(yùn)行時(shí)間，有效的節(jié)約成本）�？刂七^(guò)程如圖二

圖二

    格柵附屬設(shè)備的聯(lián)動(dòng)：皮帶輸送機(jī)和壓榨機(jī)作為格柵機(jī)的附屬輸送壓榨設(shè)備，它們?cè)诙〞r(shí)或自動(dòng)運(yùn)行模式下，一般與格柵機(jī)聯(lián)動(dòng)。附屬設(shè)備適當(dāng)?shù)奶崆盎蜓訒r(shí)運(yùn)行。

 
圖三　提升泵控制原理圖

 
圖四

2、 提升泵的自動(dòng)控制

    控制描述如（圖三、四）：
   (1) P1—變頻器，BU1—軟啟動(dòng)器，PT—超聲波液位計(jì)，ZJ1、ZJ2—用于控制系統(tǒng)的MCC/PLC轉(zhuǎn)換。
   (2) 由圖可見，變頻器連接在第一臺(tái)水泵電機(jī)上，需要加泵時(shí)，變頻器停止運(yùn)行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號(hào)到PLC，由PLC控制切換過(guò)程。
   (3) PLC根據(jù)泵池液位高中低信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)三臺(tái)泵的啟停；泵池水位到預(yù)設(shè)的低水位時(shí)啟動(dòng)1#泵，水位上升到預(yù)設(shè)的中水位時(shí)，1#泵由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換到工頻運(yùn)行，這時(shí)再變頻啟動(dòng)2#泵，依次啟動(dòng)到3#泵。
   (4) 切換開始時(shí)，變頻器停止輸出(變頻器設(shè)置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第二臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行，照此，將第二臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器連接到第三臺(tái)水泵上起動(dòng)并運(yùn)行。
   (5)水位下降需要減泵時(shí)，系統(tǒng)將第三臺(tái)水泵停止，第二臺(tái)水泵切換到變頻調(diào)節(jié)狀態(tài)。水位繼續(xù)下降，系統(tǒng)將第二臺(tái)水泵停止，第一臺(tái)水泵切換到變頻調(diào)節(jié)狀態(tài)。
   (6)另外，設(shè)置軟啟動(dòng)器作為備用。當(dāng)變頻器或PLC故障時(shí)，可用軟起動(dòng)器現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運(yùn)行以保證供水。作為多臺(tái)提升泵的自動(dòng)控制，滿足先啟先停的原則，以優(yōu)化資源的利用率；為了提升泵的安全，系統(tǒng)設(shè)置了提升泵的干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)；同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)置了泵的頻繁啟停保護(hù)，群?jiǎn)?dòng)保護(hù)等，以延長(zhǎng)其使用壽命。

3、曝氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制

　　生化池作為全廠污水處理的核心，具有舉足輕重的作用。污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，在這里通過(guò)微生物吸附污水中的有機(jī)物，達(dá)到脫磷脫氮的目的。對(duì)生化池的自動(dòng)控制，主要是溶解氧濃度的控制。

　　曝氣量自動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)恒值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)給定一個(gè)保持不變的最佳溶解氧值，通過(guò)PLC控制調(diào)節(jié)輸出量（即曝氣機(jī)開啟臺(tái)數(shù)），使被控量（實(shí)測(cè)氧化溝溶解氧濃度）不斷地接近給定值。在這個(gè)系統(tǒng)中，要求穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性良好，被控量向給定值過(guò)渡的時(shí)間短，同時(shí)過(guò)程平穩(wěn)，振蕩幅度小。

　　曝氣供氧系統(tǒng)是由鼓風(fēng)機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和溶解氧儀共同組成的閉環(huán)系統(tǒng)，為反應(yīng)池好氧段提供氧氣，并維持好氧過(guò)程的溶解氧濃度值。依照好氧過(guò)程的溶解氧濃度值控制鼓風(fēng)機(jī)的開啟程度，維持溶解氧濃度值在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)�？刂屏鞒倘鐖D五。

圖五

三、控制模式

    手動(dòng)模式：手動(dòng)模式又可以分為盤柜模式和就地模式。盤柜模式就是通過(guò)MCC上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作；就地模式就是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。
    遙控模式：就是通過(guò)中心控制室上位操作站實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。
    自動(dòng)模式：設(shè)備的運(yùn)行完全由各PLC根據(jù)污水廠的工況及工藝參數(shù)來(lái)完成對(duì)設(shè)備的啟�？刂�，而不需要人工干予。

四、系統(tǒng)構(gòu)成如圖六

圖六

　　通過(guò)前面的描述，設(shè)備的控制還是比較復(fù)雜的，為達(dá)到以上的設(shè)備自動(dòng)控制要求，該工程基本構(gòu)成如下：
　　下位機(jī)：選用了施耐德 Premium PLC來(lái)做系統(tǒng)
　　上位機(jī)：選用了北京華富Control2000軟件
　　中間協(xié)議：采用Simatic TOP Server，銜接上、下位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

　　整個(gè)廠區(qū)共有3個(gè)PLC站，硬件采用施耐德電氣Premium PLC，分別用光纖及光纖交換機(jī)，采用星型連接方式構(gòu)成以太網(wǎng)絡(luò)連接至中控室，在PLC2站，現(xiàn)場(chǎng)電力儀表采用Modbus通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；軟件采用施耐德的PL7Pro，根據(jù)控制要求開發(fā)程序，完全可以實(shí)現(xiàn)前面描述的控制要求。三個(gè)站分別處于進(jìn)水泵房、配電房、脫水機(jī)房，基本配置如下： 

　　上位機(jī)采用華富Control2000來(lái)開發(fā)監(jiān)控畫面進(jìn)行監(jiān)控：根據(jù)工藝?yán)L制流程圖，顯示所有相關(guān)測(cè)控儀表的實(shí)時(shí)值；建立全廠的中心監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，使操作員能隨時(shí)監(jiān)視全廠運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備操作發(fā)出控制指令；建立歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和重要數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)，并能對(duì)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表進(jìn)行打��；建立全廠設(shè)備的安全報(bào)警系統(tǒng)；
 

圖七：廠區(qū)工藝流程圖
 

 

圖八：設(shè)備控制盤
 

 圖九：開發(fā)調(diào)試階段報(bào)表查詢數(shù)據(jù)示例

　　下位機(jī)采用施耐德電氣Premium PLC，上位機(jī)用北京華富德Control2000，二者之間的標(biāo)簽連接及數(shù)據(jù)通訊必須有一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議驅(qū)動(dòng)，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER來(lái)實(shí)現(xiàn)的，報(bào)表查詢系統(tǒng)采用VB6.0來(lái)開發(fā)外掛程序?qū)崿F(xiàn)報(bào)表的實(shí)時(shí)查詢。

五、該工程自控系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　1、技術(shù)先進(jìn)：現(xiàn)代化的工廠要求與時(shí)俱進(jìn)，該自動(dòng)化控制系統(tǒng)無(wú)論是從使用的現(xiàn)場(chǎng)總線、通訊網(wǎng)絡(luò)、可編程控制器、組態(tài)軟件，還是從自動(dòng)化控制技術(shù)來(lái)講，都具有時(shí)代領(lǐng)先性。
　　2、穩(wěn)定可靠：選用的自動(dòng)化產(chǎn)品絕大部分來(lái)自國(guó)外知名品牌，建立的自動(dòng)化控制平臺(tái)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
　　3、自動(dòng)化程度高，使用簡(jiǎn)單：對(duì)于全廠的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的設(shè)計(jì)界面，立體三維流程圖形來(lái)表達(dá)工藝，便于操作員掌握；同時(shí)下位機(jī)PLC采用施耐德的PLC，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，自動(dòng)化程度高，整個(gè)系統(tǒng)維護(hù)量小。
　　4、開放性：該系統(tǒng)采用的現(xiàn)場(chǎng)總線是國(guó)際通用的具有開放協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線，同時(shí)各控制站均留有I/O余量，以便于以后系統(tǒng)的改造和擴(kuò)展。
　　5、安全性：該系統(tǒng)采用全面的設(shè)備保護(hù)體系，包括潛水泵的干運(yùn)轉(zhuǎn)保護(hù)、自控平臺(tái)的防雷保護(hù)、進(jìn)水水質(zhì)異常保護(hù)、報(bào)警系統(tǒng)等，以防止因?yàn)槟承┮馔饣虿僮鲉T的疏忽而發(fā)生事故。

六、應(yīng)用總結(jié)

　　該城市污水處理系統(tǒng)建成后，施耐德電氣Premium PLC系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快捷，控制的重要設(shè)備運(yùn)行安全，程序開發(fā)好后，其維護(hù)量幾乎為零，同時(shí)個(gè)人感覺(jué)該P(yáng)LC現(xiàn)場(chǎng)安裝、與其它設(shè)備的接口等均方便好用，系統(tǒng)投運(yùn)后，自動(dòng)化程度高，工作人員維護(hù)量小，出水水質(zhì)能達(dá)到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)的形成投運(yùn)無(wú)疑給長(zhǎng)江流域、三峽庫(kù)區(qū)的環(huán)保事業(yè)作出了貢獻(xiàn)，希望在長(zhǎng)江流域沿線有更多的采用自動(dòng)化程度高的污水處理廠。巫山污水處理廠的施耐德電氣Premium PLC系統(tǒng)的應(yīng)用將是一個(gè)很好的榜樣。

   參考文獻(xiàn)
   1、張自杰，《排水工程》 第四版 中國(guó)建筑工業(yè)出版社 2000.6
   2、周金全，《城市污水處理工藝》 第一版 化學(xué)工業(yè)出版社 2003.3
   3、陶俊杰等，《城市污水處理技術(shù)實(shí)例》 第二版 化學(xué)工業(yè)出版社 2005.6

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