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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）06-076-05中圖分類號：TP273

★張文霞，王翠（青島城市學院，山東青島266106）

★仲崇慶（青島邁斯特科技有限公司，山東青島266106）

關鍵詞：污水提升系統；可編程邏輯控制器；硫化氫傳感器；監控系統

污水提升系統在污水處理系統中發揮著輸送污水的作用^[1-3]，可以提升系統工作的好壞，直接影響水污染控制的效果。污水提升系統包含污水收集與輸送系統的管道系統和污水提升泵站兩大部分^[4,5]。管道系統收集各種污水并輸送到污水處理廠，而污水提升泵站是將地下的污水進行高度提升，使其在管道系統中進行重力自流^[6]。污水提升系統的供配系統設計、主要設備選擇和監控系統的設計水平決定著系統性能的優劣^[7]。文獻^[8]探討了中小型污水提升泵站電氣系統的供配系統設計、主要設備選擇、監控系統選用等方面的設計，為確保中小型污水提升泵站的安全性提供了借鑒。文獻^[9]在一個污水提升泵站自動控制項目改造工程中采用羅克韋爾公司的SLC500 PLC，在泵站的控制工藝、自控系統硬件、軟件設計等方面做了研究。文獻^[10]針對傳統污水處理泵站自動化程度低、無法遠程監控等問題，設計了一套基于PLC和安卓APP的污水處理泵站遠程監控系統。其采用西門子S7-400 PLC采集現場儀表數據，經Wi-Fi模塊并通過工業以太網上傳到云服務器。運行結果表明，系統運行穩定可靠，能實時遠程監視并控制設備的運行。

傳統的污水處理泵站采用數據采集與監控系統SCADA或者手動操作。SCADA監控系統價格偏高，并且原有的地下污水泵站由于實施時間較早、采用的技術相對落后，故障率高，而且在定期清掏時，污水散發的臭味嚴重污染周邊環境，同時沉淀物產生的有毒有害氣體對維護人員造成的傷害也時有發生。本文針對傳統污水泵站環保要求的不足，設計了一套以西門子S7-1200為控制核心的智能污水提升系統，通過傳感器采集液位、硫化氫氣體的濃度實現反饋控制，并采用多泵熱切換控制模式，通過增設一臺格柵機來實現污水和雜物的分離，使得整個設備在運行過程中實現了免清掏以及污水的密閉排放，同時設備配備了遠程監控接口，并設計了上位機組態監控軟件，實現對污水提升系統的統一監控和故障報警。

1　系統控制原理

污水提升泵站系統分上位機、下位機和現場設備3部分。上位機部分由基于西門子組態軟件開發的上位機組態監控軟件組成，如圖1所示，用來監控污水泵站各類設備的運行情況并收集數據。下位機部分主要由S7-1200 PLC組成，負責將現場設備發送上來的數據經處理后上傳到上位機組態軟件。現場設備部分主要由配電柜、各類儀表、相關機電設備組成，液位計、硫化氫氣體變送器等儀表把檢測出來的信號轉換為電信號發送給PLC，經過處理后對提升泵、啟閉機等機電設備進行監控。同時，PLC采集配電柜的電壓、電流信息，并對其運行情況進行監控，如圖1所示。當PLC對提升泵進行啟動控制時，PLC數字量模塊先發出一個高電平信號，驅動繼電器閉合，繼電器閉合后給提升泵啟動端子一個高電平，從而實現對提升泵的啟動控制。提升泵池春夏季液位較高而秋冬季液位較低，是污水處理泵站耗電量最大的設備之一。為了節約能源、延長設備的使用壽命，本文采用液位控制模式，PLC程序中計算每臺提升泵的運行時間，程序控制優先啟動長時間未運行的提升泵，優先停止運行時間長的提升泵，從而實現合理選擇提升泵的啟停，延長設備壽命。在污水泵站控制系統中，PLC與上位機之間通信采用的是PROFIBUS協議。本地控制面板上使用三擋位開關，分別用于“自動-手動-停止”。靜壓差液位計用于正常水泵液位，依照箱體水位變化，從下往上分設停機液位、啟動液位、雙泵液位和報警液位4個液位，設計出單泵運行與雙泵運行的水位處理原則。單泵運行方式是水位第一次到達單泵啟泵液位后A泵啟動，然后水位下降到停機液位，A泵停止運行，水位第二次到達單泵啟泵液位后B泵啟動，然后水位下降到停機液位，B泵停止運行，水位第三次到達單泵啟泵液位后C泵啟動，然后水位下降到停機液位，C泵停止運行。若水泵運行過程中C泵出現故障，則自動切換到A泵運行，若A泵故障則切換到B泵運行。雙泵運行是當A泵運行后水位繼續上升到雙泵運行時候，則將B泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運行。在此期間若任意一臺水泵故障，則C備用泵作為替換泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2雙泵停止運行。當C泵運行后水位繼續上升到雙泵運行時候，則將A泵投入運行，直到水泵下降到停止液位2，雙泵一起停止運行。溢流報警液位是當液位達到溢流液位后，需要同時啟動三臺泵，正常是不會出現該種情況，但是為了預防壓力傳感器失效，故設置此液位。干轉液位是當液位達到干轉液位后，即干轉浮球斷開后需要關閉所有運行的水泵，該功能是為了預防壓力傳感器失效或故障，引起無法停機。

圖1  系統總體結構

2　系統硬件功能設計

智能污水提升系統采集液位、硫化氫氣體的濃度等，利用西門子PLC實現對3臺污水提升泵、1臺格柵機、1臺風機等設備的控制，如圖2所示。污水泵功率為200kW。為了防止高壓電誤入信號線造成設備的損壞，在每個DI/DO中加隔離繼電器，并且在每個AI/AO中加浪涌保護器。根據污水提升系統的流量、功率以及控制方式和控制精度等控制要求選擇污水提升泵、格柵機、風機的型號，根據需要采集的傳感器信號的量程和精度選擇液位傳感器、硫化氫傳感器，根據控制輸入輸出點數選擇PLC的電源、數字量輸入輸出以及模擬量輸入輸出模塊。

圖2  PLC需要采集的輸入信號示意

2.1　污水提升泵

污水提升泵具有防纏繞、無堵塞、自動耦合和自動控制等功能，可以排送固體顆粒及長纖維垃圾，如圖3所示。該泵排出水口徑為400mm，流量3000m3/h，揚程為30m，功率為200kW，通過固體顆粒直徑最大可為100mm。該泵電機額定電壓380V，頻率50Hz、三相交流電源。輸送介質溫度不超過40攝氏度，輸送液體介質pH值為4-10，輸送介質中固相物容積比在2%以下，輸送介質密度小于1.2×103kg/m3。

（a）

（b）

圖3  污水提升泵（a）及組成（b）

2.2　格柵機

格柵機能將污水管網中的木片、布片、餐廚垃圾等雜物垃圾進行粉碎，可以解決垃圾過多堵塞水泵問題，保護水泵正常運轉，如圖4所示。電機啟動后，格柵機的刀片及立式轉鼓同時不等速轉動，污水中的固體漂浮物隨著污水進入轉鼓后被旋轉的柵網截留并送至切割區，兩組不等速轉動的刀片迅速進行軸向和徑向切割，將其粉碎成8-10mm的細小顆粒，粉碎后的小顆粒由水泵抽水一起流走，有效防止水泵纏繞、堵塞。

圖4  格柵機

2.3　硫化氫傳感器

為保障系統運維人員安全，需要對泵站內硫化氫氣體濃度進行在線監測。在線式硫化氫傳感器（如圖5所示）能夠有效地檢測泵站中對人體有害的硫化氫的濃度，該傳感器檢測量程為0-200ppm，分辨率為0.01ppm，響應時間小于30秒，工作電源為24VDC，本質安全型，防爆防腐蝕，接口為4-20mA電流信號輸出，最遠傳輸距離為1200米。PLC控制程序通過采集硫化氫傳感器的4-20mA輸出，并在程序中判斷實測值與超量閾值的關系，實現超閾值報警的模式，以此來保障人員的人身安全。硫化氫濃度超標報警時，需要同時啟動鼓風機降低硫化氫氣體濃度。

圖5  在線式硫化氫氣體傳感器

2.4　主電路圖

3臺水泵和1臺格柵機采用380V三相交流供電，污水泵有單泵運行和雙泵運行兩種運行方式，水泵和格柵機均采用PLC控制接觸器的通斷實現對主回路的通斷電控制，其主控制電路如圖6所示。

圖6  主電路圖

3　系統軟件功能設計

設備監控模塊的作用是對現場的儀表和設備進行信號采集，經PLC處理后，通過網絡傳送到上位機，并顯示在上位機監控軟件上，對現場的機電設備及儀表進行監控。出現故障或異常信息后上位機監控軟件會發出報警信息，同時在上位機組態畫面上顯示報警信息。我們根據系統的控制流程和控制要求設計了PLC程序和上位機組態監控軟件。

3.1　PLC系統I/O表

根據該智能污水提升系統需要采集的傳感器型號的形式和數量以及需要控制的外部設備的數量，同時考慮到系統的安全性冗余設計等因素，該控制系統由26個數字量輸入點、12個數字量輸出點和2個模擬量輸入點組成，系統I/O分配如表1所示。

表1  PLC系統I/O表

3.2　上位機組態軟件設計

考慮系統遠程監控的需要，我們采用西門子組態軟件設計了該系統上位監控程序，上位機與PLC之間采用網線通信，可以在遠程對該污水提升系統實現水泵的啟動與停止、格柵機的啟動與停止、風機的啟動與停止，并通過設置報警液位、啟動液位和停泵液位，減少了水泵頻繁啟動造成的損壞，增加了水泵的壽命；系統可以對液位傳感器、硫化氫傳感器和浮球位置實時監控，通過圖像化組態界面對采集的傳感器數據繪制曲線、超限報警，實現了污水提升系統的高度自動化，并且具有故障自投、自動輪換等各種實用功能。組態軟件界面如圖7所示。

圖7  上位機組態監控系統

4　結論

地下建筑在衛生間污水提升和排放的要求上提出了更高的要求。本文設計的智能污水提升系統能夠分離污水中的大顆粒物，使其不進入水泵，避免了水泵堵塞。該系統采用雙泵節能運行模式，通過增加或減少水泵的運行臺數來實現水泵的高效運行，從而有效地降低能耗。同時遠程組態軟件可以實現操作人員對系統的遠程監控，無需人員長期值守，系統自動化程度高。

★基金項目：山東省高等教育本科教學改革研究項目（M2022338）。

作者簡介：

張文霞（1980-），女，山東青島人，副教授，碩士，現就職于青島城市學院機電工程系，研究方向為嵌入式技術、人工智能技術與新能源技術。

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摘自《自動化博覽》2023年6月刊