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案例頻道南昌市朝陽污水處理廠工程于2000年底全部竣工并投產，同期被南昌水業集團收購，現已成為日處理污水8×104m3的現代化污水處理廠。工廠建立了計算機自動監測、控制和管理系統，實現了生產控制自動化和管理自動化，極大的提高了生產效率，減輕了勞動強度。該套自控系統由上海市政工程設計院斯美自控公司設計，在系統調試過程中，工廠技術人員給予了相當大的技術支持，并在試運行過程中結合實際情況，提出了許多合理化建議。以下將對該系統各部分進行介紹。
2 系統構成
工廠自控系統采用集中管理、分散控制的模式。控制系統分為兩級:現場站和中央站。廠內設一個中央控制站、兩個現場控制站。現場站獨立完成該區域有關工藝過程中參數檢測值的數據采集和設備控制，中央站主要完成全廠的數據顯示、控制和管理。
(1) PLC控制系統
本廠設2個PLC現場站，負責收集設備狀態信號及儀表測量值，并完成現場控制。1號PLC站設于進水泵房，用于粗格柵及進水泵站、細格柵及沉砂池的工藝過程參數采集和控制。2號PLC站設于配電間，用于對氧化溝、回流剩余污泥站、二沉池、排放泵站和脫水機房等主要設備狀態信號、儀表參數、工藝過程參數進行采集和控制。其硬件框圖如圖1所示。
圖1 PLC控制系統硬件框圖
(2) 上位機及模擬屏監控系統
集中控制室配置互為熱備的集中監控計算機操作單元兩套、模擬屏一面。計算機與PLC采用了TCP/IP工業以太網通訊，構成全廠的監控網絡。模擬屏采用鑲嵌式彩色馬賽克，用于反映全廠污水處理工藝過程和主要工藝參數的動態顯示。模擬屏與計算機采用RS232口通訊。上位機能完成各種數據的處理并將處理結果提交到中央數據庫進行集中管理，可打印日、月報表及報警值，還可在人機界面中顯示各組相關數據、工藝流程的實時狀態以及歷史趨勢。
3 PLC控制方案
在介紹自控系統之前，先介紹一下朝陽污水處理廠工藝流程(如圖2所示)。
圖2 工藝流程圖
現將根據工藝流程、系統各部分功能介紹如下：
3.1 進水泵房
來自市政管網的污水先經粗格柵去除較大的飄浮物后，再由潛污泵提升入污水處理廠。
泵房內設潛污泵8臺(其中2臺備用)，正常情況下水泵由PLC根據超聲波液位計顯示液位啟動，采用先開先停，輪換開泵，使泵開啟時間均衡。在非常情況下(如城市遭受大暴雨襲擊等)，PLC可以執行應急控制程序，該控制程序能在極端情況下最大限度的控制設備運行，同時保證泵和配電設備的安全運行。由于進水泵房是整座污水廠最重要的部分之一，故在現場控制箱二次回路中再增加低液位鎖定與高液位緊急啟動，以確保在液位計故障的情況下，進水泵房的設備能夠安全運行。PLC的應急控制程序與現場控制箱的高低液位鎖定構成了進水泵房的雙保險。
以下是對進水泵房各環節控制方案的簡要介紹。
(1) 機械粗格柵控制方案
機械粗格柵正常情況下，每隔兩小時啟動一次，但當粗格柵前后液位差大于200mm時，立即啟動除污機。當液位差恢復正常時，除污機按正常程序工作。格柵與皮帶輸送機、壓榨機的聯動由現場控制箱控制，格柵也可在現場手動控制。
(2) 進水泵控制方案
進水泵房內共設8臺潛污泵(其中兩臺備用)，工作泵根據PLC送來的液位信號逐臺開停，并根據累計運行時間自動輪值，使各泵開啟時間均衡，同時現場控制箱利用高、低液位開關信號，低液位鎖定停泵及高液位緊急啟動，并備有應急控制程序;進水泵房集水井設超聲波液位計一套，測量進水液位值，測量信號送1#PLC;設浮球開關兩套，信號送1#PLC及現場控制箱，作高液位報警和水泵干運行保護。
最高報警液位 Hm=15.30 (33%)
高液位 H=14.75(23%)
低液位 L=14.45(17%)
最低報警液位 Lm=13.65(3%)
當液位Y:
Y≥Hm:執行應急控制程序
Hm>Y>H:為開泵區，當液位再上升時增開一臺泵
H>Y>L: 維持泵開啟臺數不變
L>Y> Lm:為關泵區，當液位再下降時關閉一臺泵
Lm≥Y: 關閉所有泵。
PLC執行上述判別的時間為每5分鐘1次
(3) 細格柵除污機控制方案
機械細格柵正常情況下，每隔兩小時啟動一次，但當細格柵前后液位差大于200mm時，應立即啟動除污機。當液位差恢復正常時，除污機按正常程序工作。格柵與皮帶輸送機、壓榨機的聯動由現場控制箱控制，格柵也可在現場手動控制。細格柵前后各設超聲波液位計一套，測量細格柵前液位，測量信號送1#PLC。
(4) 沉砂池控制方案
沉砂池內攪拌板為連續運轉，砂泵可根據PLC由時間程序控制開停，以節約能耗。具體運行時間根據進水沙的含量來確定，砂水分離器的啟停與砂泵實行聯動。
兩條沉砂池出水管各設一套電磁流量計，測量進水流量，測量信號送1#PLC;沉砂池設pH測量儀一套，測量進水pH，測量信號送1#PLC。
3.2 氧化溝
沉砂池出水由底部進入配水井，通過兩座調節堰門向回轉式氧化溝配水后與回流污泥一起進入氧化溝。兩組氧化溝共設10臺葉輪表曝機。出水采用可調式堰板，每組氧化溝設2臺5m長堰板。
每組氧化溝設4只溶解氧測定儀，氧化溝中溶解氧的分布是不均勻的，污水對氧的需求量與進水流量、污水濃度等因素有關，因此僅僅靠溶解氧值控制表曝機不盡合理，上海市政工程設計院根據多年調試氧化溝的經驗，總結了溶解氧與充氧量之間的關系，形成了“模糊技術自動控制充氧量”的技術，該技術綜合了進水流量、污水濃度、溶解氧的分布等情況來控制表曝機，使氧化溝出水水質達到最佳狀態，同時使表曝機處于節能的運行狀態。
兩座氧化溝各設四套DO測量儀，測量DO值，測量信號送2#PLC;同時各設兩套MLSS測量儀，測量懸浮固體濃度，測量信號送2#PLC。
(1) 表曝機控制方案
當進水流量大于1000m3/h時啟動1#、2#、3#定速表曝機，1#變速表曝機由3#、4#溶氧儀控制，控制采用模糊控制技術，4#溶氧儀以2-3mg/l為最佳值，3#溶氧儀以3-4mg/l為最佳，2#變速表曝機由氧化溝溶解氧的平均值控制。
若溶解氧的平均值小于0.5mg/l，2#變速表曝機開100%;
若溶解氧的平均值大于0.5mg/l，小于1mg/l:2#變速表曝機開80%;
若溶解氧的平均值大于1mg/l，小于1.5mg/l:2#變速表曝機開60%;
若溶解氧的平均值大于1.5mg/l，小于2mg/l:2#變速表曝機開40%;
若溶解氧的平均值大于2mg/l，2#變速表曝機關閉。
(2) 堰門控制方案
根據氧化溝的運行狀況，可以由手動調節出水堰門的高度。
3.3 二沉池單元
二沉池采用周邊進水、出水輻流式沉淀池，直徑36m，共四座。單池內安裝周邊傳動全橋雙臂式吸泥機一臺，沉淀污泥由吸泥機吸出后重力排至池邊污泥井，經堰門調節后進入回流污泥泵房。
兩座回流污泥泵房設浮球開關兩套，作高低液位報警和水泵干運行保護，測量信號送2#PLC;同時設浮球開關兩套，作高低液位報警和水泵干運行保護，測量信號送2#PLC;兩條回流污泥管各設一套電磁流量計，測量回流污泥量，測量信號送2#PLC;同時各設一套電磁流量計，測量剩余污泥量，測量信號送2#PLC。
該系統采用的控制方式為:連續運行，由PLC自動顯示工作狀況，現場手動控制開停。
3.4 回流污泥泵站與剩余污泥泵站
兩座回流污泥泵站位于兩座沉淀池中間，每座泵站內設置3臺潛污泵(其中1臺備用)，用于提升回流污泥至回轉式氧化溝，保持氧化溝內微生物數量。
廠內設二座剩余污泥泵站，每座泵站內設置2臺潛污泵(其中1臺備用)，用于將剩余污泥提升至均質池。當液位小于液位下下限時，PLC送出聯鎖信號停泵(回流污泥泵和剩余污泥泵);當液位大于液位上上限時，PLC送出聯鎖信號開泵(回流污泥泵和剩余污泥泵)。
均質池內設超聲波液位計一套，測量泥位，測量信號送2#PLC。
(1) 回流污泥泵控制方案
根據回流污泥井液位由PLC自動控制水泵開停(常開2臺)，自動切換，同時可采用遙控或現場手動控制。
(2) 剩余污泥泵控制方案
根據剩余污泥井液位由PLC自動控制水泵開停(常開1臺)，自動切換，同時可采用遙控或現場手動控制。
3.5 均質池
均質池內設水下攪拌器，為潛水葉輪結構，通過轉向手柄可在池內任一角度進行攪拌，使池內污泥濃度均勻。
3.6 污泥脫水機
本工程采用一體化濃縮脫水機。經過脫水后的污泥含水率低于80％，泥餅通過泥餅運輸系統送至污泥堆棚，然后裝車外運。濃縮脫水一體機共兩套，控制柜由設備供應商成套提供。
3.7 出水泵房
為減少污水廠日常運行費用，降低流程標高，在污水處理流程末端增設出水泵房。根據撫河水位，污水廠出水采用高水位泵排，低水位重力排放的運行方式，以達到節能的目的。泵房內設潛污泵6臺(其中兩臺備用)。水泵由PLC根據液位啟動，先開先停，采用輪換開泵，使各泵開啟時間均衡。
4 運行情況總結
整套系統運行以來，基本上能達到設計要求，特別是對于運行班組的成員，可以更加全面及時的了解全廠設備的運行情況，及時處理運行時出現的各種問題。
在氧化溝單元，由于對變速曝氣機實行了“模糊技術自動控制充氧量”方案，根據溶氧值及進水流量等參數對曝氣機的頻率進行調節，使溶解氧值平穩地保持在一定范圍內，在較大程度上節省了電能，降低運行成本，取得了令人滿意的效果。
當然，在運行過程中，也發現了該系統存在的不足之處，例如:
(1) 在進水泵房單元，由于市政管網的污水中含有大量泥砂和浮渣，泵在自動運行一段時間后會被堵塞，必須強制停止一段時間后再繼續運行，這給自動控制進水泵的開啟增加了一定的麻煩，建議在PLC程序中增加限制條件，使之運行一段時間后可強制停止水泵延時幾分鐘再繼續運行。
(2) 由于我廠剩余污泥泵房日排泥量有限，氧化溝內的濁度(MLSS)儀數值偏高，而溶氧值偏低，在此情況下，曝氣機處于全部啟動狀態，從而使變配電間變電器的負荷較大。
(3) 由于我廠人員大多數來自水廠，對污水處理的工藝也是第一次接觸，且沒有接觸過PLC系統，這就要求生產技術人員除了要掌握自控操作的一般要求外，還必須掌握PLC的程序，熟悉程序設計思路，以便及時更改參數，并根據我廠實際工作需要修改程序，使之符合我廠工藝的要求。
5 污水廠自控系統建設的幾點建議
(1) 現代化污水處理廠應建立完整的現場控制網絡和生產管理網絡
工廠雖然建立了自動化控制系統，但它僅僅是一個對基層現場控制、管理的網絡系統，并沒有建立生產管理的計算機網絡，廠長室、生產技術科、化驗室、中控室和機修車間的數據不能共享。因此在設計時應當把生產管理網絡作為污水處理廠重要的硬件設施加以考慮。建立企業的信息化管理系統，可以協調各部門的工作，提高企業勞動效率和企業的管理水平，并可實現辦公的無紙化。其次在建立了現場控制網絡和生產管理網絡后，應當加強系統的管理，重點是建立歷史數據庫，積累工藝參數、測量數據、化驗數據和調度指令，它是運行管理經驗的積累，也是科學研究的重要資料。
(2) 加強自控系統管理人員的培訓
污水處理廠調試結束投人運行，意味著一個相對穩定的控制模式已經建立和調試人員的撤離，但是污水廠的水質水量不是一成不變的，隨著水質水量的變化，就應當建立一套與之相適應的控制模式，要求系統管理人員具備PLC編程的能力。另外目前的上值機往往與因特網聯網或充當辦公設備，也會有感染病毒的可能，會造成死機或文件丟失，系統管理人員應當具備處理這類問題的能力。這些都對系統管理人員的業務水平提出很高的要求，筆者認為這些人員培訓的最佳機會是自控系統的調試階段，這個過程是最具針對性的，應當充分利用這一機會提高系統管理人員的業務水平。
(3) 加強儀表的維護和保養工作
污水處理廠自控系統的運作首先依賴于儀表，沒有正確的儀表指示，PLC無法進行有效正確的自動控制。儀表的維護和保養往往是污水處理廠管理的弱項。另外由于資金原因，過期的探頭得不到及時的更換，這些都是自動控制系統的污水處理廠應當注意的。
6 結束語
經過一年多的試運行，系統達到了設計要求并且取得了令人滿意的效果，實現了生產管理自動化，使生產率大大提高。但該系統還存在一定的不足，需要工程設計人員和系統管理人員在實際的生產過程中不斷的探索。
參考文獻
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作者簡介
熊 鷹(1974—) 助理工程師/學士 從事自動化控制方面的研究工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號