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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(chǎn)，同期被南昌水業(yè)集團收購，現(xiàn)已成為日處理污水8×104m3的現(xiàn)代化污水處理廠。工廠建立了計算機自動監(jiān)測、控制和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)控制自動化和管理自動化，極大的提高了生產(chǎn)效率，減輕了勞動強度。該套自控系統(tǒng)由上海市政工程設計院斯美自控公司設計，在系統(tǒng)調(diào)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(jié)合實際情況，提出了許多合理化建議。以下將對該系統(tǒng)各部分進行介紹。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
工廠自控系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的模式。控制系統(tǒng)分為兩級:現(xiàn)場站和中央站。廠內(nèi)設一個中央控制站、兩個現(xiàn)場控制站。現(xiàn)場站獨立完成該區(qū)域有關工藝過程中參數(shù)檢測值的數(shù)據(jù)采集和設備控制，中央站主要完成全廠的數(shù)據(jù)顯示、控制和管理。
(1) PLC控制系統(tǒng)
本廠設2個PLC現(xiàn)場站，負責收集設備狀態(tài)信號及儀表測量值，并完成現(xiàn)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(shù)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(tài)信號、儀表參數(shù)、工藝過程參數(shù)進行采集和控制。其硬件框圖如圖1所示。
圖1 PLC控制系統(tǒng)硬件框圖
(2) 上位機及模擬屏監(jiān)控系統(tǒng)
集中控制室配置互為熱備的集中監(jiān)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(yè)以太網(wǎng)通訊，構(gòu)成全廠的監(jiān)控網(wǎng)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(shù)的動態(tài)顯示。模擬屏與計算機采用RS232口通訊。上位機能完成各種數(shù)據(jù)的處理并將處理結(jié)果提交到中央數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、工藝流程的實時狀態(tài)以及歷史趨勢。
3 PLC控制方案
在介紹自控系統(tǒng)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(xiàn)將根據(jù)工藝流程、系統(tǒng)各部分功能介紹如下：
3.1 進水泵房
來自市政管網(wǎng)的污水先經(jīng)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(nèi)設潛污泵8臺(其中2臺備用)，正常情況下水泵由PLC根據(jù)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(zhí)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(xiàn)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(xiàn)場控制箱的高低液位鎖定構(gòu)成了進水泵房的雙保險。
以下是對進水泵房各環(huán)節(jié)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(lián)動由現(xiàn)場控制箱控制，格柵也可在現(xiàn)場手動控制。
(2) 進水泵控制方案
進水泵房內(nèi)共設8臺潛污泵(其中兩臺備用)，工作泵根據(jù)PLC送來的液位信號逐臺開停，并根據(jù)累計運行時間自動輪值，使各泵開啟時間均衡，同時現(xiàn)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(xiàn)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(zhí)行應急控制程序
Hm>Y>H:為開泵區(qū)，當液位再上升時增開一臺泵
H>Y>L: 維持泵開啟臺數(shù)不變
L>Y> Lm:為關泵區(qū)，當液位再下降時關閉一臺泵
Lm≥Y: 關閉所有泵。
PLC執(zhí)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(lián)動由現(xiàn)場控制箱控制，格柵也可在現(xiàn)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(nèi)攪拌板為連續(xù)運轉(zhuǎn)，砂泵可根據(jù)PLC由時間程序控制開停，以節(jié)約能耗。具體運行時間根據(jù)進水沙的含量來確定，砂水分離器的啟停與砂泵實行聯(lián)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(diào)節(jié)堰門向回轉(zhuǎn)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(diào)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(jù)多年調(diào)試氧化溝的經(jīng)驗，總結(jié)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(zhì)達到最佳狀態(tài)，同時使表曝機處于節(jié)能的運行狀態(tài)。
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(jù)氧化溝的運行狀況，可以由手動調(diào)節(jié)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(nèi)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(jīng)堰門調(diào)節(jié)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(tǒng)采用的控制方式為:連續(xù)運行，由PLC自動顯示工作狀況，現(xiàn)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(nèi)設置3臺潛污泵(其中1臺備用)，用于提升回流污泥至回轉(zhuǎn)式氧化溝，保持氧化溝內(nèi)微生物數(shù)量。
廠內(nèi)設二座剩余污泥泵站，每座泵站內(nèi)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(zhì)池。當液位小于液位下下限時，PLC送出聯(lián)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(lián)鎖信號開泵(回流污泥泵和剩余污泥泵)。
均質(zhì)池內(nèi)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(jù)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(xiàn)場手動控制。
(2) 剩余污泥泵控制方案
根據(jù)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(xiàn)場手動控制。
3.5 均質(zhì)池
均質(zhì)池內(nèi)設水下攪拌器，為潛水葉輪結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)向手柄可在池內(nèi)任一角度進行攪拌，使池內(nèi)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(jīng)過脫水后的污泥含水率低于80％，泥餅通過泥餅運輸系統(tǒng)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(jù)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(jié)能的目的。泵房內(nèi)設潛污泵6臺(其中兩臺備用)。水泵由PLC根據(jù)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(jié)
整套系統(tǒng)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(xiàn)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(jù)溶氧值及進水流量等參數(shù)對曝氣機的頻率進行調(diào)節(jié)，使溶解氧值平穩(wěn)地保持在一定范圍內(nèi)，在較大程度上節(jié)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(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)存在的不足之處，例如:
(1) 在進水泵房單元，由于市政管網(wǎng)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(xù)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(xù)運行。
(2) 由于我廠剩余污泥泵房日排泥量有限，氧化溝內(nèi)的濁度(MLSS)儀數(shù)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(tài)，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(shù)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(tǒng)，這就要求生產(chǎn)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(shù)，并根據(jù)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(tǒng)建設的幾點建議
(1) 現(xiàn)代化污水處理廠應建立完整的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡
工廠雖然建立了自動化控制系統(tǒng)，但它僅僅是一個對基層現(xiàn)場控制、管理的網(wǎng)絡系統(tǒng)，并沒有建立生產(chǎn)管理的計算機網(wǎng)絡，廠長室、生產(chǎn)技術科、化驗室、中控室和機修車間的數(shù)據(jù)不能共享。因此在設計時應當把生產(chǎn)管理網(wǎng)絡作為污水處理廠重要的硬件設施加以考慮。建立企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)，可以協(xié)調(diào)各部門的工作，提高企業(yè)勞動效率和企業(yè)的管理水平，并可實現(xiàn)辦公的無紙化。其次在建立了現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡后，應當加強系統(tǒng)的管理，重點是建立歷史數(shù)據(jù)庫，積累工藝參數(shù)、測量數(shù)據(jù)、化驗數(shù)據(jù)和調(diào)度指令，它是運行管理經(jīng)驗的積累，也是科學研究的重要資料。
(2) 加強自控系統(tǒng)管理人員的培訓
污水處理廠調(diào)試結(jié)束投人運行，意味著一個相對穩(wěn)定的控制模式已經(jīng)建立和調(diào)試人員的撤離，但是污水廠的水質(zhì)水量不是一成不變的，隨著水質(zhì)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(tǒng)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(wǎng)聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)管理人員應當具備處理這類問題的能力。這些都對系統(tǒng)管理人員的業(yè)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(tǒng)的調(diào)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(tǒng)管理人員的業(yè)務水平。
(3) 加強儀表的維護和保養(yǎng)工作
污水處理廠自控系統(tǒng)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(yǎng)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(tǒng)的污水處理廠應當注意的。
6 結(jié)束語
經(jīng)過一年多的試運行，系統(tǒng)達到了設計要求并且取得了令人滿意的效果，實現(xiàn)了生產(chǎn)管理自動化，使生產(chǎn)率大大提高。但該系統(tǒng)還存在一定的不足，需要工程設計人員和系統(tǒng)管理人員在實際的生產(chǎn)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