作者简介：刘海峰（1960-），男，吉林九台人，现任中国市政工程东北设计研究总院，咨询公司副经理。

    摘要：本文针对城市污水处理自动控制系统进行研究，开发设计了一套基于PLC，并通过工业以太网和PROFIBUS总线联网的污水处理自控系统。该系统采用改良型A2/O工艺，在长春市北郊污水处理厂实现了污水处理的全自动控制，实际运行稳定，效果良好。

    关键词：PLC； A2/O；Profibus-DP；污水处理自动控制系统

    1 引言

    水污染是我国城市面临的严重环境问题，它不仅危害人民的身体健康，还抑制了我国经济的发展，破坏了生态平衡，并容易导致水荒的发生。城市污水处理设施的建设是现代化城市经济发展和水资源保护不可缺少的组成部分，工业污水由于成分复杂，有害污染物多，处理难度大，一直是企业发展壮大的瓶颈。为了实现污水处理的过程能在恶劣的环境中（温差大、污水水质水量变化大、电网电压波动大、电气干扰严重）连续、稳定、可靠、准确地工作，对控制系统的要求有着比一般的过程控制系统更高的要求。

    随着计算机控制技术的发展，可以对污水处理实现日常的信息化管理。本文针对长春市北郊污水处理厂的污水再生利用处理系统，结合了北京和利时自动化驱动技术有限公司的相关项目经验，设计了一套基于工业以太网和PROFIBUS总线的污水处理自控系统，对污水处理过程进行自动控制和远程监视。

    2 工程概况

    长春市北郊污水处理厂升级改造及污水再生利用工程设计规模为污水39万吨/日，中水回用10万吨/日，处理工艺为改良型A2/O工艺+生物滤池，主要处理来自市中心、二道、南湖、小南和八里堡五个排水区的生活用水和工业废水，经过处理后的污水可以直接排到伊通河内，不会污染伊通河水质，能有效改善沿岸周边居民的生活环境。回用水深度水处理设施可以用于热电厂的循环水，以缓解长春市用水紧张的局面。

    3 自控系统设计

    长春市北郊污水处理厂的自动化控制系统是基于现代先进的控制思想，采用以PLC为主的集中与分散相结合的计算机控制系统，它集成了当代计算机技术、高性能控制器及智能化仪表的各自特点于一身，使其在污水处理厂的运行管理方面发挥了巨大作用。

                     

    由可编程序控制器（PLC），远程I/O (RIO)及自动化仪表组成检测控制系统——现场控制站，以控制分区为对象，具有独立的区域控制能力，能接受中央控制的调控，但不依赖中央控制的存在，对污水处理厂各过程进行分散控制；再由中央控制室，对全厂实行集中管理。现场控制站及远程I/O根据污水处理厂所采用的工艺和构筑物的平面分布，设置在控制对象和信号源相对集中的建筑物中。

    工厂网络系统采用客户/服务器模式，环形拓扑网络结构，光纤网，客户/服务器(Client/Server)模式的分布式实时关系数据库，100Mbps传输速率，全双工通信，网络传输介质有光缆、通讯同轴电缆，主网络系统布线、子网络系统布线统一考虑、综合利用，配置网络操作系统及相关应用软件。

    各现场控制站与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信，通讯介质为光缆；现场控制站与远程I/O之间由标准的Profibus现场总线进行数据通信，通讯介质为总线电缆或光缆（视距离远近而定）；现场控制站及远程I/O与现场测控仪表的连接采用24VDC电压数字信号及标准4~20mA模拟信号通讯，通讯介质为控制电缆及信号电缆；现场控制站及远程I/O与工艺设备电控装置的连接采用现场总线方式或采用24VDC电压数字信号及标准4~20mA模拟信号通讯，通讯介质为总线电缆或控制电缆及信号电缆；测量仪表、在线式分析仪表、电动执行器是具有微处理器的智能设备。

系统结构图如图1所示。

   4 工艺设计方案

    长春市北郊污水处理厂升级改造及污水再生利用工程主要包括粗格栅、提升泵房、细格栅、旋流沉砂池、改良型A2/O生化池、变配电间、配水井及污泥泵房、二沉池、紫外线消毒池、鼓风机房和污泥浓缩脱水机房等主要工艺生产设施。

    4.1污水预处理流程

    4.1.1 格栅自动控制

    格栅自动控制采用水位差控制和时间控制。通过液位差测量仪检测格栅前后水位差值，当水位差值大于设定值时，启动格栅。当格栅距上次运行的时间超过设定值时，启动格栅。启动时，先启动输送机和栅渣压实脱水机，格栅停止后延迟一段时间再停输送机和栅渣压实脱水机。任何一台格栅启动时，均启动输送机和栅渣压实脱水机。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏可以设定水位差值，格栅距上次运行的时间间隔及格栅的运行周期。

    4.1.2水泵自动控制

    根据吸水井液位控制取水泵的开启。当水位升高时，控制水泵依次逐台启动，水泵的启动顺序按累计的水泵运行时间从小到大排列。当水位降低时，控制水泵依次逐台停止，顺序与之相反。同时自动累积水泵运行时间，实现水泵的自动轮值，保证水泵总是处在最佳运行状态。当水位降低到干运转保护水位时，水泵全停。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏，可以设定水位值。

    4.1.3旋流沉砂池的控制

    旋流沉砂池自动运行时，旋流沉砂池搅拌叶轮连续运行，由控制系统定时启动排砂过程，同时控制砂水分离器等设备的联动运行。

    旋流沉砂池、排砂泵、冲洗水、排砂闸门、砂水分离器等由PLC连锁控制，自动顺序启动或顺序停止。

    4.1.4初沉池排泥控制

    初沉池的排泥可以根据装在改造贮泥池内的超声波液位计来控制排泥管上排泥阀的开停。排泥有二种控制方式：超声波液位计设定值进行自动排泥，按定时实现自动排泥。

    初沉污泥浓度由改造贮泥池内的污泥浓度计测量。
    排泥泵所在的集泥井内配置了超声波液位计和浮球液位开关，作为排泥泵的启停控制和干运转保护。

    4.2污水二级处理流程

    4.2.1鼓风机房

    在鼓风机房出口空气总管上装设温度传感器、压力传感器和气体流量计，鼓风机总管压力将作为控制鼓风机运行的控制参数。

    根据空气总管压力自动控制鼓风机的开机台数和各鼓风机的有关风阀，调节鼓风机的导叶片角度，保持空气总管压力的恒定，在保证生物池内空气需求量和满足曝气管最低压力值的前提下，尽可能地节省能耗。每台鼓风机的运行时间被累积记录，保证各台鼓风机的运行时间均匀。

    4.2.2改良A2/O生物池

    每座生物池的好氧段设置一套曝气量调节系统，根据溶解氧值自动调节曝气量，并测量空气流量，最经济有效地满足生物反应的氧需求。 

    生物池的曝气量调节系统和鼓风机房的压力控制系统相互关联，相互影响，最终使生物池的生物处理过程处在最佳状态，实现生物池曝气量的自动调节，保证生物池中的生物处理过程能够顺利进行。

    根据生产负荷，实现潜水搅拌器、内回流泵的运行控制。

    4.2.3 二沉池集配水井及污泥泵站

    污泥泵站设置超声波液位计，浮球液位开关，控制及保护回流污泥泵和剩余污泥泵运行；设置污泥浓度计，测量污泥浓度。在剩余污泥总管上设置电磁流量计，计量进入污泥处理系统的污泥流量。在回流污泥总管上设置电磁流量计，测量回流到生物池的回流污泥流量，根据生产负荷，实现回流泵的运行控制。

    4.2.4接触池

    二级处理出水的监测点设在接触池，内容有余氯（CL2）、浊度（SS）、酸碱度/温度（pH/T）、COD、BOD、NH3-N等，采用在线式检测分析仪表。污水厂二级处理出水水质状况数据，作为本厂污水处理效果的评价指标，同时作为排放水质评价依据。

    另外，还设置有自动取样器，自动进行进水取样，供化验室分析和存样。

    在每座接触池上设置1座流量计量槽，采取超声波明渠流量计，计量二级处理出水流量, 为比例加氯控制提供参数。

    4.2.5 加氯加药间

    加药系统、加氯系统的运行控制：采取电磁流量计，计量加药点的投加量。接触池加氯为流量比例投加控制，清水池加氯为流量、余氯复合环控制。加药均为流量比例投加控制。

    4.2.6污泥浓缩脱水机房

    在各污泥脱水机进泥管和加药管设置电磁流量计，数据送入污泥控制系统，为污泥脱水机进行比例加药控制提供参数。
脱水机的开机或停机过程及相关设备的联动、连锁由总控制箱协调，每台设备的运行时间被累积记录，保证各台离心脱水机的运行时间均匀。

    4.3回用水处理流程

    4.3.1中途提升泵房

    泵房吸水井设置超声波液位计，控制和保护水泵的运行。出水总管上设置压力变送器，配水井后设两台电磁流量计对水泵进行轮值控制，并均衡各泵的运行时间。同时两台电磁流量计的检测值，为滤前的比例加药控制提供参数。配合生产需要，对相关阀门进行控制。

    4.3.2小网格反应池和小间距斜板沉淀池

    设置浊度计测量滤池进水浊度。

    4.3.3滤池

    滤池是污水深度处理工艺过程的核心部分，滤池控制的主要任务是要自动的控制滤池的运行和反冲洗。

    滤池的过滤控制：
    根据每格滤池的水位自动控制出水阀门的开启度，水位下降到设定低限时，减小阀门的开启度，反之，加大阀门的开启  度，使得滤池内的水位在过滤过程中保持恒定。保证滤池有一个相对恒定的滤速，从而保证滤池正常、稳定的过滤。
    滤池的反冲洗控制：
    滤池反冲洗有三种方式：分别为定时冲洗、水位冲洗、强制冲洗。每种冲洗方式设有允许／禁止选择按钮。
 
    4.3.4清水池

    设置有水位、余氯（由复合环加氯机设备配套供货）监测仪。进水管路上设有电磁流量计，为滤后的复合环加氯控制提供参数。

    4.3.5送水泵房

    泵房吸水井设置超声波液位计，控制和保护水泵的运行。出水管路上设置电磁流量计和压力变送器，对水泵进行轮值控制，并均衡各泵的运行时间。深度处理出水设置水质分析监测点，内容有余氯（CL2）浊度（SS）、酸度/温度（pH/T）。还设置有自动取样器，自动进行进水取样，供化验室分析和存样。

    5 电力监控与管理

    1#变电站综合保护系统计算机提供一个100Mbps工业以太网接口；2#变电站、主要配电及用电设备上配置带总线接口的多功能电力仪表；电气数据通过以上方式上传至中央控制室进行显示、记录、存档。

    6 结论

    该套自动化集中监控系统具有以下优点：①先进的全开放、分布式结构；②扩展灵活；③中文操作界面友好，操作人员容易掌握。

    PLC控制系统作控制站、最优的工控组态软件及工控机作操作站，实现了对污水处理厂现场的集中监控；实现了良好的人机对话，方便操作人员在控制室里了解现场电机、水泵、搅拌器和电动阀等设备的运行状况，并可通过操作站实现对现场设备的远程操作，同时通过PLC控制系统实现联锁控制保护现场设备；维护人员可以直接从操作站上灵活组态和方便查找现场设备故障原因，达到了既显示直观又节省费用的目的。本设计经北京和利时自动化驱动技术有限公司具体实施实现，已得到了非常好的实际应用效果。

    参考文献

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