污水处理工程案例
时间：2011-02-15 阅读：4211
巫山县城坐落在长江北岸巫峡西口、大宁河与长江汇合处，其污水排放水体为长江，故建立完善的污水处理系统，是维护长江水系水质清澈的重要保障。污水处理厂各处理设备分布分散，每个工艺区段相对独立；I/O点中以离散量为主，模拟量为辅；这些特点，使其更适宜以PLC为主要控制器的分散式控制方案。本文介绍的就是这样一套以PLC为主组成的顺控系统。
一控制系统的设计
一控制系统的设计
经多方论证，决定采用Orbal（奥贝尔）氧化沟并辅助化学除磷装置的污水处理工艺。该厂污水处理过程主要分为机械处理、生化处理、污泥处理3个阶段，其工艺流程如图1。该污水处理过程是按一定流程和顺序循环进行的，有其固有的顺序性和周期性。
控制系统设计目的是对污水处理过程进行顺序控制，及在故障情况下的紧急停车等一系列处理过程进行全自动PLC控制。
1. 机械处理段的自动控制系统
（1）每台格栅前后安装一台液位计，PLC根据液位计检测到的水位差值和时间设定，自动控制格栅除污机的运行；当水位差值超过设定值或时间设定值时，自动控制格栅和螺旋输送机按照预先编制的程序运行。
（2）设在前池的液位计将检测到的水位信号送到控制运算器，PLC根据检测值与设定值的差值来自动控制污水提升泵运行。当水位升高到预定水位值时，自动控制水泵按照预先编制的程序依次逐台启动；当水位减低到预定水位值，则按预先编制的程序依次逐台关闭。同时累积水泵运行时间，自动轮换水泵，保证水泵累计运行时间均等，并处于*运行状态。当水位降到设定下限水位时，干运转保护起动，自动控制水泵全部停止运行，以保证水泵安全。
（3）钟式沉砂池由一套变速及调整系统机构控制箱就地控制，其转盘的转速和高度均可根据除砂效率和有机物分离效率，哪个要求更高来进行调整。另外，进出水口及池中水位可视需要去除砂粒的粒径而定。沉砂池系统各设备的运行状态及故障信号送至中控室显示监控。
（4）沉砂池后设置了巴式计量槽，每个计量槽安装超声流量计一台、温度计和pH计一台，将信息输入计算机，对全厂污水进行连续监测。
2. 生化处理段的自动控制系统
Orbal氧化沟的运行控制：在外沟、中沟、内沟各设置1台溶解氧测量仪，将检测到的溶氧仪测量值送至现场PLC控制子站，PLC根据氧化沟中的溶解氧含量，按照预先已编制好的程序（为保证氧化沟内流速均匀所预先编制的动作顺序），自动控制转碟的运转台数和运行时间，以满足外、中、内沟的溶氧值稳定在生化反应的设定值。在外沟，因所需溶氧值较低，溶氧仪将不能工作在其测量范围的度量程内，检测值误差较大，为此在外沟另设有一台氧化—还原电位计，用来校正被监控参数的测量。同时，还可调节氧化沟的出水堰板，以改变转碟浸没水深来增减空气曝气量，既保证了氧化沟生物处理过程的稳定又节约了能源。
根据以往Orbal氧化沟的运行情况，在编制氧化沟运行控制程序时，还需注意3点：考虑水中溶解氧的变化速率，避免控制系统的不稳定，需设置溶解氧的控制死区；为避免转碟的控制不稳定，在程序中设置转碟的时间死区，在此时间内转碟不可启停；为平衡转碟工作时间，应开转碟和应停转碟要符合先开先停、先停先开的原则，目的是减少转碟电机的损耗，达到节能要求。
另外，在中沟还设置了混合液浓度检测仪，在外沟设置了超声液位计，以加强对氧化沟生物反应情况的监控。
3. 污泥沉淀浓缩处理段的自动控制系统
控制系统设计目的是对污水处理过程进行顺序控制，及在故障情况下的紧急停车等一系列处理过程进行全自动PLC控制。
1. 机械处理段的自动控制系统
（1）每台格栅前后安装一台液位计，PLC根据液位计检测到的水位差值和时间设定，自动控制格栅除污机的运行；当水位差值超过设定值或时间设定值时，自动控制格栅和螺旋输送机按照预先编制的程序运行。
（2）设在前池的液位计将检测到的水位信号送到控制运算器，PLC根据检测值与设定值的差值来自动控制污水提升泵运行。当水位升高到预定水位值时，自动控制水泵按照预先编制的程序依次逐台启动；当水位减低到预定水位值，则按预先编制的程序依次逐台关闭。同时累积水泵运行时间，自动轮换水泵，保证水泵累计运行时间均等，并处于*运行状态。当水位降到设定下限水位时，干运转保护起动，自动控制水泵全部停止运行，以保证水泵安全。
（3）钟式沉砂池由一套变速及调整系统机构控制箱就地控制，其转盘的转速和高度均可根据除砂效率和有机物分离效率，哪个要求更高来进行调整。另外，进出水口及池中水位可视需要去除砂粒的粒径而定。沉砂池系统各设备的运行状态及故障信号送至中控室显示监控。
（4）沉砂池后设置了巴式计量槽，每个计量槽安装超声流量计一台、温度计和pH计一台，将信息输入计算机，对全厂污水进行连续监测。
2. 生化处理段的自动控制系统
Orbal氧化沟的运行控制：在外沟、中沟、内沟各设置1台溶解氧测量仪，将检测到的溶氧仪测量值送至现场PLC控制子站，PLC根据氧化沟中的溶解氧含量，按照预先已编制好的程序（为保证氧化沟内流速均匀所预先编制的动作顺序），自动控制转碟的运转台数和运行时间，以满足外、中、内沟的溶氧值稳定在生化反应的设定值。在外沟，因所需溶氧值较低，溶氧仪将不能工作在其测量范围的度量程内，检测值误差较大，为此在外沟另设有一台氧化—还原电位计，用来校正被监控参数的测量。同时，还可调节氧化沟的出水堰板，以改变转碟浸没水深来增减空气曝气量，既保证了氧化沟生物处理过程的稳定又节约了能源。
根据以往Orbal氧化沟的运行情况，在编制氧化沟运行控制程序时，还需注意3点：考虑水中溶解氧的变化速率，避免控制系统的不稳定，需设置溶解氧的控制死区；为避免转碟的控制不稳定，在程序中设置转碟的时间死区，在此时间内转碟不可启停；为平衡转碟工作时间，应开转碟和应停转碟要符合先开先停、先停先开的原则，目的是减少转碟电机的损耗，达到节能要求。
另外，在中沟还设置了混合液浓度检测仪，在外沟设置了超声液位计，以加强对氧化沟生物反应情况的监控。
3. 污泥沉淀浓缩处理段的自动控制系统
（1）污泥浓缩加药系统——我们根据容积比设置了一套自动控制配药系统（见图2）。加药系统按照预先编制的程序运行，定时加药、配水及搅拌。首*行药液的配置控制，由PLC根据所确定的容积比去自动控制除磷药剂原液与稀释水的投加量，配制成所需浓度的除磷药剂；在配药罐上还设有超声波液位计，液位信号送至PLC，当药液量和水量比例满足配比要求，配药过程结束后，PLC自动控制打开配药罐出口的电动球阀，进入加药阶段。除磷药剂的投加量由PLC控制计量泵完成。
（2）脱水机房设带式脱水机及全部附属装置。负责脱水、加药、进泥、出泥、反冲洗等设备的联锁控制，整套脱水系统按照预先编制的程序运行，PLC负责对各设备的运行情况进行监控及联锁保护。
二控制系统的实现
1. 系统硬件构成
PLC控制系统由工艺过程监控系统、通信系统、PLC及检测仪表组成。采用分布式计算机分散控制系统，实现对全厂工艺流程的分散控制、集中管理。控制系统采用过程监控级（即*监控站-主站）和现场控制级（即两个智能子站—PLC站）的两层结构，划分*控制室、*分控室、第二分控室三个区域。
过程监控级设在*控制室（主站）内，由两台工控机、两台打印机和通信卡等组成工程师站、操作员站及数据通信系统。操作员站是操作员用以完成对整个污水处理厂进行实时监控功能的岗位，负责对全厂工况进行监控和管理调度，可对每个智能子站中的设备进行操作，但在同一时间内只允许一个站操作同一个设备；工程师站可实现在线控制系统的编程及各种参数设定与修改等任务；数据通信系统则用来提供或接受工业过程的实时信息及与上级管理站的通信等任务。
现场控制级为两个智能子站，分别设置在两个分控室内，由PLC控制器、I/O处理单元及现场检测仪表组成，用以完成数据采集、处理等功能，负责对污水处理厂各个反应处理阶段进行就地分散控制，分站的操作权限由主站来分配。两个智能子站和主站通过现场通信总线相连（PLC控制系统结构配置如图3）。
（2）脱水机房设带式脱水机及全部附属装置。负责脱水、加药、进泥、出泥、反冲洗等设备的联锁控制，整套脱水系统按照预先编制的程序运行，PLC负责对各设备的运行情况进行监控及联锁保护。
二控制系统的实现
1. 系统硬件构成
PLC控制系统由工艺过程监控系统、通信系统、PLC及检测仪表组成。采用分布式计算机分散控制系统，实现对全厂工艺流程的分散控制、集中管理。控制系统采用过程监控级（即*监控站-主站）和现场控制级（即两个智能子站—PLC站）的两层结构，划分*控制室、*分控室、第二分控室三个区域。
过程监控级设在*控制室（主站）内，由两台工控机、两台打印机和通信卡等组成工程师站、操作员站及数据通信系统。操作员站是操作员用以完成对整个污水处理厂进行实时监控功能的岗位，负责对全厂工况进行监控和管理调度，可对每个智能子站中的设备进行操作，但在同一时间内只允许一个站操作同一个设备；工程师站可实现在线控制系统的编程及各种参数设定与修改等任务；数据通信系统则用来提供或接受工业过程的实时信息及与上级管理站的通信等任务。
现场控制级为两个智能子站，分别设置在两个分控室内，由PLC控制器、I/O处理单元及现场检测仪表组成，用以完成数据采集、处理等功能，负责对污水处理厂各个反应处理阶段进行就地分散控制，分站的操作权限由主站来分配。两个智能子站和主站通过现场通信总线相连（PLC控制系统结构配置如图3）。
PLC选用施耐德Premium可编程序控制器，它具有集成的批处理功能和高速数据通信网，以满足联锁控制快速响应的要求。
2. 系统软件
Premium PLC控制系统软件为两部分。
（1）监控级应用软件。
监控级应用软件为Monitor Pro监控软件，具有实时数据库、趋势和实时图表、模拟画面、报警管理、数据库巡航等功能，监控软件采用全汉化界面，设计有工艺流程图、各工艺单元流程图、趋势图、报表、报警、各种电量参数图、各种设备的操作和参数设定画面。操作员通过菜单命令或鼠标点击，可浏览所有工艺过程画面，显示当前状态并按顺序记录、输出；能完成各类数据的记录、存盘、报警，处理打印各种生产报表、曲线图和站图表（显示出泵/阀的状态，提供zui重要的检测值和报警），以及对各阶段的反应时间和设定值的调整等。同时，全厂所有可操作设备均可由操作员在工作站上通过鼠标和权限进行遥控操作，完成生产指挥调度过程。
由于污水处理厂自控系统需经过长期运行，获得经验数据，然后重新调整控制系统，所以各种可能需要调整的参数均可在上位机进行设定，如回流污泥泵、剩余污泥泵的工作时间，溶解氧的控制死区，转碟工作的时间死区等。这样，操作人员可随时根据现场情况调整控制参数，优化工艺运行效果。
（2）编程工具软件。
PLC编程工具为PL7 Pro，该软件可在Windows系列操作系统上运行，多种编程语言可供使用。可对I/O设备进行组态和参数化，能对任何连接到控制总线的节点进行测试和启动，可在线修改系统中任一点的用户程序。并包括*的系统诊断能力、过程诊断工具和远程维护等。
三控制系统的功能和工作状态
为确保在PLC系统意外情况下污水处理的顺利进行，我们配备了自控、手控两套装置，各工艺参数的显示信号分别经计算机和就地常规仪表显示，这样当计算机由于某种原因产生故障或设备检修维护时，可以手动操作。
1. 手动状态
在初试阶段，系统尚未稳定前，可使用手动操作，用鼠标直接遥控现场工艺操作。
2. 自动状态
当工艺处理过程转为稳定运行，工艺参数达到工艺要求时，将系统由手动切换为自动状态。整个系统*由PLC自动控制。无论由A/M、M/A，偏差是否为零，切换过程都是无扰动的，调节输出决不会发生突变。
3. 自诊断
过程诊断、实时时钟，状态和故障显示报警。当设备发生故障时，上位机画面对应设备有红灯闪烁，直至故障消除。报警内容加入报警数据库，并在报警画面显示；报警信息可通过打印机打印；通过报警画面可以查询全部历史故障情况。
四结束语
该污水处理厂所设计的控制系统具有以下特点：
（1）Orbal氧化沟污水处理工艺流程简单，构筑物及机械设备少。Premium PLC控制系统可靠性高，运行管理方便，为设备安全稳定地运行提供了更好保障。
（2）考虑到该厂还将实施二期工程，控制系统的设计在控制网络和可扩展性方面具有较强能力，选用的PLC控制器为*模块化，配置灵活，扩展方便，易于升级。Premium PLC系统还具有标准总线系统接口，用现场总线可实现PLC与上位机间的数据通信，上位机还可通过以太网与公司管理级及调度室实现远程数据传输。