中山市污水处理有限公司 黄南平

小型污水处理厂自动控制技术探讨

中山市污水处理有限公司 黄南平

一、工程概况

1. 工程概况。某城市污水厂设计规模为10 000m3/d，出水要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B排放标准。处理工艺为粗格栅→提升泵房→细格栅→沉砂池→水解酸化池→SBR池→紫外消毒池→出水。污泥脱水采用浓缩脱水一体机，脱水后外运填埋。设计进出水水质如表1。

表1 设计进出水水质

2. 自控系统概况。自控系统由1个中央控制室、3个现场控制站组成。1号PLC控制站位于鼓风机房操作室内，2号PLC控制站位于曝气生物池（SBR），3号PLC控制站位于脱水机房控制室，中控室设于综合楼的二层。操作站与现场控制站通过工业以太网（环网冗余）相连，中控室负责全厂的生产监控，实现数据检测、存储、报表打印、故障报警、动态画面显示等数据处理及过程监视控制功能，PLC接收各在线检测仪表传输的信号及受控对象的手/自动状态、运行状态、故障报警信号，经PLC程序控制器进行运算和程序控制，并把信号向中控计算机传输。

根据工艺与运行需求，配置必要的检测仪表及控制系统，仪表及控制系统的设计按集中显示、分散控制的原则进行。处理厂工程采用二级分布式（集散型）计算机控制管理系统方案。采用这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理，以实现整体操作、管理；同时，也可使生产过程中的控制危险分散，提高系统的可靠性。整个系统分成两个管理级，即由中央控制室操作站OPS和上层管理计算机组成的上位管理级，由现场各分控制室及现场在线测量仪表组成的现场管理级。现场各种数据通过PLC采集，并通过现场高速数据总线（工业以太网）传送到中心控制室操作站OPS集中监视和管理。同样，中央控制室主机的控制命令也可通过上述高速总线传送到现场PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。另外中央控制室的上层管理计算机，将完成全厂的数据库管理工作和模拟屏等的驱动工作。

二、主要构筑物段自控方式分析

1. 粗、细格栅自动控制系统。对格栅设置四种控制方式：水位差自动控制（粗格栅）、时间控制、遥控、手动控制。一般情况下，在格栅前后设超声波液位差仪表，根据水位差测量仪测得的格栅前后水位差值自动控制机械格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当机械格栅停止运行的时间超过设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计。

PLC系统将根据软件程序自动控制输送栅渣压实机、机械格栅的启停顺序、运行、停车以及安全连锁保护。任何一台格栅启动时，均启动输送机和栅渣压实机。

2. 水泵自动控制系统。在泵池设超声波液位仪表，根据水位测量仪测得的泵房水位值自动调节水泵的变频器，来控制泵流量、增减水泵的台数。当泵房水位高至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序自动调节水泵的变频器来增加泵流量，及至泵的运行台数；相反，当泵房水位降至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序调节水泵的变频器，减少泵的流量及泵的运行台数。同时系统累积各个水泵的运行时间，自动轮换水泵，保证各水泵累积运行时间基本相等，使其保持最佳运行状态。当水位降至干运转水位时，自动控制全部水泵停止运行。在监控管理系统和就地控制系统的操作面板上可以设定水位值。此外，在水泵的控制柜中加装仪表自控转换开关，在PLC不能正常投入使用的情况下，可通过超声波液位仪表自身的继电器根据水位自动控制水泵的开停。

3. 生物池（SBR池）的自动控制系统。在生物池设置超声波液位计、溶解氧检测仪、MLSS检测仪、氧化—还原电位、电磁流量计等仪表，生物池的生物处理过程就是由PLC按照检测仪表的实时测量值和预先编制的控制程序相互配合，来完成生物池中各种工艺设备的启停，自动控制系统包括进水控制、循环控制、空气曝气量自动调节、滗水器控制、回流污泥控制。

（1）进水控制。通过水位计检测生物池水位。当水位值达到设定值时，自动关闭进水阀，停止进水。

（2）循环控制。由PLC按照预先编制的程序完成，一个完整的生物处理过程包括四个阶段：进水、曝气、沉淀、滗水。每个阶段一般为1小时，也可根据进水量通过监控管理系统和就地控制系统的操作面板进行设定。循环过程如下。

第一时段 第二时段 第三时段 第四时段1#池 进水/曝气 曝气 沉淀 滗水2#池 滗水 进水/曝气 曝气 沉淀3#池 沉淀 滗水 进水/曝气 曝气4#池 曝气 沉淀 滗水 进水/曝气

（3）空气曝气量自动调节和鼓风机的控制。活性污泥工艺中重要的控制变量最初DO控制的目的是减少曝气量，节省能耗。控制DO浓度维持在预先选择的设定值已是一个成熟的技术，通过简单的PI 或 PID反馈控制很容易实现。应用开关控制也可控制DO浓度维持在设定值附近上下限范围内，保证生物池中的生物处理过程能够顺利进行。空气调节的方法如下：首先根据池中的溶解氧值来调节鼓风机的变频器控制空气量。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。各调节相互关联，相互影响，最终达到最佳状态。鼓风机自身控制系统的PLC将带有通信模块和通信接口，与现场分控站PLC1采用总线方式的通信。上位监控管理计算机可远程监测鼓风机系统全部设备的运行状态和故障报警，也可远程控制鼓风机系统开停。

（4）滗水器控制。滗水器设置两种控制方式：时间控制和液位控制。通过设定时间来控制滗水器的运行，当池内液位达到设定最低值而设定的滗水器的运行时间还没结束时，PLC将执行液位控制，停止滗水器动作。当池内液位没达到设定最低值而设定的滗水器的运行时间已结束时，PLC将执行时间控制，停止滗水器动作。滗水器动作停止后将自动复位。

（5）回流污泥量的自动调节。为保证生物池中污泥混合液浓度，在工艺生产要求的范围内，采用按时间控制的方式。PLC根据时间控制回流污泥泵的运行时间，实现进水量与污泥回流量的合理配比，从而保证生物处理的质量稳定性。可以通过监控管理系统和就地控制系统的操作面板，设定回流污泥比例和污泥回流泵的运行时间。

4. 污泥脱水的自动控制。污泥脱水过程按污泥脱水系统自身PLC预先编制的程序控制运行。污泥脱水的程序控制采用时间控制和手动控制。系统设计带有启动时序和停止时序，以及安全保护程序。在药液已制备完成的前提下，设备的启动次序依次为倾斜式输送机、水平式输送机、浓缩脱水一体机、加药泵、进泥泵，停止顺序与之相反。污泥脱水系统的PLC带有通信模块和通信接口，与现场分控站PLC2采用总线方式的通信。上位监控管理计算机可远程监测污泥脱水系统全部设备的运行状态和故障报警，也可远程控制污泥脱水系统的开停。

三、主要的闭环自动控制系统特点

全厂的设备均采用自动控制、遥控和就地控制三种控制方式。

1. 现场手动模式。设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱或MCC控制柜上的按钮实现对设备的启停、开关操作。

2. 就地检修维护模式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式时，设备控制权在LCS（Local control station）控制站。操作人员通过LCS控制站的操作面板选择“手动”方式，利用监控画面或键盘对设备进行检修操作。

3. 遥控模式。即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且LCS控制站的操作面板上选择“遥控”方式时，操作人员通过中控系统操作站的监控画面用鼠标器或键盘选择“遥控”方式并对设备进行启停、开关操作。

4. 自动模式。现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且LCS控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时，设备的运行完全由各LCS根据污水处理厂的工况及生产要求来完成对设备的运行或开关控制，而不需要人工干预。

控制方式设计为就地手动控制优先。在此基础上，设置远程遥控和自动控制。控制级别由高到低为现场手动控制、就地检修控制、遥控控制、自动控制。

手动方式是操作人员的专有权利，因为过程连锁在此模式下无效；而自动模式下，安全连锁是有效的，并限制操作的可能性，可防止非正常状态下运行。离工艺过程越近的控制层具有更高的优先权。

四、结论与建议

本系统投入运行以来，运行稳定可靠，完全达到了最初设计的要求，实现了对整个污水处理工艺的集散控制和管理。该控制系统在污水处理中的运用满足了该厂的自动化水平要求，提高了污水处理的质量。同时，降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率，取得了良好的经济效益和社会效益。

污水处理所涉及的控制系统规模较大，系统工艺流程复杂，各工艺过程地理位置较为分散，是一个多变量、多回路、大滞后、非线性的复杂系统。污水处理涉及一些生化反应过程，如污水的曝气过程，是一个大滞后的过程，选择既保证控制效果又不能太过于复杂的控制策略是一个重要的研究课题。