张华

(中船第九设计研究院工程有限公司 ，上海　200062)



污水处理工程中的监控系统设计

张华

(中船第九设计研究院工程有限公司 ，上海200062)

介绍了某污水处理工程中的监控系统的设计方案和控制系统组成，对污水处理工程中监控系统的设计原则进行了阐述，对污水处理工程中的检测仪表的选择进行了介绍，指出了在污水处理工程中PLC控制站设计中的注意事项。污水处理工程中的监控系统的设计要求是技术先进，运行稳定、可靠，经济合理。通过在污水处理工程中运用监控系统，减少了工作管理人员的配置，降低了人力成本，大大提高了污水处理厂的自动化程度。

监控系统；污水处理工程；设计；控制系统；中央控制室；检测仪表

0　引　言

随着我国工业化的发展，环境污染日益加重，污水处理的问题越来越受到社会各界的广泛重视。为了走环境和经济共同发展的良性循环之路，实现可持续发展、改善人们的生活环境，实施污水处理工程项目建设，将有效解决工业发展和人口增加带来的工业废水、生活污水处理问题，更好地保护城镇水环境，改善人民生活质量。特别是当前的城镇化建设，对污水处理厂的需求也日益增加。为了提高污水处理厂的管理水平和自动化程度，在污水处理厂中运用监控系统是十分必要的。本文着重介绍某污水处理工程中的监控系统的设计方案和控制系统组成及选型，以供大家探讨。

1　污水处理工程监控系统设计原则

污水处理工程监控系统根据生产过程和工艺流程的要求设计，包括污水处理全过程的自动控制系统以及仪表自动检测系统。系统构成及设备选型原则是技术先进、运行稳定、性能可靠、经济合理。系统设计采用分散控制、集中管理、信息共享；选用的自动化仪表要求可靠实用、易于维护[1]。由于本处污水处理工程考虑分期实施，对于监控系统工程硬件不考虑远期工程，只预留扩展柜位。

2　控制系统组成

本处污水处理工程的控制系统由中央控制室和PLC控制站组成。污水处理工程中的设备大多为水泵、风机、搅拌机等，要求在现场及远程二地控制，正常运行时按工艺程序自动控制，因此监控系统采用二级分布式计算机控制管理系统，系统包括中央控制室和配电间、集水井泵房、RO(反渗透装置)机房、MBR(膜分离和生物处理反应装置)机房、污泥脱水机房各个PLC站及现场在线检测仪表，监控系统示意图如图1所示。

2.1中央控制室

2.1.1中央控制室组成

本处污水处理工程的中央控制室设在RO机房内，由交换机、工程师站和操作员站组成。包括工控机(主机、19″彩色液晶显示器、功能操作键盘、鼠标及系统软件、接口等)、打印机、不间断电源、通讯装置及投影仪。监控管理计算机可分别侧重监控或管理功能。监控管理计算机将现场PLC实时采集到的信息，建立信息数据库并绘制出各类工艺参数值的趋势曲线，供管理人员分析比较，以便找出最佳运行规律，还可以分析事故原因，优化设备运行，保证出水水质，提高经济效益。监控管理计算机操作站通过人机对话的方式操作，在自动状态下可在上位机上用键盘或鼠标对有关设备强制手动操作。 根据在线仪表检测数据、设备运行记录、化验数据等形成生产报表，内容包括水质分析、运行参数、工艺分析及技术经济分析等，供生产管理用。 操作站内设一块彩色显示屏幕，可显示全厂平面、工艺流程、设备运行状态、仪表测量值及报警信息等。

图1　污水处理工程监控系统示意图

2.1.2中央控制室系统要求

现场各种数据信息由现场PLC采集，通过现场工业以太网传送到中央控制室操作站，管理人员可以在中央控制室操作站集中监控和管理[2]。同时，中央控制室主机的指令也可以通过现场工业以太网传送到现场PLC的终端，现场各PLC单元可以就地独立运行，且受中央控制室远程控制。通过网络交换机和分布在各现场的监控设备联网，实现全部生产过程的计算机监测，为了提高传输速率，增强系统的抗干扰能力，中央控制室和现场内的各单体PLC控制系统采用光纤环网连接。系统具备自诊断功能，可以在运行中自动诊断出系统中的故障，并且在监控软件中能及时、准确地反映出故障状态、故障时间、故障地点等相关信息[3-4]。

系统具有开放性强、易于维护的特点，保证生产的连续稳定运行。

全厂数据采集上位计算机具有如下功能：

(1) 采集各分站的运行参数。

(2) 在线设定运行参数。

(3) 提供操作人员人机界面。

(4) 数据处理及历史数据存储。

(5) 当现场处置工艺过程或设备运行出现异常时，中央控制室立即响应,发出声和光的报警提示信号：

(6) 打印、报表管理。

(7) 系统可在工业环境下长期、稳定地运行。

(8) 具有较强的扩展能力，可以对其进行扩展、升级。

2.1.3中央控制室系统软件：

上位机是污水处理站工作人员进行操作控制的，将用户需要显示和控制的点连接到画面上，让操作者了解生产的情况和监视控制设备的运行。

上位机画面分为总工艺流程画面、各个单体画面(主要是调节池进水、生化池处理、MBR系统、脱水机系统、RO系统)、参数设置画面、历史曲线画面、报表画面等并实现打印功能。

(1) 工艺流程画面主要是让用户能知道整个系统的工艺控制，熟悉工艺，了解生产过程。

(2) 单体画面主要是反映生产状况和控制调节生产中的设备，从而达到更好的生产。

(3) 参数设置是操作工程师根据生产的实际情况和经验判断及时更改生产中的参数，更有利于生产。

(4) 历史曲线画面是操作工程师和操作员调用历史查询功能，根据生产的曲线调节生产。

(5) 报表查询功能，是基于SQLSERVER数据库的报表，可以查询打印。

2.2PLC控制站

2.2.1PLC控制站构成

根据污水处理流程及设备平面布置，采用分散式PLC网络系统，现场PLC站共分为5个。其中2个现场PLC站为：配电间PLC站、集水井泵房PLC站，另外3个成套设备配套的现场PLC站为：MBR系统PLC站、RO系统PLC站、污泥脱水系统PLC站。MBR系统设备控制箱、RO系统设备控制箱和脱水机房设备控制箱均由成套设备商配套供货，箱内控制系统提供与现场总线的接口连接。MBR系统设备、RO系统设备、污泥脱水设备由成套设备的PLC控制,按预先编制的程序运行。

控制范围为：集水井泵房PLC站控制范围为集水井、调节池设备的检测控制；配电间PLC站控制范围为配电间、水解酸化池、加药间、物化沉淀池、鼓风机房设备的检测控制。根据编制的程序由PLC控制设备的自动运行、手动控制，同时检测各项水质参数。(3个成套商提供的PLC站，根据所提供PLC编程程序，提供相应的控制及检测参数)。根据污水池的进水量调整鼓风机的风量，加药间的加药泵的加药量，达到最佳配合模式。

2.2.2检测仪表的选择

为了便于与计算机系统连接和维护管理的方便，仪表全部采用智能型测量仪表；考虑到水质及现场环境的条件，为防止探头结垢，尽量选用非接触式、无阻塞隔膜式、自清洗式的传感器，且户外安装的仪表变送器防护等级达到IP65，浸没在水下的传感器防护等级应达到IP68。为了保证仪表信号的可靠性，仪表带有温度补偿且采用4～20 mA的输出信号[5]。污水处理工艺流程框图如图2所示。

(1) 调节池

调节池设pH/T位计1套，检测进水的pH值和温度。集水井、调节池各设置液位计1套，检测池内液位。调节池提升水泵每组设置电磁流量计一台，共2台。

(2) 物化沉淀池

设pH/T位计2套，检测进水的pH值和温度。

(3) BIOFIT生化池

生化池内设DO仪每组1套，共2套，检测池内的溶解氧。

(4) 污泥池

污泥池设置液位仪2套，检测池内泥位。信号送入污泥脱水PLC站。

(5) 鼓风机房

鼓风机采用变频风机，并由PLC控制器进行变频控制， 在鼓风机的出气管安装涡街流量计2台，每组2台，共4台。连续测量显示风量。同时设压力变送器，对鼓风机出口压力测量显示，压力变送器每组2台，共4台。风量、压力就地显示，并将信号送至中央控制室集中显示。

图2　污水处理工艺流程框图

2.2.2PLC软件开发

根据工艺和控制要求，编制相应的控制逻辑。

PLC软件编程采用直观的梯形图语言，方便修改和维护。梯形图编程语言的特点是：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致。

PLC采用以太网 (TCP/IP)协议进行上传和下载，无需到各个站点，直接在中控室进行程序的修改和完善。PLC除了能完成各种各样的控制功能外，还能与其他计算机通信联网。

2.2.3PLC控制站设计中的注意事项

(1) 根据系统规模确定是用PLC网络还是用PLC单机，根据工艺设备情况计算出PLC输入、输出点数，并且要留有百分之十的余量。对于成套设备中自带的PLC的接口及网络通信协议要求与工程中选用的一致。

(2) 根据工艺设备情况确定PLC输出端的负载是直流还是交流型，是大电流还是小电流，根据PLC输出点运行频率和负载的性质(电感性、电阻性)等，确定PLC输出端的类型，选用继电器输出或晶体管输出。

(3) 运行速度与存储容量; 一般运行速度越快、存储容量越大的PLC价格就越高，应根据系统的大小合理选用PLC产品。

(4) PLC对输入电源的要求相对较低，通常较容易满足要求。但是当供电线路存在干扰或电网波动剧烈时，为了保证PLC的正常工作，应考虑在电源输入回路加隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。DC回路与AC回路应分开布线,输入/输出连线与电力线分开敷设，输入信号与输出信号不能在同一根电缆内，应采用单独的连接电缆[6]。

3　结束语

通过在污水处理工程中运用监控系统，工作管理人员可以在中央控制室对现场设备的运行进行监视，并且可以遥控操作，减少了工作管理人员的配置，降低了人力成本，大大提高了污水处理厂的自动化程度。监控系统还可以对污水处理的运行情况生成数据报表并进行储存留档，大大提高了污水处理厂的生产管理水平。

[1] 李长久.PLC原理及应用[M].北京：机械工业出版社,2006.

[2] 李朋朋. 广西北流污水厂自控系统的设计与实现[D].广西：电子科技大学，2011.

[3] 陈友莉.PLC自动控制系统可靠性浅谈[J].电气工程应用，2014,30(1)：15-16.

[4] 中国工程建设标准化协会化工分会GB50093-2013工程自动化仪表工程施工及验收规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

[5] 李振胜.在工业自动化生产过程中PLC控制系统的设计方法[J].工业仪表与自动化装置,2007,37(2)：35-38.

[6] 王德毅. PLC抗干扰分析及措施[J].电气传动，2010，52(4)：78-80.

Design of Monitoring Systems in Sewage Treatment Projects

ZHANG Hua

(CSSC Ninth Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200062, China)

This paper presents the design scheme of the monitoring system of a sewage treatment project and the composition of its control system. It elaborates the design principle of the monitoring system of the project, describes the selection of its measuring instruments, and points out the matters needing attention with respect to the design of the PLC control station. The monitoring system in the sewage treatment project has to be designed as technologically advanced, operationally stable and reliable and economically reasonable. The application of the monitoring system in the sewage treatment project can reduce allocation of administrators, lower labor cost, and greatly improves the level of automation in the sewage treatment plant.

monitoring system; sewage treatment project; design; control system; central control room;measuring instrument

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.030

X84;TP272

A

1000-3886(2016)02-0100-02

张华(1968-),男，上海人，高级工程师，主要从事建筑电气设计。

定稿日期: 2015-09-06