游钟辉

（三达膜环境技术股份有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

当前城市生活污水厂中的处理系统，在自控方面的水平不断提升，技术体系趋于成熟，实际运行中获得了比较好的效果，为高效地处理城市生活污水提供了有力支持。但是在传统的网络布局、系统设计等方面还存在一定的不足，造成自动控制的效果受到了一定影响，影响了污水处理的实效性。因此，为了更加有效地开展污水处理工作，当前有必要对处理厂中的电气与自控设计中不足之处进行分析，并且针对性地提出解决措施。这不仅是提升污水处理工作质量和效率的重要举措，同时也是确保进一步完善我国城市污水处理厂自控体系和提升电气自控水平的有效途径。

1 城市污水处理发展现状

近几年，我国污水治理建设步伐不断加快，每年都增加一定数量污水处理厂数量，与此同时，城市污水处理水平和能力也得到大幅度提高。但是，对于污水处理厂，我国实施的水处理厂污染物排放标准又提出更高要求，必须使其排放的COD、BOD5、TP等水质指标满足要求，然而考虑到早期建造的污水处理厂具有较低的脱氮除磷能力，所以其排放的水质不能达到标准要求。想要改变这一情况，就要对污水处理厂进行升级改造，从而促进其处理能力和处理效果的提高。

2 污水处理厂升级改造原则

为了使污水处理厂排出的水质与国家相关标准规范要求相符合，需要对污水处理厂工艺进行改造，同时更新设备和材料，促进污水处理效率和能力的提高，但是需要注意的是，应以原有工程为基础，不大改和扩建污水厂。

通过全面深入研究污水处理厂实际情况，对比分析多种工艺方案，对工程设计进行优化，对设计过程的各个环节进行严格管控。尽量缩小改造后的工程量，使改造后工程运行起来更加方便快捷，保障污水处理厂应用先进改造技术，并且具有较低运行成本，运行具有可靠性、节能高效等，实现应用较少成本获取较优异效果目标[1]。

3 污水处理厂升级改造思路

通常从改造设备、改造水力、改造工艺等三个方面出发，对污水处理厂进行改造升级。当前造成污水处理厂耗能较高的重要原因之一是其设备具有较低效率且相对陈旧，改造设备后就能够提高其效率，降低能耗，节省能源，使其安全稳定运行。开展升级改造工作中，需要应用高效设备，尤其是风机、污泥处理设备、自动化仪表控制、在线监测等。改造水力是对构筑物不均匀流量分配、溢流、短流等进行稳妥处理，能够辅助设备和工艺进行改造。

提高水质的关键就是升级改造污水处理工艺，此方法应用比较广泛。第一，如果现状进水水质与设计进水水质情况不符合，可以将进水预处理段增加进来，借助将适量药剂增加进来，可以提高去除水中污染物的效率。第二，生物处理单元，对多种复合工艺进行利用，使脱氮除磷能力得以提高。第三，深度处理单元，借助多种工艺的改造如混合、沉淀、过滤、气浮、混凝等，使去除有机物和其他污染物的效率提高。如图1 所示，观察此污水工艺流程可知，处理工艺会直接影响最后排放的污水水质，必须对其给予高度重视。

图1 污水工艺处理流程

以处理程度为依据，可以将城市污水处理分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理、污泥处理。预处理包括粗格栅、细格栅、沉沙池。一级处理包括初沉池，二级处理包括生物滤池、曝气池和二沉池。深度处理通常将混凝沉淀和过滤作为常用工艺，主要目标是对高标准受纳水体要求或者特殊工业用途要求进行满足，这是未来城市污水处理发展主流趋势。污泥处理包括消化、浓缩、脱水、堆肥和卫生填埋。此次污水厂改造主要将缺氧变速生物滤池增加到除尘池和曝气池之间，改造后的工艺流程具体包括出格栅、沉沙池、细格栅、除沉池、生物滤池、提升泵房、曝气池、二沉池。

4 城市生活污水处理厂升级改造电气与自控设计具体策略

工程概况：本次工程各种自控设备经过多年运行已经出现老化等问题，其中中控电脑的使用情况已经接近寿命期限，软件也已经被淘汰，无法与全新的设备相适应。正常情况下该处理厂是利用中央控制级运行、监控等工作。按照当地的实际发展情况，现该厂需要升级改造，主要包括中控设备架构、设备安装地点改变、管线重新敷设、增加PLC通信模块等。

4.1 电气设计

（1）选择变配电所地址。选择变电所地址时，需对本工程附近环境和污水处理厂用电负荷情况进行综合考量，使变电所接近负荷中心与电源侧，为运输设备和进出线提供便利，防止在高温环境或者剧烈震动区域设置变电所。

（2）设计供配电系统。本工程中污水处理厂的主要用电设备包括搅拌机、进水泵、消毒设备、鼓风机等。在实际的设计中，以相关设计规范为依据，需要将二级用电负荷应用于污水处理厂中，适合将两路电源供电引入城市电网中，将单母线分段接线方式应用于开关柜中，在中间设置母联开关，且此开关不自投。将两个干式变压器设置出来，分别用于供电、备用，控制负载率在75%，一旦有故障存在于其中一台变压器时，另一台变压器可以将全部负荷供电任务担负起来。

（3）安全配电设置。将落地配电箱底部适当抬高，控制在50mm，室外控制在200mm以上，防止配电箱中进入老鼠等，同时对底座实施封闭操作。另外，有两条母线与配电室相邻，如果一级负荷存在于每条母线中，需将防火措施应用于相邻母线中。如果同一室内有高低压配电设备，就要将二者距离控制好，通常至少在2m。

（4）敷设电缆。在建筑物内敷设电缆时应用电缆桥和电缆沟。将分层分侧布置方式应用于对电缆和动力电缆的控制中。开展敷设电缆穿管工作时，可以将备用管埋下一些，为日后线路维修和增容工作提供便利。应用电缆手井方式开展敷设工作时，通常情况下具有较小线径，同时拥有较少数量的敷设电缆数量。反之，具有较大线径，较多电缆数量时，就要将电缆人井设置出来。可以将直埋、电缆沟等敷设方式应用于城市污水处理厂，从变配电室将电缆引到室外。为使敷设效率得以提高，在开展土建工程施工工作时，必须将相应尺寸孔位预留出来，使二次穿墙施工概率减少。有机结合室外电缆敷设与排水工程，将排水管线避开，将电缆沟排水工作做好。

（5）选择设备。将具有较高可靠性、先进性的设备选择出来，并且遵守经济性、适用性原则。应用的高压开关柜为中置式金属铠装置，主开关是真空断路器。选择干式变压器，因为其优势比较明显，如优良稳定性、较高效率等。

（6）完善控制体系，实现全厂监控。首先，技术人员在对电气与自控展开设计工作时，需要严格按照处理厂使用需求、系统设计标准开展工作，树立正确设计理念，秉持集中管理、分布控制的全新系统运行理念，保证能够通过完善设计提升处理厂的实际工作效率。想要真正提升人员的意识，不仅需要及时开展多样化的培训工作，使其能够合理地对电气与自控系统进行设计，同时也需要相关人员自身加强工作的责任心，使其能够树立正确的设计理念，从多个方面综合地考虑系统需要。其次，需要对处理厂中现有的监控体系进行完善，完善对应的制度，提升人员对于监控工作的重视程度，保证监控系统运行中获得的信息能够得到充分利用，为完善设计提供一定支持。

4.2 PLC系统设计

计算机硬件资源和PLC控制的人机系统组成了电气自控系统。借助计算机，操作者能够有效运转各个机器，同时将监控参数提供给每台设备，通过计算机实时控制系统能够有效连接对象和计算机系统，利用采集系统在计算机中输入相关信息，通过实时运算后，使实时控制得以完成。将电气自控系统应用于污水处理厂的目的是完成校验污水处理过程中参数的任务，从而使合理控制得以实现。PLC和VB是系统程序设计的主要部分，负责自动化控制的是PLC，负责将信息数据传递给PLC的是VB程序。

（1）设计PLC系统模块和代码。电气自动控制系统的内容主要包括石英砂过滤器自动反冲系统、曝气池滤池自动反冲系统、主程序、变量及参数设计。通常情况所有子程序的总入口都可以应用主程序，在设置相关参数时需以具体需求为根据，适当调整，使实用性增加，因此，为避免调整的繁琐，通常在子程序中设置一般参数。大多数时候都不会改变中间变量，如果实际情况发生变化，为了满足需求而改变时，就要大幅度调整整个程序，因此，在具体实践中将其设置为一个子程序，一旦需要调整就比较方便。曝气滤池和石英砂过滤器自动反冲系统具有相对复杂性，究其原因，主要是为使整个过程的自动化得以实现，需要借助多个阀门控制电气，而大多数阀门的开关操作都是借助小型电动机正反转，在系统发出指令后，电动机会向已定方向转动，在此期间，实现阀门指定目的，然而，这时处于运转状态的电动机容易损坏，这就需要给予重视，将具有限制的特定功能设置出来，即指令发出30s后自动断开电动机电源，从而保护电动机。

（2）设计PLC系统与功能。以集中控制原则为根据设计自控系统，即结合现场仪表和电气设备，使整体监控系统得以形成，能实现有效的自动控制和手动控制。应用手动控制，需要注意应用现场控制箱与控制室的控制键盘；自动控制仅仅应用计算机系统。设计自控系统时，一般具有专门控制柜和监视台，这样就能实现及时准确记录整个系统运行情况的目的。实际工作时还要根据情况对其控制顺序进行调整。

（3）设计VB系统。第一，简单易懂是对操作界面提出的要求，这样有利于让操作员快速掌握方法与程序，有利于节省时间，提高操作效率。第二，操作员需要实时监控所有设备，同时准确记录每台设备运行状况。第三，将设备故障和运行记录工作做好，将准确参考依据提供出来，方便日后工作。

表1 电气自控系统的设计

以本工程的城市污水处理厂系统来说，设计中可以采用由中央监管计算机、PLC现场控制子站组成的自动化控制系统，其主要是由工业以太网为核心的网络交换机将其连接在一起，实现高效的数据信息交换、共享。系统一般由两台监控管理计算机构成，各自分担不同的功能，具备比较高的信息收集效率，能够对系统运行中出现的大量信息进行收集和整理，以最快速度传递到相关人员面前，相关人员按照反馈的信息对系统进行调节，达到最佳的系统运行模式。同时系统中也包括污水分析仪器、实时监控仪器、水质分析仪器等，多种设备结合在一起开展工作，能够实现对污水处理的动态监控和管理[2-4]。

5 控制系统方案设计

由图2可知，100M工业以太网是整个污水自控系统的一个基础控制系统，工业以太网上有PLC1、PLC2、触摸屏和工业计算机，它们之间具有独立性，借助以太网开展通信工作。观察DCS系统典型结构可知，属于现场控制级别的是PLC1和PLC2，分别位于预处理配电室、泵房；属于监控级别的是操作员站和泵房的触摸屏操作终端；属于管理级别的是工程师站，位于中央控制室。考虑到有大量电气设备存在于现场，想要防止通信被外界干扰，将四芯多模光纤作为通信介质，有两芯备用。各个设备在以太网上的IP具体是：

图2 控制系统网络结构

工程师站：192.168.0.11

操作员站：192.168.0.12

现场操作终端：192.168.0.13

触摸屏操作终端:192.168.0.23

以控制规则为根据，可以将控制系统分为三个层次，分别是现场就地控制PLC联动控制中央监视，各层次功能是：第一，现场就地控制，借助现场电控柜开展控制工作，通过控制柜选择开关行使相应功能，用于紧急情况或者更换设备时，其控制权限最高。并且如果有故障发生于上位机PLC中， 同样可以借助现场电控柜控制设备，防止停止生产导致损失产生。第二，PLC联动控制，可以将其划分为自动控制、手动控制，如果PLC控制被选定为电控柜相应设备的控制方式，PLC可以应用相应工艺开展控制工作，并且将采集水质数据的工作完成，避免误操作产生[5]。第三，中央监控，借助网络可以将PLC控制采集的仪表数据传输至中央控制室，中央控制室可以完成一些功能性操作，如记录数据、处理报表、显示全场设备状态、打印、报警等。

7 结语

在城市生活污水处理厂电气与自控设计工作中，需要严格地按照相关程序开展设计工作，明确设计中存在的不足，通过优化总线布局、完善控制体系、提升维护效率等方式，保证设计的合理性和有效性。这样不仅能够保证系统与处理厂的实际情况相符，保证处理系统的运行效率和质量，同时也可以真正有效提升污水处理的质量和效率，为解决我国城市水资源短缺、促进城市化进程作出应有的贡献。