曾繁明

（正德职业技术学院，南京 211106）

近年来，我国中小城市发展迅速，城市生活污水量不断增大。污水处理不好会造成严重的环境污染。江苏省某县污水处理厂日处理污水2×104m3，处理标准为一级A，采用循环式活性污泥法（Cyclic Activated Sludge System，CASS）污 水 处 理 工 艺。CASS污水处理工作分为曝气、沉淀和排水3个阶段。使用CASS处理污水的过程中会周期循环进行上述3个阶段，同时由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）构成的控制系统在运行过程中监测进水水质，根据排放标准和污水处理工艺，对污水处理设备和处理过程进行控制和监测，使得出水水质达到排放标准，同时降低运行费用，保障污水处理设备始终处在高效、安全的工作状态。

1 CASS污水处理工艺流程

该污水处理厂厂内主要污水处理设施有粗格栅及提升泵房、细格栅及沉砂系统、CASS池、鼓风机房、污泥浓缩池以及污泥脱水机房等[1]。污水通过粗格栅进入提升泵房。泵房内配置3台潜污泵，2用1备。泵房上方设计有1台电动起重机，可在安装及检修时提升潜污泵。污水经潜污泵提升至格栅处过滤后再到沉砂池，经过吹砂机、砂水分离器后进入CASS池。CASS反应池集曝气、沉淀为一体，末端设置有1台旋转式不锈钢滗水器。滗水器的出水经过集水井流入消毒池。反应池内部设置水下搅拌器，满足池内污水脱氮除磷的要求。根据CASS池曝气量的需求，鼓风机房内设有3台鼓风机，2用1备。机房上方设计有1台电动单梁悬挂式起重机，便于鼓风机的安装及日常维护保养。紫外线消毒灯管设置于出水槽的前端，采用机械式自动清洗装置进行日常清洗。CASS池产生的剩余污泥进入污泥浓缩池，浓缩产生的上清液经管道送回提升泵站的集水井，沉淀产生的污泥则由污泥泵输送到污泥脱水机房。机房内采用2台带式脱水机，1用1备。污泥在带式脱水机内经过多道压榨脱水后，通过螺旋输送机直接送至装料车间的污泥运输专用车斗内外运。脱水机房内还配有空气压缩机和絮凝剂添加设备。

2 控制系统硬件组成

污水处理厂自动控制系统采用集散式控制方式。现场控制站盒监控计算机经由通信系统联网组成控制网络，实现就地手动控制、远程遥控控制和自动控制，其中就地手动控制的优先级最高。现场控制柜上设置“就地/远程”开关，当选择“就地”方式时，可以通过控制柜上的按钮对设备进行启/停控制。当选择“远程”方式时，通过PLC控制站控制设备。操作人员在PLC控制站的操作面板上选择“手动”方式，可以用键盘对设备进行检修操作，也可通过操作面板或操作站监控画面选择“遥控”方式，对设备进行启/停控制。当现场控制柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式且“自动/遥控”设定为“自动”方式时，PLC完成对设备运行的自动控制，不需要人工干预[2]。

中控室设在污水处理厂的综合楼内，监测、控制、管理污水处理的全部工艺过程。监控管理机采用工业控制计算机，配置1台故障打印机和1台高清晰度投影仪，动态显示现场数据、主要设备的状态、电气控制系统的状态、各种报表以及数据曲线等内容。中控室可直接控制紧急排放、配水闸门等全厂运行调度的设备，主要负责运行调度、参数分配和信息管理，一般不直接参与设备控制。中控室通过网络对控制层的PLC分配运行控制目标，由PLC控制站完成对工艺设备等被控对象的控制管理。中控室也可以禁止某台设备投入运行，同样由PLC控制站执行中控室指令。PLD 控制站控制禁止投入的设备退出运行，同时将图标变为灰色，标记为设备不可用。系统配有2台监控管理机，互为备用。如果其中一台出现故障，另一台不受影响，能实现控制和数据的高可靠性。控制系统采用10/100 Mb/s工业以太网，通过光纤、交换机将各个现场控制站、中控室操作站、化验室操作站以及变电站综合保护系统等连接起来，构成星型拓扑结构[3]。

控制层是实现系统自动控制的关键。控制层的PLC通过控制程序实现对现场设备运行状态及参数的采集，执行来自管理层的指令。PLC采用罗克韦尔自动化公司的SLC 500，根据控制功能和控制点数进行配置，共设置了配电间PLC工作站和脱泥车间PLC工作站2个控制站，采用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）模块SLC-5/05、模拟量输入模块1746-NI8/NI16、模拟量输出模块1746-NO4I、开关量输入模块1746-IV32/IV16和开关量输出模块1746-OW16。控制站和上位机通过光纤以太网相连，控制网络采用基于Ethernet的用于过程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）通信协议。1#PLC控制站设在滤格配电中心，负责的测控管理区域为鼓风机房、厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、沉淀池集配水井、工厂进水、粗格栅、进水泵房、细格栅、旋流沉砂池、泵房配电间以及总变配电室，主要控制中间提升泵房设备、滤格阀门、风机、反冲泵、进水、反冲洗过程、回流、剩余污泥泵以及二沉池吸挂泥机等，并采集以上工段的仪表信号、出水流量、反冲洗流量和回流污泥流量计信号[4]。2#PLC控制站设在加药间，负责的测控管理区域为消毒池、加药及消毒控制间、污泥脱水机房以及监测控制室等，主要监控预处理段设备的运行情况、氧化沟上设备的运行情况、预处理段仪表及氧化沟仪表以及脱水机运行情况等。部分工艺设备自带控制单元，通过接口与所在区域的PLC相连。

现场仪表选用精度适宜、稳定可靠、免维护的数字式、智能化仪表。现场转换器带数字显示。水质分析仪表配备自清洗装置。此外，还有连续非接触式双通道超声波水位差计、玻璃复合电极、内置温度传感器的pH/温度检测仪、覆膜式浊度或悬浮物浓度仪、荧光法原理测量溶解氧测量仪、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）测量仪（投入式，紫外光测量，无须任何药剂）以及电磁感应测量污泥/污水流量的电磁流量计。现场各类设备的运行状态、各仪表参数等数据由PLC通过以太网传输到中控室管理机予以存储及显示。

3 控制系统的软件设计

3.1 PLC控制程序设计

PLC程序设计采用RSLogix500。RSLogix500是针对SLC 500系列PLC的基于Windows的梯形图逻辑编程软件包，可根据污水处理工艺流程开发设计控制程序。

3.1.1 格栅自动控制

格栅前后水位差阈值由水位差测量仪检测，通过信号送入PLC，然后PLC输出自动控制机械格栅的启动和停止。当机械格栅长时间停止运行超过设定的时间值时，系统按时间表控制，自动启动机械格栅。自动模式下，PLC按程序自动控制栅渣输送机的起停、机械格栅的起停以及安全联锁保护。水位差设定值、格栅的运行时间及格栅运行周期均可调整。

3.1.2 泵组自动控制

根据物位测量仪的检测值自动控制多台泵组的轮值运行。当物位升高至某一设定值时，自动增加泵的运行台数；当物位降低到某一设定值时，逐台减少运行水泵的台数。此外，物位测量仪自动累积各水泵的运行时长，根据不同时长自动轮换备用泵，保障各泵的累积运行时间大致相同。当有泵出现故障时，故障泵会自动切出自动控制程序；当物位降到干运转保护位置时，系统可自动停止全部泵的运行，以保证各泵的安全。

3.1.3 旋流沉砂池系统的控制

污水以一定的流速切向进入沉砂池，在重力和离心力的共同作用下，比重较大的砂砾会沉降到池底的集砂槽，待搅拌器启动桨叶旋转后形成一个轴向涡流排出污水。在自动运行模式下，控制器定时启动搅拌器，使得搅拌叶轮连续运行进行排砂，同时联动控制砂水分离器等设备。排砂管道上设置固体密度传感器，根据检测值控制排砂过程和排砂量。如果固体密度传感器的输出低于某一数值，意味着沉砂已基本排尽，这时会自动关闭排砂泵，并顺序关闭相关设备。

3.1.4 曝气量的自动调节

设计采用适当的传感器检测生物池的溶解氧和生物池空气管的流量。这两个检测值通过模拟量输入模块输入PLC，通过运算形成一个控制量来调节空气管上的电动调节阀和进气量。溶解氧值可以在控制中心或现场控制柜的操作屏上进行设置。

3.1.5 鼓风机压力自动调节

根据设定的溶氧值控制鼓风机的运转台数和转速。鼓风机是二次方率负载，消耗的功率与转速的三次方近似成正比。空气流量和转速成正比，在满足空气需求量的前提下，降低转速可节省能耗。空气压力和转速成正比，压力控制和曝气量调节相互之间有影响，通过模糊算法控制，可使处理过程处在最佳状态[5]。

3.1.6 污泥回流量自动调节

根据生物池进水量的多少和回流污泥浓度的大小，控制回流污泥泵的运转台数和运转速度，以保证污泥混合液浓度在一定的范围内和生物池微生物的需要量。此外，通过操作屏可以设定回流污泥比例。

3.1.7 电动闸门的控制

电动闸门的操作箱面板上设手动/远动转换开关。在手动状态下，工作人员通过按钮控制闸门的开闭。在远动状态下，在中控室通过键盘或触摸屏遥控闸门的开闭。此外，位于中控室的模拟屏会实时显示闸门的状态和工况。

3.1.8 污泥浓缩脱水自动控制

污泥浓缩脱水设备采用顺序控制，启动顺序依次为倾斜式螺旋输送机、水平螺旋输送机、浓缩脱水机、加药泵、进泥泵和污泥切割机。需要注意，停止的顺序与开机顺序相反。当药液罐的液体较少、液位较低、进泥流量较低或任何一台设备发生故障时，系统停止运行并发出报警信息。每天允许的运行次数和每次运行的时间在操作屏上进行设定。

3.1.9 沉淀池排泥控制

沉淀池内的泥位计检测到泥位达到设定值时，控制吸泥车开动进行排泥或定时自动排泥。

3.1.10 加氯的自动控制

根据进水流量和浊度控制加氯机按比例自动加氯，并根据出水余氯值进一步修正加氯量，使加氯量始终处于最佳值。

3.1.11 电力监控

在中控系统设置电力监控程序，监控电力系统电压、电流、相位、功率因数、开关状态、变压器温度、各主要用电设备的状态和电量数据等，计量各用电设备的电力消耗，以便分析其能耗状态，采取措施进一步降低能耗，节约电费。

3.1.12 电气设备控制

电动机控制方式通过在各个电气设备控制箱/柜上的就地、停止、自动选择开关来控制。就地方式下，电气设备运转由工作人员操作，不受自控系统控制。自动方式下，电气设备由自控系统控制。切换控制方式时应延迟10 s，以避免在自动方式下设备即时启动。电气设备的控制信号全部采用无源触点，主要有自动/手动信号、运行/停止信号或开启/关闭信号、紧急停车信号、机械故障和电气故障信号、保护或连锁报警信号等。电气设备的联锁装置不受自控系统支配，但安全联锁装置应连接PLC，以便及时传输报警信号到控制室。

3.2 上位机监控程序设计

上位机监控程序采用组态软件开发设计，监控画面有工艺流程图、报警记录、实时趋势图、历史趋势图、报表以及参数设定等功能画面和按钮。在主画面工艺流程控制图部分可浏览污水处理厂中各测点当前值，主要显示厂区中各液位、液位差以及混合液悬浮固体浓度值等。通过点击设备图标，可以查看设备运行状态和控制设备。例如，点击“2号粗格栅设备”，马上会弹出该设备的控制盘，这时操作人员可以操作该设备。当设备运行时，在设备及控制盘上有相应的动画指示设备状态，如搅拌机的浆叶会旋转、管道中的水流流动等，同时设备颜色会变为绿色，表示设备正在运行。设备故障时，故障设备的颜色会变成红色并闪烁，且会弹出报警窗口，提示操作员有故障产生。既没运行也没发生故障时，设备的颜色显灰色。当发生报警时，画面中会自动弹出一个报警提示窗口，同时发出警报声提示操作人员。关闭报警窗口后，点击故障设备，在弹出的设备控制盘上的状态栏上也可清楚看见故障状态，如电气故障、过载故障、超温漏水漏油故障等。历史报警记录负责记录已发生过的报警信息。为方便查询，历史报警记录分为设备故障历史报警和参数历史报警两种。黄色的报警信息表示的是发生过报警但未确认或没有来得及确认的报警信息；灰色表示被确认的报警；紫色表示发生报警后已经恢复正常的报警信息。

4 结语

本设计已在某污水处理厂投入使用，系统运行稳定可靠，故障率低，维护方便，实现了污水处理的全自动化控制，污水处理达到了排放标准，同时减少了工作人员，降低了人员的劳动强度和能耗，为环境保护和可持续发展发挥了积极作用。