分析污水处理工程仪表选型及控制系统设计

王宇

摘要：本文根据实际项目情况，介绍了污水处理工程的基本工艺流程，控制系统的设计要求及本工程所采用的设计方案。总结了污水处理工程中常用仪表及选型，分析了污水处理工程的典型控制系统组成。

关键词：污水处理；控制系统；PLC

一、污水处理系统的工艺流程

污水处理依据原水水质的不同采用的工艺流程也不尽相同。在循环水上水管道凝汽器入口处开孔焊接管道和阀门，取循环水排污水，管网穿越厂区至循环水排污水处理站，来水管设置流量计，由于内蒙地区风沙较大，循环水悬浮物较高，因此在进入调节池前设置机械加速澄清池，经提升的循环水排污水经过加药（酸、凝聚剂、杀菌剂）至自清洗过滤器，自清洗过滤器选用过滤精度为100m，去除水中的部分悬浮物及大颗粒杂质，然后送入超滤膜池，通过透过液泵送入超滤产水池。超滤产水通过RO低压供水泵送入保安过滤器，通过高压泵送入反渗透装置。反渗透产水送入淡水池，通过淡水泵外送至锅炉补给水系统生水箱和综合蓄水池。反渗透浓水、超滤及反渗透化学清洗液自流入废水池，经酸碱中和后，由废水泵输一部分送至厂外污水处理厂，一部分输送至含煤废水系统清水池。自清洗过滤器和超滤反洗水通过管道自流入原工业废水调节池，经工业废水处理装置处理后作为循环水补充水。

二、污水处理系统的测点设置及仪表选型

（1）液位测点及液位仪表选型。

为了控制各水池及储罐的液位通常需要在水池及储罐处设置液位测点。本工程在污泥储存池、原水调节池、超滤膜池、废水池、淡水池、各加药箱及酸、碱、次氯酸钠储罐上设置了液位测点。对于水池液位的测量考虑安装及维护的方便通常选用超声波液位计、投入式静压液位计或雷达液位计。超声波液位计比雷达液位计价格优惠，比投入式静压液位计维护方便。所以在水处理系统得到广泛的应用。超声波液位计利用波的反射计算距离，由于波有散射角度的问题所有超声波液位计的安装需要距池壁有一定的距离要求。对于超滤膜池由于池中要放置膜组件，如果无法保证超声波液位计距池壁距离的要求，可采用投入式静压液位计。对于带盖板的水池需要在盖板上预留导波管，导波管的长度不大于300mm。对于盖板上有覆土并且覆土加盖板厚度大于300mm的情况需要设置仪表井以保证超声波液位计测量的精度。对于加药箱及储罐设置带远传功能磁翻板液位计可实现就地指示及远程监视或控制功能。

（2）压力测点及压力仪表选型。为了保护超滤膜组件不因超压而受损，在超滤膜池出水管上设置压力测点。反渗透是用足够的压力使溶液中的水通过反渗透膜而分离出来，为了检测反渗透膜组件是否正常工作，在反渗透膜组件各段进水及出水处分别设置压力测点。为了观察泵是否正常运行在各泵的出口设置就地压力表。各种压力变送器的测量原理基本相同，压力变送器的选型要求选择的精度满足工艺测量的要求。

（3）流量测点及流量仪表的选型。为了监测及控制超滤产水泵、超滤反洗水泵及反渗透高压泵分别在上述泵的出口设置流量测点。通过流量调节变频泵的频率给定从而实现泵的变频控制。另外还在机械加速澄清池入口、反渗透段间、超滤清洗泵、反渗透清洗泵及淡水泵出口设置流量测点，用于监测相应的流量数据。流量仪表的种类多样，原理也各不相同。水处理系统中在原水来水及污水排放处选择电磁流量计比较合适，因为原水及污水通常电导率较高并且含有泥沙等杂质较多，对转轮、涡街流量计及带节流装置的流量计会产生磨损及阻塞影响测量精度及流量计的寿命。对于经过沉淀处理含有泥沙杂质很少的水可以选择孔板、转轮等流量仪表。对于安装在室外电导率很低的纯水输送管道，可选择超声波流量计，不易选择孔板等带引压管的流量计，因为带引压管的孔板流量计冬天需要给仪表及引压管伴热。

（4）温度测点及温度仪表的选型。由于反渗透膜对温度有使用限制，所以要在反渗透入口处测量水的温度。另外为了保证超滤及反渗透清洗溶液的配比效果需要在超滤及反渗透溶药箱中设加热器并设置温度测点来联动控制加热器保证溶液的合适温度。水处理系统温度一般都在0～100℃之间所以对于就地指示的选择双金属温度计对于远传的选择热电阻即可。

（5）分析仪测点设置及仪表选型。

1浊度。在超滤膜入口母管及超滤产水泵出口设置浊度仪监测超滤产水水质情况并可分析判断超滤膜的运行状态。浊度仪基于光学原理运用光的散射理论进行测量，由安装在支架上的浊度传感器及变送器组成。由于水中的气泡会对浊度传感器的测量精度造成影响，在选型时要考虑浊度仪是否带有消泡功能。对于测点在管道上的系统可选用带流通池的浊度仪，对于测点在水池的系统可选用带浸入式支架的浊度仪。

2PH。用不同材料制成的超滤膜对PH值的适应范围不同，如果进水超过使用范围，需要加以调整，所以在超滤入口母管设置PH测点，用以监测入水PH是否满足超滤膜的要求。为了监测超滤及反渗透化学清洗溶液配置是否合格需要分别测量超滤及反渗透化学清洗溶液的PH值，为了保证废水出水及淡水出水水质在废水输送泵及淡水泵出口分别设置PH测点。PH计也称为酸度计，一般用来测量溶液中氢离子的活度。一般在水溶液中氢离子的浓度非常小，所有氢离子的活度基本和其浓度相等。根据能斯特方程，离子活度与电极电位成正比，因此可对溶液建立起电极电位与活度的关系曲线，测定电位即可确定氢离子的活度。对于测点在管道上的系统可选用带流通池的PH计，对于测点在水池的系统可选用带浸入式支架的PH计。PH计不同的电极测量范围及工作温度不同，可根据工艺参数选择合适的电极，为了提高测量精度可选用内置温度传感器的电极。PH变送器根据现场情况选择盘装或现场型变送器。

3电导率。反渗透膜的主要作用是脱盐，在反渗透装置入口及出水处设置电导测点，可以有效监测反渗透膜的运行状态。电导率的测量通过一对或多对电极实现，为了实现准确测量需要温度补偿。对于测点在管道上的系统可选用带流通池的电导率仪，对于测点在水池的系统可选用带浸入式支架的电导率仪。

三、污水处理系统的控制系统配置及实现

控制系统由PLC实现系统控制和数据采集与处理，并通过网络与操作员站及工程师站通讯。操作员站/工程师站配置工控机、显示器、键盘、鼠标、打印机等。

（1）PLC部分。污水处理系统一般作为电厂水系统的一个子系统采用PLC控制比较经济。本工程PLC设计采用合适的冗余配置并具有诊断至模件级的自诊断功能，使其具有高度的可靠性。系统内任一组件发生故障均不应影响整个系统的工作。PLC控制系统采用CPU双机热备、双网冗余通讯的配置方案。CPU采取双机热备方式，每个机架的电源采取冗余电源模块。PLC选用施耐德ConneXium系列。根据工艺流程并考虑适当备用量配置IO板卡数量如下：DI卡件15（32点），DO卡件10（32点），AI卡件20（8点），AO卡件6（8点）。

（2）上位机部分。本工程控制系统设置3台上位机、其中两台操作员站、一台工程师站。其中2台操作员站的组态相同、可互为备用，即运行人员可在任—台操作员站上监视和操作污水处理系统。工程师站具有操作员站的所有功能并且具有系统配置、程序组态、画面组态等功能。

（3）网络结构部分。网络结构方面，考虑网络传输速度及PLC选型，选用基于工业以太网IO架构。PLC主站与从站之间采用不带ConneXium管理型交换机的以太网RIO架构，主站与上位机采用带ConneXium管理型交换机的以太网RIO架构。本工程控制系统电子设备间设置2台交换机，PLC模块通过双绞线连接至交换机，交换机通过单模光纤连接至位于原中水控制室的上位机，从而组成一个配置完整、功能先进高效可靠的控制网络。

四、结语

污水处理工艺流程多种多样，仪表類型多样，控制系统形式各异。本文介绍污水处理系统工艺流程，分析了污水处理系统常用测点的设置原因及仪表选型原则，最后探讨了基于工业以太网的污水处理控制系统的配置方式。

参考文献：

[1]唐受印，戴友芝等.水处理工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2013，4.

[2]张剑.热电厂水处理控制系统的设计与实现[D].武汉理工大学，2010，5.