城镇污水处理厂自动化控制设计

文/刘芹

随着国民经济和城市化的迅猛发展，水资源污染问题越来越突显。为了人民生活质量的提高以及子孙后代的生存环境，为了加快生态文明建设，为了绿水青山，中央及各级政府加大了对污水的整治力度，污水资源化已成为当前我国合理开发充分保护水资源的重要途径。随着现代科学技术的发展，计算机的测控技术的日臻完善，城市生活污水处理中有效的应用电气自控技术，可以促进城市生活污水的处理效率及处理质量。

1 污水处理厂工艺

城镇污水中各种污染物的浓度，与各种水体和用水的要求相比，一般都至少高出一个数量级，因此在排入水体或使用前，都必须进行适当程度的处理。根据各种水体及用水的水质要求以及《城镇污水处理厂污染物排放标准》的有关规定，城镇污水处理厂应为二级或加深度处理。

与工业污水相比，城镇污水的水质变化相对较小，所以一般城镇污水处理的工艺流程比较典型，即所谓的三级处理体制。其中一级处理是预处理，二级处理是主体，三级处理为精制。如图1所示。

2 污水处理厂自动化控制设计

工业自动化是一综合性应用技术，涉及自动化控制、计算机、通信及网络等多学科、多技术领域，通过对工业生产过程实现采集、控制、优化、调节、管理和决策，达到增加产量、提高产品质量、降低消耗、确保安全的目的。随着计算机、网络技术、电子技术、自动化技术的飞速发展，可编程序控制器（PLC）以其高可靠性、抗干扰性以及灵活方便的编程技术，在工业自动化控制中得到了广泛地应用。对自动化控制技术要求较高的水处理行业也正广泛地采用着以PLC为核心的工艺过程的全面监控。

2.1 系统构成

根据分散控制，集中管理的原则，结合污水处理厂生产设备、生产管理、工艺流程、构筑物位置分布等的特点，污水处理厂一般都采用可编程序控制器(PLC)构成集散型控制系统。该系统由现场层、控制层、厂级管理层、公司调度层和将上述4个部分分别联系起来的网络5个主要部分构成。

2.1.1 现场层

现场层主要包括过程检测及控制仪表、远程输入/输出I/O和执行机构。它的主要功能是为PLC控制站提供现场检测信号并执行PLC控制站发出的控制指令。

2.1.2 控制层—PLC控制站

分站控制层是污水处理厂控制系统的核心。PLC现场控制站有独立的CPU处理器，可以独立的对采集的数据进行处理并编制本分站内设备运行的逻辑关系。它接收现场信号和厂级管理层的指令，对这些数据进行处理，根据编制的程序发出控制指令，并将现场信号及各种数据发送至管理层。分站控制层的主要功能为：

图1：城镇污水的三级处理体制

（1）按工艺过程控制程序对所控制区域内的电气设备进行控制。

（2）采集所辖区域内的工艺参数、电气参数及电气设备运行状态。

（3）各工艺设备除按PLC系统程序自动运行外，操作人员也根据操作权限在操作员终端（人机界面）上直接手动干预设备运行状态，修改控制参数。

（4）通过交换机与中央控制室的监控系统进行通信。向监控管理系统传送数据，并接受监控管理系统发出相关指令。

2.1.3 厂级管理层—中央控制室

厂级监控中心通过人—机界面操作平台负责协调各分站控制层工作，并负责厂级的各项管理功能的实现。其主要功能如下：

（1）数据采集：实时采集全厂生产过程的工艺过程数据、设备运行状态、电气参数，电气设备运行状态。

（2）图形功能：在彩色监视器上显示全厂工艺总流程图、局部工艺流程图、供电系统图、工艺参数、电气参数及电气设备运行状态、事故报警显示、各种数据图表。

（3）控制功能：从操作站以"人—机"对话方式指导操作，远程设定工艺参数、控制电气设备。

（4）报警功能：可以对设备及工艺过程中发生的故障进行报警，显示故障状态，按报警等级做出相应反应，记录故障信息。

（5）数据管理：根据采集到的信息，建立各种数据信息库，保存工艺参数、电气参数，电气设备运行数据、报警数据、故障数据，并自动生成工艺参数的趋势曲线。管理人员可以通过对工艺曲线的分析、研究、比较，找出适合污水处理厂的最佳运行规律，为生产管理、事故分析、工艺控制、改进管理办法、保证出水水质、提高生产效率，提供可靠的依据。

（6）自动生成报表（班/日/月）供生产管理之用。打印各式生产运行报表、报警数据报表、事故报表；以及各种图形、曲线。

（7）与工厂管理系统联网，实现资源共享、综合管理。

2.1.4 公司调度层公司调度层通过对各厂级管理层的协调调度，实现更高层次的管理功能。

2.1.5 网络通讯系统

PLC计算机控制系统的网络分现场总线和工业以太网两类。现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。它主要负责PLC控制站与现场智能仪表、智能设备和控制子系统之间的通信。传输介质以双绞屏蔽电缆为主。工业以太网是一种使用最广泛地用于工业现场的计算机网络。主要用于分站控制层与厂级管理层之间的通信联系。它的网络拓朴结构有环网型和星型。对于中、小型污水处理厂，一般采用的是单机单环拓朴网络结构。传输介质为多模光纤。厂级管理层与公司调度层之间则多选用星型广域网的形式。选择使用有线和无线传输介质。

2.2 PLC控制站的设置

污水处理厂控制系统是一种面向过程的控制系统。所以在结构和组态设计时，应充分考虑现场I/O的分布，根据现场I/O点的分布决定PLC控制站点的设置位置和数量，即把总平面布置图上地理位置相对集中的I/O点划成一个区域，这个区域一般在4～8个之间，在这些区域内考虑设置PLC控制站点。PLC站点的设置应遵循以下三个原则：

（1）站点所含I/O点在地理位置上相对集中，这样可以节省大量信号电缆，减小因电缆过长而带来的干扰问题。

（2）尽量使在工艺上联系密切的I/O点集中在同一站点上，使计算机测控系统的各站点能相互独立地运行，当某通道或站点出现故障时，不影响其他站点的工作，从而提高整个控制系统的可靠性。

（3）每个PLC站的I/O点数量宜控制在300点以内，以防止过大的I/O量使某一站点负荷过大而降低整个系统的反应速度和可靠性。

污水处理厂PLC控制站站点布置一般按生产工艺来划分设置，它包括：污水预处理分站（格栅间、污水提升有味道房、沉砂池和初沉池）、生物污水处理分站（鼓风机房、曝气池、二沉池等）、污泥处理分站（污泥泵房、污泥浓缩池或污泥消化池、污泥脱水间）、尾水处理站（接触消毒池、加药间等）及深度处理或回用水处理分站。

3 结束语

由于水资源的紧缺，通过多年的探索与实践，城镇污水处理后可作为一种稳定可靠的水资源。目前，国内外很多城镇二级污水处理厂已经向城镇和工业提供相当数量的再生水，污水处理再生利用是发展趋势。采用先进的自动化控制技术以实现工艺参数的全过程自动控制，对于提高我国城镇污水处理厂处理系统的设计、运行和管理水平具有重要意义。