电气自控系统在污水处理工艺中的运用分析

张贻都

（厦门市政环境科技股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着中国城镇化进程的不断加速，城镇人口数量逐渐增多，污水处理工作任务日益繁重。为确保污水能够得到及时、有效的处理，对污水处理的运营管理水平提出更高要求，因此运用电气自控系统更好地服务于污水处理工艺成为现阶段研究的重点内容。目前，污水处理工艺主体仍为物理处理+生化处理，为确保污水处理工艺得到更好的完善，文章提出了污水处理的具体应用。

1 电气自控系统基本阐述

电气自控系统可以分为中央控制层（即中控室）和子站控制层（即现场控制单位）两个层级，通过采用PLC及SCADA操作界面能够很好地对设备设施运行状况进行监督、控制。现场控制单位不但能够接收转换控制室发出的操作命令，而且还能够将命令反馈至中控室，同时现场控制单位还具备建立相对独立的操作控制系统。

如图1所示，污水处理电气自控系统包括计算机、PLC、矢量控制的各类传感器、等，运用计算机系统对污水处理工艺进行控制，对各污水处理设备设施实施实时监控。通过各类传感器，将收集到的液位、电压等相关数据传送至PLC，再有PLC向计算机、污水处理工艺单元进行发送，需要注意的是，PLC对污水处理工艺单元进行的反馈和控制是单向的，而计算机与PLC中间的传输是双向的。

图1 污水处理电气自控系统基本原理示意图

2 电气自控系统在污水处理工艺中运用的意义

伴随城镇人口数量不断增多，配套污水管网不断健全和完善，污水收集率不断提高，如果不通过科学的解决直接将其排除，容易让环境受到影响[2]。在一般污水处理过程中，专业人员通过寻找、辨识污水来源，污水展开合理检测，才可以确保污水问题更好地解决。但是这样会浪费大量人力和物力。电气自控系统的运用，可以确保污水处理工艺的先进性，还可以节约能源、人力和物力，提升污水处理效率。

3 影响污水处理的因素

当今科技不断进步的态势，让经济进一步发展，有很多污水解决新工艺都进入人们的生活，在采用污水处理工艺的过程中，这就需要思考这种工艺是不是先进、是不是有用，是不是可以确保污水处理系统的运用效果[3]。影响污水处理的主要因素有以下几个层面：

3.1 检测工具稳定性差

因为一些检验设备十分不稳定，受到外界干扰大，如水中SS浓度偏高、水温升高引起蒸汽附着等都将影响各类传感器的检测真实性，从而使得污水解决效果有很大的影响。除此之外，各类传感器仅仅体现出其检测的作用，在进行污水处理监管的过程中，传感器自身的监督效果没有全部体现出来，因此很难提升污水处理流程水平。

3.2 缺乏重视

在部分传统污水处理单位中，由于对电气自控系统不够重视，让电气自控系统污水处理的时候运用效果无法提高。比如，在一种大型污水处理厂中，因为相关领导者对电气自控系统没有充分了解，觉得这种系统积极性较低。此外，相关监督单位对电气工程自动控制系统进行全面学习，认为这样的系统对将污水排出准则不会产生影响，而容易对工程自控系统的合理运用有很大影响[2]。

3.3 配套设备不足

由于有些城镇污水处理厂的运转时间很长，受经济、管理水平等影响，污水处理过程自控水平长期偏低，随着污水排放标准的不断提高，电气自动控制系统建立的难度逐渐提高。在污水处理自控系统中，由于与最新软件的匹配性问题，设施设备运用的规范性较差，电气工程自控技术出现问题，影响电气自控系统在污水处理工艺中的运用效果。

4 污水处理中电气设计应遵循的原则

4.1 保证技术先进

污水处理中电气控制系统设计时一定要保证具有对应的前瞻性，运用成熟和最新的设计观念，在确保性价比的同时，选择有效成熟的技术策略和中高端设施，让研发出来的污水处理电气控制系统科技含量在整体的污水处理电气控制系统领域处于先进地位。

4.2 做好实战服务

建立污水处理厂电气控制系统需要和我国有关的单位规定和要求相适应。经过和上级领导展开应急调整预案，做好实战运用，让指挥效果进一步提高、指挥方式逐渐健全，在辅助指挥的时候最大程度上展现出系统的功能效果。

4.3 节省资源

污水处理厂电气控制系统需要把目前所具有的系统资源最大程度地结合，将网络和通信设施最大程度地运用起来，把信息数据进行共享，形成实用和经济的观念，避免存在重复的建设。

4.4 达到可持续发展

在科技发展快速影响下，加上污水处理工厂范围不断增大，建立的污水处理厂电气控制系统一定要从长远方向考虑，在实战基础上，建立系统需要与拓展、更换、调节互相配合，从而兼容其余系统，具有可持续发展的能力。

5 污水处理中存在的问题

伴随城镇化进程不断加快，市政配套管网不断健全，污水收集率不断升高，而现阶段我国大多数污水处理厂处理效率、自控系统水平、安全方面等都低于世界平均水平，基本还处于依靠人工巡检、人工操作、简易电气控制的阶段，污水处理能力却很难达到设计值，导致很多污水未能通过完全处理直接排出。虽然近几年我国污水处理自动化方面展开探究，将互联网技术、PLC控制技术、工业计算机技术、显示技术设备、仪表技术逐渐运用到污水处理厂中，但是我国目前运用的污水处理技术仍然十分落后，整体还处在上世纪八九十年代的水平，以智能决策为目标的信息化技术相对迟缓，“信息孤岛”现象依然严重，自动化技术和信息化技术缺乏融合，大量的过程数据都静静地“躺”在现场，而没有发挥其应有的作用。

目前，我国大多采用“预处理+A2O+二次沉淀+深度处理（反硝化、高效沉淀等）”的三级污水处理方法，虽然在自动化方面有了很大提升，但在运行管理方面仍存在许多问题，如运行效率低下、能耗特别高、设备故障率高等等，与发达国家相比，仍然有较大差距，很难满足低碳环保、先进高效的发展要求。在污水处理能耗方面，采用同一处理方法，我国约需0.4kwh/m3，远远高于美国的0.2kwh/m3和日本的0.26kwh/m3。

6 电气自控系统在污水处理工艺中的运用

据了解，污水处理厂建设自控系统，成本一般占设备的10%，包括控制仪表、流量计这些等等。原来污水处理厂的管理控制系统都是采用比较单一的远程控制功能，在保证出水稳定达标的同时，提升整个系统的自动化水平不仅可以提高设备的使用效率和寿命，及时分析各处理单元的运行工况，保证污水处理能力，而且可以有效降低劳动强度、提高管理水平。特别是在线监测仪器的使用有力保证提供数据的快速性和连续性，数据分析更加可靠、效率更高，既能自动完成数据统计还能降低人员配置，同时还能避免失误、减少能源消耗、降低成本[5]。

6.1 污水处理厂的自动化系统构成

污水处理厂自动化系统的核心为监控系统通讯网络、PLC及各类信号传输系统等，它们的性能对污水处理自动化系统起到决定性的作用，因此根据污水处理工艺特点和监控需求选择合适的PLC及通讯网络是保证污水处理自动化系统性能的重要因素。目前，污水处理自动化系统大多采用三级管理，即中央控制中心、子站控制中心和现场控制。

（1）中央控制中心：一般将设置多台SCADA工作站（工控机），用于调度系统、加药间、沉淀池、反硝化滤池、消毒、提升系统等监控，完成污水厂内各种设备的状态显示、自动控制、半自动控制、打印报警、分析报表等工作。同时，还将设置多台服务器，为其它计算机提供支援和与各子站进行通信。为确保不同厂家不同设备之间的信息传输，本级通常采用工业以太网Ethernet作为信息网络。他们的共同特点是高速、高可靠，适合PLC与计算机、PLC与PLC及其它设备之间的大量数据的高速通讯。为使系统的稳定可靠，控制层的网络结构多采用环网的方式组成，包括线缆型和光纤作为传输介质。

（2）子站控制中心：一般是针对某一处理单元或污水处理某一工艺环节进行设置的，一般配套设置PLC系统及SCADA工作站（工控机），用于本单元的监控。本单元与现场设备、远程I/O端子及现场仪表之间具有较为紧密的联系，目前主要采用DeviceNet、Modbus以及Profibus/DP等总线控制方式，其特点是由于采用了标准总线组网，既能满足实时通信的要求，又具有开放协议的标准接口，能在总线上方便挂接各种外场设备，有利于监控系统的扩展。

（3）现场控制：一般是针对现场设备（如水泵、推流器、风机、格栅等）进行单一控制，同时将各类信号（如液位、流量、电流等）反馈至子站控制中心，确保每个设备能够正常、可靠运行，本单元大多采用I/O端子直接连接。

6.2 PLC设计要求

PLC作为污水处理厂自动控制系统的核心，在污水处理工艺中起着举足轻重的作用，因此对其提出更高要求，主要有以下几点：

（1）PLC必须稳定可靠，具有预先处理数据和集中传输数据的能力，具有较高的故障保护能力。

（2）各子站PLC能够独立承担控制相应单元的基本控制任务，即使监控站或者监控中心因故障停止运行，相邻区域的控制器也能交换数据信息;再次，当某控制子站的控制量出现变化时，可按预定方案和程序采取相应的算法，对相关区域的控制对象，比如泵或者加药系统等做出相应的调整。

（3）PLC必须具有数据采集存储处理功能（实现集中和独立工作方式，尤其是在独立控制时能与相邻控制器实现数据交换）、通信功能、容错功能、自动诊断功能和本地操作功能（即能带触摸屏）等。

6.3 污水自动化系统运用情况

污水处理厂自动化系统要求能够实现“集中管理、分散控制”的模式，即局部故障不影响主体正常运行，分散风险，确保系统运行的可靠性和稳定性。污水处理厂主要以去除化学需氧量、生化需氧量等为主要目标，该系统的基本结构及运行流程如图2所示，进水后依次经过格栅及提升水池、初沉池、生化池、二沉池、絮凝沉淀池、过滤池、消毒池后出水，其中初沉池、生化池、二沉池以及絮凝沉淀池排除的污染物均可直接进入污泥处置系统中，而二沉池中过滤出来的污泥会向生化池中回流。

图2 污水自动化系统结构及运行流程示意图

在污水处理过程中，如何降低能耗、药耗，提高污水处理效率，降低设备故障率，成为现状污水处理厂工作的重点，自动化系统的运用主要通过以下几方面解决污水处理问题：

（1）通过对进水各项指标、进水流量及污泥浓度等，确定污水处理的污水需氧量，调整鼓风机的供气量，以达到降低能耗的目标。如：按去除1kgBOD需要1.5kgO2计算，则需要空气量为11.41m3/min，考虑10%左右冗余量，从而实现精准曝气。

（2）通过对设备运行状态、运行时间、故障点分析等，加强设备管理及维护保养，从而降低设备故障率，提高设备使用效率。

（3）加强对污水处理过程中的各项检测指标的在线监测，及时反馈，通过调整药剂投加量，确保水质稳定达标的情况，减少药剂过量投加造成不必要的浪费。

（4）通过按照视频、SCADA等监控方式，这样既能保证巡检更为全面，也可以减少人员的投入，且能够更为及时发现问题，从而达到减少成本的目标。

7 结语

现代污水处理厂规模越来越大，对自动化程度要求也越来越高。污水处理自动化控制系统应具有全自动逻辑控制、在线工艺状态显示及参数记录、运行故障诊断记录和生产报表显示记录等功能，确保系统能长周期安全无故障运行，具有高可靠性。