施耐德電氣在城市污水處理廠中的應用
引言
隨著我國的社會和經濟的高速發展，環境問題日益突出，尤其是城市水環境的惡化，加劇了水資源的短缺，嚴重影響著人民群眾的身心健康，這些情況已經成為城市可持續發展的嚴重制約因素；我國現階段很多大中型城市的廢水排放量大，已造成城市地表水的嚴重污染；三峽庫區水環境保護事關三峽工程長期安全運行和長江中下游地區經濟社會的可持續發展，因此受到國內外廣泛關注，但目前各城市仍然是直接排放污水或因水處理自控系統不完善沒處理好就把污水排放了，很多操作和檢測監控過程仍停留在人工階段，監控時間覆蓋率低，手工采集樣品缺乏科學性和代表性，難以反映企業和城市污水處理及排放連續變化的情況。大范圍的建立污水處理系統及在線自動控制監控體系，勢在必行。
系統簡介
重慶巫山污水處理廠位于巫山縣城邊緣，廠區緊鄰長江流域，處于三峽庫區腹地，該污水處理廠采用的是改良型Orbal氧化溝工藝，日處理污水量3萬噸，廠區主體構筑物有：綜合樓、配電房、進水提升泵房、粗細格柵井及旋流沉砂裝置、Orbal氧化溝、終沉池、污泥回流剩余泵井、脫水機房等；整個廠區設備及閥門均采用MCC和PLC兩種控制方式，正常情況下可以實現儀表、PLC的完全自動檢測控制及運行狀況監控；下位機采用施耐德電氣的Premium 系列PLC，上位機采用北京華富Control2000監控軟件。該廠自動控制系統于2006年7月11日全面完成調試，目前系統運行正常。
污水處理系統詳述
一、Orbal氧化溝工藝介紹
圖一 Orbal氧化溝工藝簡圖
Orbal氧化溝水處理工藝起源于南非，后經不斷改進和推廣，在全球范圍得到廣泛應用。城市污水由管道集中后，水流首先經過粗格柵，將粗的垃圾去除，然后由提升泵將污水提高水頭（后面工藝要求有高水頭），再經過細格柵及旋流沉砂池，進一步去除小的垃圾和泥砂，污水進入水處理主體結構——氧化溝，污水在“O”型的氧化溝中經過曝氣機調節曝氣，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反應，在該過程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化學耗氧量）的去除及污水脫氮的功能，并為下一步水的沉淀作好準備，經過氧化溝處理的水流入終沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水最后經二氧化氯消毒后排入長江。沉淀的污泥經脫水機濾干后焚燒處理。
二、廠區主要設備控制要求
1、粗細格柵機及其附屬輸送壓榨設備的控制
定時控制：根據外來污水狀況和運行經驗，通過設定相關定時參數，自動控制格柵機的啟動時間和停止時間。
液位差控制：在格柵機的前后均設置一臺超聲波液位傳感器，檢測出格柵機的前后液位差。設定低液位差LDF2和高液位差LDF1，當檢測到的液位差大于LDF1時，啟動格柵機；當檢測到的液位差低于LDF2時，停止格柵機（減少了運行時間，有效的節約成本）。控制過程如圖二
圖二
格柵附屬設備的聯動：皮帶輸送機和壓榨機作為格柵機的附屬輸送壓榨設備，它們在定時或自動運行模式下，一般與格柵機聯動。附屬設備適當的提前或延時運行。
圖三 提升泵控制原理圖
圖四
2、 提升泵的自動控制
控制描述如（圖三、四）：
(1) P1—變頻器，BU1—軟啟動器，PT—超聲波液位計，ZJ1、ZJ2—用于控制系統的MCC/PLC轉換。
(2) 由圖可見，變頻器連接在第一臺水泵電機上，需要加泵時，變頻器停止運行，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC，由PLC控制切換過程。
(3) PLC根據泵池液位高中低信號自動調節三臺泵的啟停；泵池水位到預設的低水位時啟動1#泵，水位上升到預設的中水位時，1#泵由變頻運行轉換到工頻運行，這時再變頻啟動2#泵，依次啟動到3#泵。
(4) 切換開始時，變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，照此，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行。
(5)水位下降需要減泵時，系統將第三臺水泵停止，第二臺水泵切換到變頻調節狀態。水位繼續下降，系統將第二臺水泵停止，第一臺水泵切換到變頻調節狀態。
(6)另外，設置軟啟動器作為備用。當變頻器或PLC故障時，可用軟起動器現場手動輪流起動各泵運行以保證供水。作為多臺提升泵的自動控制，滿足先啟先停的原則，以優化資源的利用率；為了提升泵的安全，系統設置了提升泵的干運轉保護；同時，系統還設置了泵的頻繁啟停保護，群啟動保護等，以延長其使用壽命。
3、曝氣系統的自動控制
生化池作為全廠污水處理的核心，具有舉足輕重的作用。污水經過預處理后，在這里通過微生物吸附污水中的有機物，達到脫磷脫氮的目的。對生化池的自動控制，主要是溶解氧濃度的控制。
曝氣量自動控制系統作為一個恒值控制系統，系統給定一個保持不變的最佳溶解氧值，通過PLC控制調節輸出量（即曝氣機開啟臺數），使被控量（實測氧化溝溶解氧濃度）不斷地接近給定值。在這個系統中，要求穩定性和動態特性良好，被控量向給定值過渡的時間短，同時過程平穩，振蕩幅度小。
曝氣供氧系統是由鼓風機、電動調節閥和溶解氧儀共同組成的閉環系統，為反應池好氧段提供氧氣，并維持好氧過程的溶解氧濃度值。依照好氧過程的溶解氧濃度值控制鼓風機的開啟程度，維持溶解氧濃度值在一定的范圍內變動。控制流程如圖五。
圖五
三、控制模式
手動模式：手動模式又可以分為盤柜模式和就地模式。盤柜模式就是通過MCC上的按鈕實現對設備的操作；就地模式就是通過現場控制箱上的按鈕實現對設備的操作。
遙控模式：就是通過中心控制室上位操作站實現對設備的操作。
自動模式：設備的運行完全由各PLC根據污水廠的工況及工藝參數來完成對設備的啟停控制，而不需要人工干予。
四、系統構成如圖六
圖六
通過前面的描述，設備的控制還是比較復雜的，為達到以上的設備自動控制要求，該工程基本構成如下：
下位機：選用了施耐德 Premium PLC來做系統
上位機：選用了北京華富Control2000軟件
中間協議：采用Simatic TOP Server，銜接上、下位機，進行數據交換
整個廠區共有3個PLC站，硬件采用施耐德電氣Premium PLC，分別用光纖及光纖交換機，采用星型連接方式構成以太網絡連接至中控室，在PLC2站，現場電力儀表采用Modbus通訊方式實現數據的采集；軟件采用施耐德的PL7Pro，根據控制要求開發程序，完全可以實現前面描述的控制要求。三個站分別處于進水泵房、配電房、脫水機房，基本配置如下：
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上位機采用華富Control2000來開發監控畫面進行監控：根據工藝繪制流程圖，顯示所有相關測控儀表的實時值；建立全廠的中心監控系統平臺，使操作員能隨時監視全廠運行狀態，并對設備操作發出控制指令；建立歷史數據查詢系統和重要數據保存系統，并能對日報表、月報表、年報表進行打印；建立全廠設備的安全報警系統；
圖七：廠區工藝流程圖
圖八：設備控制盤
圖九：開發調試階段報表查詢數據示例
下位機采用施耐德電氣Premium PLC，上位機用北京華富德Control2000，二者之間的標簽連接及數據通訊必須有一個統一的協議驅動，本工程采用的是SIMATICA TOP SERVER來實現的，報表查詢系統采用VB6.0來開發外掛程序實現報表的實時查詢。
五、該工程自控系統的特點
1、技術先進：現代化的工廠要求與時俱進，該自動化控制系統無論是從使用的現場總線、通訊網絡、可編程控制器、組態軟件，還是從自動化控制技術來講，都具有時代領先性。
2、穩定可靠：選用的自動化產品絕大部分來自國外知名品牌，建立的自動化控制平臺，經過嚴格的測試，可以保證系統穩定可靠地運行。
3、自動化程度高，使用簡單：對于全廠的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的設計界面，立體三維流程圖形來表達工藝，便于操作員掌握；同時下位機PLC采用施耐德的PLC，系統穩定性好，自動化程度高，整個系統維護量小。
4、開放性：該系統采用的現場總線是國際通用的具有開放協議的現場總線，同時各控制站均留有I/O余量，以便于以后系統的改造和擴展。
5、安全性：該系統采用全面的設備保護體系，包括潛水泵的干運轉保護、自控平臺的防雷保護、進水水質異常保護、報警系統等，以防止因為某些意外或操作員的疏忽而發生事故。
六、應用總結
該城市污水處理系統建成后，施耐德電氣Premium PLC系統運行穩定，采集數據準確快捷，控制的重要設備運行安全，程序開發好后，其維護量幾乎為零，同時個人感覺該PLC現場安裝、與其它設備的接口等均方便好用，系統投運后，自動化程度高，工作人員維護量小，出水水質能達到國家規定的標準，該系統的形成投運無疑給長江流域、三峽庫區的環保事業作出了貢獻，希望在長江流域沿線有更多的采用自動化程度高的污水處理廠。巫山污水處理廠的施耐德電氣Premium PLC系統的應用將是一個很好的榜樣。
參考文獻
1、張自杰，《排水工程》 第四版 中國建筑工業出版社 2000.6
2、周金全，《城市污水處理工藝》 第一版 化學工業出版社 2003.3
3、陶俊杰等，《城市污水處理技術實例》 第二版 化學工業出版社 2005.6
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