PLC 控制小型污水处理站实例分析

本文针对神华准能黑实公司哈尔乌素污水处理站现行工艺流程，因初期设计不符合国家二级排放标准，因此进行扩建改造。本论文以罗克韦尔(Rockwell)公司的集成通讯控制平台(control-Logix)系统构建了基于PLC(可编程序控制器)的污水处理厂自动控制系统，并对系统构成，硬件、软件功能特点进行了简要阐述。该系统具有较强的并行协调处理能力，稳定性好、扩展性强，数据综合处理速度快等优点。结合我公司哈尔乌素露天矿污水处理厂扩建自动化控制系统的运行情况，依据污水处理厂现有设备，利用PLC 编制控制程序，实现设备自动控制运行，报表数据打印及时准确，在线监控适时无间断等功能。有效降低人员劳动工资与人工工作量，同时极大地提高了生产效率，降低了生产全事故。
0.引言
我国可用水资源相对较少，据统计，我国水资源总量约为2.8124 万亿立方米，占世界径流资源总量的6%，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的28%，而且水资源分布极不均匀。我国又是用水量最多的国家，随着改革开放三十多年来，我国进行了大规模城镇化建设和基础项目建设，城市人口剧增，工农业项目遍地开花，但用水技术相对落后，水资源污染和浪费严重，造成生态环境恶化，成为我国全面建设小康社会的瓶颈。因此，水资源综合利用是大势所趋。随着污水综合处理回收技术日趋成熟，新的技术、新装备不断推陈出新，污水处理自动化程度越来越高。国家对大型厂矿和高污染排放源的污水排放亦有新的明确的标准。目前，PLC 可编程控制技术以其良好的稳定性和可扩展性在机械自动化控制中得到广泛的应用，尤其是连续运行的城市生活污水处理厂，PLC 可编程控制系统成为流行的首选。
1.污水处理站工艺流程
1.1 工艺流程
该系统设计年处理能力55 万吨，排放标准为二级，中水用于矿区道路洒水、绿化浇水。处理方法综合应用了曝气生物氧化法、化学絮凝法、砂滤法和纳米材料静电法。
生活污水经管道经过电动格栅机过滤后进入沉砂池，泥沙压滤后深度掩埋排放，清液通过提升泵提到曝气池(兼具调节功能)，曝气池再经过二级提升泵打入竖流池，提升过程同时加入絮凝剂，竖流池上清液自流进入中间水池，沉淀固形物依靠自然压力进入反应池，反应池再次加入絮凝剂后用三级提升污水泵提升到沉淀池，沉淀池上清液返回到电动格栅机再次进行处理，沉淀物经压滤脱水后深度掩埋排放，中间水池经四级提升泵打入到沙滤及纳米处理过滤后由五级提升泵打入到出水泵房水池，出水泵房六级提升泵将处理完成的中水供给加水站及其他转供水池，实现中水综合利用。
1.2 主要设备
哈尔乌素污水处理厂原有设备为1 座300m3 准备水池，3 台50m3/h 转供水泵，2 座竖流池，1 座反应池，1 座沉淀池，1 座湿泥池、2 套自动加药装置及1 座出水泵房(内部有储存水池)。扩能改造将准备水池改造为曝气池(内部培养生物菌)，湿泥池改造为沉砂池，增设电动格栅和提升泵房一体设施、湿泥压滤脱水设备、中间水池、纳米过滤深度处理设备。
曝气池供气设备采用3 台罗茨风机，曝气分散采用微孔曝气系统。中间水池使用3 台格兰富无堵塞潜污泵将上清液输送到过滤器。
1.3 设备控制模式
我公司污水处理厂应用罗克韦尔(Rockwell)公司出品的集成通讯控制平台(ControlLogix)系统构建污水处理PLC 自动控制平台，设备运行可根据实际使用需要通过集中监控平台切换到现场就地控制、远程手动控制和远程自动控制三种模式。
一般在设备检修、调试或一次元件故障时，采用现场就地控制模式；远程手动控制方式适用于定时定量负荷运行控制，以及各转运点负荷不均匀时单独启动某台设备；远程自动控制即名义上的无人值守控制。远程控制模式就是将污水处理系统中的水位、泥位、流量等参数通过一次元件将数据发送到PLC，经过软件计算分析后，结合设定的反应时间，输出信号，命令相关设备启动运行或停止运行，所有设备均在既定程序模式的指挥下动作，不需要人工额外的干预。但实际可实现的范围受一次元件灵敏度和可靠性、工控机和传输网络及软件的稳定性影响，在实际使用中尚存在一些不确定因素，因此在远程自动控制模式时，还需要人员定期巡视，以免发生安全生产事故。
因此在实际设计时，应从经济性、安全性上综合考虑个别设备是否适用于连锁运行，当然如有可能，尽量将三种控制模式集成到PLC 集控平台下，因为这三种控制模式是在不同情况下互补的，各有其适用状态。下面将对本公司污水处理站配置设备控制模式简要说明。
1.3.1 电动格栅及提升泵房联建的设备控制
电动格栅是生活污水进入污水站的第一道过滤设备，其作用是拦截污水中的较大物品，如白色垃圾、木棍、较大的纤维等，视拦截的物料多少，适时启动电动格栅，排出拦截物。因拦截的无料量并不确定，也没有一定的规律，因此不适用于连锁自动控制，可设定为就地控制模式和远程手动模式。
提升泵是污水处理系统的第一级提升设备，位于电动格栅后的准备水池内，根据水池水位的高低，利用液位检测一次元件将信号输出给PLC 实现连锁自动运行。
水位监测的一次元件一般选用干簧式液位检测仪、超声波液位检测仪及压力式液位检测仪，电极点式液位检测仪因污水水质环境的影响不适用于该种情况。
污水中含有一定量的泥沙和纤维物，因此提升泵应选用无堵塞潜污泵或切割撕裂型潜污泵，在实际使用中还应经常检查泥沙堆积情况，防止泥沙沉积过量掩埋水泵，导致水泵损坏。必要时应采取稀释或人工清理措施。
1.3.2 沉砂池、曝气池、竖流池、反应池、浓缩池、中间水池的设备控制
沉砂池是对污水所含泥沙预处理设施，防止泥沙进入到曝气池。因泥沙进入曝气池后易将曝气池中微生物掩埋，造成微生物死亡，对污水所含有机物分解处理失效。沉砂池泥沙可用压滤脱水设备及时清理排出，压滤脱水设备的启动和停止由沉砂池泥位监测元件提供数据，经PLC分析数据后给予压滤脱水设备命令，实现三种模式的控制。沉砂池污水经二级提升泵提升到曝气池，进行下一环节污水有机物处理。为了防止水泵将泥沙抽到曝气池，因此二级提升泵在沉砂池内的安装高度不是固定的，应根据泥位的高度通过耦合器适当提高水泵的高度，这一环节因耦合器属于一般简单附件，其机械性能决定了不适于集中控制，一次需要人工操作。
曝气池通过风机或机械搅动提供氧气，培养预投的好氧微生物，同时曝气起到搅拌作用，使得好氧微生物与污水中的有机质亲密接触，充分分解污水中有机质。本污水处理站因规模较小，供氧设备使用3 台罗茨风机，风机控制为就地启动和远程手动模式，如要实现连锁启动，则需要增设含氧量在线监测，考虑投资费用和维护费用较高，故不设置集中连锁启动运行。为了控制噪声，风机设置于曝气池顶部棚屋内，同时为了节约电能采用变频启动运行。曝气时间根据COD 检测结果确定，正常情况一般2 小时左右。曝气池污水经三级提升泵送入竖流池进行二次沉淀，水泵运行的同时加药装置与其连锁同时运行，加入絮凝剂，水泵启动和停止通过干簧式液位计实现远程自动运行。
竖流池是二次沉淀池，泥位达到标定排泥位时通过超声波泥位检测仪给出数据，自动打开电动排泥阀，依靠自重将湿泥排到反应池；当泥位到了最低泥位时，自动关闭排泥阀。竖流池上清液溢流进入中间水池。
反应池继续加入絮凝剂，同时启动机械式搅拌机，启动三级提升泵，将湿泥打入到沉淀池内。按原设计说明，湿泥在反应池内停留30 分钟后再启动水泵，但在实际运行中，湿泥沉淀后极易堵塞潜污泵，因此建议在加药的同时启动搅拌机和水泵，这样湿泥不易堆积堵塞水泵，将反应时间放到沉淀池内，这样同样可以得到良好的沉淀效果。三台设备的运行控制可以以反应池泥位监测仪集中控制，当泥位达到最高限制高度时启动搅拌机，然后连锁启动加药装置，最后设置延时启动水泵，这个延长时间设置不宜过长，最好控制在5 分钟之内。当反应池泥位到了最低泥位时，先停水泵连锁停止加药装置和搅拌机。这里要考虑反应池容积与沉淀池容积对称或沉淀池略大于反应池，这样不至于因沉淀池容积过小无法实现上述工艺流程。
沉淀池内湿泥逐渐沉淀浓缩，一般浓缩时间1- 1.5 小时，当上清液液位达到最高溢流液位时打开上部电动排液阀，根据池内泥位显示，适时打开中间排液阀与下部排液阀，最后打开排泥阀，湿泥依靠自重流入到沉砂池，湿泥经沉砂池内压滤脱水设备排出。沉淀池排出的清液回流到进水格栅继续以上几个处理程序，清液也可以直接进入中间水池进入下一个处理程序。这里主要控制设备是安装于不同高度的4 台电动阀，最低位置电动阀是排泥阀，以上三个位置的电动阀是排清液阀，通过泥位检测仪远程手动控制或就地控制，但不宜集中远程自动控制。因电动阀运行可靠性差，易出故障，关闭不严或卡死不动作，建议采用就地控制可以及时发现问题及时处理。
中间水池用来储存竖流池流入的上清液，属于缓冲转供设施，通过水泵将水输送到反渗透处理系统。中间水池内安装有潜污泵，一般采用耦合装置安装，水泵的控制采用压力式液位检测仪，通过变送器将信号传给PLC 系统，可根据检测高低水位实现远程自动控制、远程手动控制和就地控制。
1.3.3 加药装置控制
加药装置由可计量的溶解箱(罐)，加药计量泵、搅拌器、脉冲缓冲器、液位开关组成。搅拌器设于溶解箱(罐)内，便于加速溶解絮凝剂。加药泵一般用容积式泵，本污水站配置为曝气池提升同期加药2 台活塞式计量泵，反应池提升同期加药2 台活塞式计量泵，这两套加药装置运行方式均为一使一备。加药计量泵通过液位开关与PLC 控制系统配合，可实现远程自动控制、远程手动控制和就地控制三种控制模式。控制方式的切换依靠操作盘上的选择开关来完成。
溶解箱(罐)是配置药液溶解装置，配制药液时按所需药液浓度(质量比)，先加入水再加入固体药品(本污水处理站用三氯化铝)，按就地操作盘上搅拌机“启动"按钮，启动搅拌机。搅拌3～5 分钟，至搅拌均匀，按就地操作盘上搅拌机“停止"按钮，停止搅拌。因投药工作是人工投药，不宜与PLC 控制系统连锁，仅设置就地按钮箱控制。
1.3.4 沙滤、纳米材料过滤装置控制
中间水池内的水经水泵给予一定的压力进入石英砂过滤器，石英砂过滤器为不锈钢罐内装精选过滤石英砂，石英砂过滤的作用是截留，吸附水中的泥沙、胶体、金属离子以及有机物，降低水的浊度，为下一级纳米材料过滤处理做准备。石英砂过滤后，流体压力下降，因此增设加压泵将水进一步打入到纳米材料过滤器，专用的纳米材料装设在不锈钢罐内，可产生静电及红外线，吸附去除难降解的生物有机物质、游离物及部分重金属离子。两套设备的运行是组合同时进行的，其控制运行主要取决于中间水池提升泵和再次加压泵，中间水池提升泵由水池内压力式控制器根据水位输出信号，再次提升泵由砂滤器出口压力提供信号联合启动运行，运行中由在线监测仪器监测，适时调整运行速度，进行反冲洗等动作。
经纳米材料过滤处理后的中水即为合格的达到二级标准的中水，直接储存在出水泵房转供水池。
1.3.5 出水泵房设备控制
出水泵房储存和转供中水的末端环节，转供水泵根据水池水位的高度，通过压力式水位监测仪控制水泵，在PLC 控制系统平台设置为远程手动启动、就地启动或远程自动控制。
2.水质指标
生活污水排放检测指标通常包括：COD、BOD、色度、悬浮物、浊度、总固体、溶解固体、含盐量、电导率、碱度、硬度、酸度、总有机碳、化学耗氧量、溶解氧、pH 等。本污水站按照设计排放标准，主要对以下几个指标的控制标准：
BOD5≤15%(mg/l)色度≤30 浊度≤10(NTU)
溶解性总固体≤1500mg/l 氨氮≤10mg/l
阴离子表面活性剂≤1.0mg 溶解氧≤1.0mg/l 总
大肠菌群≤3 个/l PH(6.0～9.0)嗅(无不快感)。
3.PLC 控制系统组成及基本功能
3.1 PLC 控制系统组成
本污水处理站PLC 控制系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享"的原则，以标准开放的环形拓扑形式和星形拓扑形式两种现场总线为基础，集成各基站控制单元，各基站可分散控制，不依赖于集中控制平台。本PLC 控制系统由1 个集中控制站、4 个现场控制站以及配套的变配电设备、网络、工艺仪表、变送器构成。
集中控制站：由1 台工业计算机、通讯控制器、监控管理系统和数据服务器组成。
现场分控站：共有4 个分控站，分别位于配电室、沉砂池间、竖流池间、集控室。主要由PLC 控制器、分布式I/O站和现场总线、变送器组成。
网络：各分控站PLC 控制器与现场工艺仪表、变送器采用屏蔽双绞线(通讯速率2Mbps)连接，完成数据采集，各分控站与集控站之间由工业以太网连接进行数据通讯，组成工业计算机综合控制管理系统。
软件：操作系统采用windows 2000 以上版本，上位机自动化监控软件选用Rockwell 公司的RSView32 组态软件，数据库软件采用Microsoft SQL Server 2000 中文版。
3.2 PLC 控制系统功能
集控室通过监控软件在计算机显示屏展现所见即所得监控画面，以flash 动画工艺流程图动态展示系统运行状态，锲入控制切换按钮，可任意修改设置控制目标参数，实现远程自动控制、远程手动切换、就地切换三种控制模式。同时可适时故障报警，记忆历史故障，随时调出各监测点适时数据，分析图表、运行曲线，自动生成报表并可以手动或设置自动分组打印报表。通过数据库查询系统进行分析数据、管理设备及绩效考核和核算物料消耗。通过局域网发布到互联网实现远程实时监控、发布指令和数据分析。
4.总结
PLC 可编程控制系统在实际应用中便于集中管理和适时监视污水系统运行情况，有效地减少运行人力资本，良好的可扩展性和无间互动能力可以任意调整运行目标参数，增建设备可控参数。在各种生产领域都得到广泛的应用，具有良好的稳定性。
综上所述，任何智能机器和管理体系，都有它相适应的范围。PLC 可编程控制系统在实际应用中要综合考虑设备的机械性能，检测仪表的适用性、稳定性，网络组态和软件选用的稳定性、匹配性能，以及投资的必要性。同时在实际运行中要做好维护保养工作，自动运行状态也不能完全脱离人工巡视与干预，只能在一定范围内减少人的工作量与劳动强度。随着科学技术的不断发展、机械制造技术的不断提高，这项技术将得到更广泛的应用。