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小型城市生活污水处理厂电气与自控系统设计
更新时间:2018-01-31 来源:《自动化应用》2017年04期 作者:周斌

引言

  水资源是人类赖以生存的重要资源,随着城市发展和工业化进程加快,水资源污染问题越来越严重,城市生活污水处理越来越受到关注。小型城市生活污水处理厂有着规模小、能耗高的特点,因此需要合理进行电气设计与自控系统设计,以此来降低城市污水处理成本,改善城市生活环境,从而促进城市可持续发展。

1、电气设计

1.1变配电所选址

  以10kV变电所为例,在选址过程中,要综合考虑周边环境及城市污水处理厂用电负荷情况,保证10kV变配电所与负荷中心和电源侧接近,方便进出线和设备运输,同时要避免将变配电所设置在高温或存在剧烈震动的场所。

  小型城市生活污水处理厂的进水泵房、鼓风机房和生物池等是负荷相对集中的区域,应当以污水处理厂工艺流程和设计图纸为基础,将10kV变配电所配置在负荷集中区域附近,实现节能效果,降低电缆敷设成本。

1.2供配电系统设计

  以某小型城市生活污水处理厂为例,污水处理能力设计为4万m3/d,主要包括进水泵、搅拌机、推进器、鼓风机、脱水机、紫外线消毒等用电设备。根据《室外排水设计规范》,污水处理厂为二级用电负荷,宜由城市电网引入两路10kV电源供电,10kV开关柜采取单母线分段接线的方式,将母联开关设置在中间,母联开关不自投。设置两台1250kVA干式变压器,一个供电一个备用,负载率控制在76%左右,当一台变压器出现故障时,另一台变压器负责全部负荷供电。

1.3配电安全设置

  适当抬高落地配电箱底部,抬高部分控制在50mm左右,在室外则应当大于200mm,为了避免老鼠等进入到配电箱,要封闭底座。此外,与配电室相邻有两条母线,若一条母线存在一级负荷,则相邻母线需要采取防火措施。如果高、低压配电设备在同一室内,则需要控制好二者之间的静距离,一般在2m以上。

1.4电缆敷设

  在建筑物之内,采用电缆桥架和电缆沟来进行电缆敷设。对于控制电缆和动力电缆,应当采取分层分侧的布置方式。对于电缆穿管敷设,可以埋一些备用管,方便日后线路的维护和增容。如果线径较小,且敷设的电缆数量较少,可以采用电缆手井的方式敷设;如果线径较大,且电缆数量较多,则需要设置电缆人井。对于小型城市生活污水处理厂厂区,可采用直埋、电缆沟及电缆桥架等敷设方式,将电缆从变配电室引到室外。进行土建工程施工时,应预留相应尺寸孔位,以减少二次穿墙施工,提升敷设效率。室外电缆敷设需要与给排水工程紧密结合,避开给排水管线,做好电缆沟内排水工作,每隔60m设置一个电缆井,电缆井规格为600mm×600mm×800mm。

1.5设备选择

  主要设备需要选择可靠性高的先进设备,同时还要遵循实用性和经济性的原则。可采用中置式金属铠装移开式10kV高压开关柜,真空断路器为主开关,220VDC为操作电源。而且变压器采用稳定性优良、效率较高、机械性能良好、噪声干扰小的干式变压器。

2、自控系统设计

  2.1CASS工艺及流程

  CASS(循环式活性污泥法)工艺不仅具备除磷、脱氮、降解有机物等功能,同时具备单池连续循环污水处理功能,且占地面积小,运行维护量少,十分适合于小型城市生活污水处理厂。

  生物池是CASS工艺的核心构筑物,在生活污水处理厂中,整个污水处理流程都在生物池中完成,不需要设置二沉池和调节池。整个工艺流程简单,设备设置紧密,如图1所示。

180131 小型城市生活污水处理厂电气与自控系统设计 (1).png

2.2自控系统网络设计

  对于污水处理自动控制系统来说,网络通信的可靠性对系统控制性能有着重要的影响,这就对网络拓扑结构设计、传输介质选择及参数设置等提出了更高的要求。该文提出的小型城市生活污水处理厂自动控制系统结构主要包括上位机监控系统和下位机监控系统。工业以太网以TCP/IP协议为基础,有着较强的抗干扰能力和优良的实时性,而且其能够延伸到污水处理厂现场设备控制层,有利于远程控制及资源共享的实现。因此,采用环形光纤工业以太网来进行自控系统组网,自控系统拓扑结构如图2所示。

180131 小型城市生活污水处理厂电气与自控系统设计 (2).png

  整个系统结构分为以下3个网络层面:

  (1)上位机监控管理层。此层为系统网络最上层,由WinCC组态构成。

  (2)通讯层。此层为系统网络中间层,由环形工业以太网构成,利用CP343-1通讯模块实现以太网与S7-300 PLC之间的连接,对WinCC组态设备网络参数进行设置,通过收发器实现以太网与上位机之间的连接。

  (3)执行层。执行层是系统网络结构的最底层,由下位机PLC及污水处理厂现场设备构成,能够实现污水处理的过程控制和设备执行,整个执行层包括4个S7-300 PLC站,能够分布式控制整个处理工艺流程中的各个分区工段。

2.3上位机监控系统设计

  2.3.1监控系统

  对于上位机监控系统来说,设计方法众多,可直接用组态软件进行系统开发设计,也可以用可视化软件编程进行设计。本文以西门子WinCC组态软件为基础,开发设计上位机监控系统。该软件有着功能强大、通讯稳定及开发简单的特点。

  在上位机监控系统总画面中,点击导航栏可进入处理环节,实现浏览与控制功能,同时还包括打印、报警确认、动态画面显示等多种基本功能,以及网络通断提示、设备故障提示、故障自诊断、远程控制维护等多种功能模块,为操作人员的监控工作提供了极大的便利。

  2.3.2超远程监控与维护功能设计

  城市生活污水处理厂设备种类繁多,控制逻辑相对复杂,若不能够及时解决设备出现的故障,则会给企业带来损失。此外,许多子工作站与中心控制室之间相距较远,分布分散,维护人员往往忙于奔走,设备维护效率低下。通过设计超远程监控与维护功能,有效解决了该问题,不仅本地维护人员可以实现远程维护,且全国各地的专业人员都能够进行远程指导和监视,从而提升设备维护效率。系统以DameWare远程操控软件为基础,设计了超远程监控与维护功能。用户填写用户名或IP地址,通过账号密码登录即可实现连接,从而对本地系统进行操控和监视。

2.4下位机监控系统

  2.4.1控制模式

  下位机监控系统以西门子PLC为基础,有着数据采集和运转控制的功能,包括手动控制、远程手动控制及全自动控制3种模式。在常规运行时,以全自动控制模式为主,在设备调试和设备维修时,以另外两种控制模式为主,且手动控制处理设备故障不会对其他设备的运行带来影响,保证了系统工作的稳定性。此外,通过智能判断设备运行状态,还可以实现三种控制模式的无缝切换。在全自动控制模式下,由PLC根据编写的方案对污水处理工序及相关设备启停进行自动控制,整个控制过程无需人员参与。下位机通过以太网可以将现场设备状态开关量和COD、流量、溶解氧及氨氮等仪表参数传输给上位机,并在上位机系统显示和存储。需要注意的是,在污水处理过程中,有一些实时性较强的参数,如累积流量和瞬时流量是动态变化的,针对这些参数,可以通过RS-485芯片与PLC相连,保证上位机数据与现场流量计参数实时一致。PLC利用模块接口采集电信号,并根据工艺要求输出控制信号,传输到执行机构,从而实现对各个现场设备动作的有效控制。

  2.4.2状态图编程

  城市污水处理系统外部设备众多,尤其是泵类设备和阀类设备,其控制逻辑较为复杂,若采用传统PLC编程方法,很难起到良好的控制效果,且传统编程方法不仅修改麻烦,而且可读性差,对于复杂程序编写,需要对原有程序大幅修改,增加了错误概率。因此,提出一种状态图编程方法,对自控系统下位机系统进行编程,将复杂动作细致地划分为众多状态,以各个状态之间跳转关系为基础进行编程,能够打破传统编程方法的局限性。具体编程步骤为:以状态图的方式表达动作过程;将状态图之间跳转用的梯形图语句写出来;结合输出寄存器中的控制指令与实际输出线圈,将相应的限制程序添加其中。

3、结语

  设计一种基于CASS的污水处理自控系统,运行稳定,维护方便,处理效率较高,能够实现超远程控制和维护,适用于小型城市生活污水处理厂,值得推广和应用。

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