城市污水处理厂污水提升泵站自动化控制系统
摘 要：随着城市建设的迅速发展，市政污水处理设施（包括市政污水管网、污水泵站及污水处理厂）也在不断增加。为更科学、高效、稳定的管理及运行污水处理泵站，建设自动化智能控制系统为核心的污水泵站是实现泵站科学化管理的重要基础，也是整个污水处理系统建设调度、决策系统的重要组成部分。
关键词：泵站；PLC；智能保护
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）05-0107-03
1 污水处理厂及泵站自动化控制系统概述
厦门水务中环污水处理有限公司筼筜污水处理厂下辖沿筼筜湖周边滨北1号、北2号、北3号，湖中，滨南1号、2号、3号、4号，及海天、寨上、象屿等共计36（其中含22个截流泵井）个污水提升泵站。这些泵站作为筼筜污水处理厂的厂外泵站，经市政管网将污水提升引入至厂内进行废水处理后，达标排放。汇水面积达70 km2，服务人口150万人。
污水泵站均采用西门子S7-200可编程逻辑控制器（PLC）、PC机、触摸屏等自动化控制设备，配合液位计、流量计等仪表进行污水提升智能控制。
2 系统结构
2.1 主站（控制中心）
主站自控系统采用西门子S7-200系列的CPU-226PLC做主机，通过无线数传电台以“轮询”方式对8个子站实现远程数据采集与控制，并预留一个通讯端口，将来与全厂中控系统联接。采用二台工控机通过组态软件“组态王”与西门子主机通信， 接收主机发送的全部泵站自控数据，进行数据处理并将数据实时显示在显示屏（系统总结构图见图1）。
2.2 子站
采用西门子S7-200PLC实现泵站运行自动控制、液位、流量等现场数据采集，并通过无线数传电台与主站实现数据传输与远程控制。
2.3 通讯方式的选择
由于8个污水泵站分布在筼筜湖周边，有线通讯方式施工复杂，投资成本高，决定采用无线通讯方式，无线通讯有两种方案：
①利用公网（如GPRS、CDMA、电话网），主要优点是一次投资少，覆盖率广。主要缺点是稳定性和实时性较差，网络数据传输系统有一定的延时。
②无线数传电台方式，主要优点是造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单。主要缺点是传输范围有限（5 km）。经过对比，根据8个污水泵站的实际情况（最远的污水泵站离主站不超过4 km），决定采用无线数传电台方式。
3 子站自动控制系统
污水泵站的工艺流程大致相同，均为：地下管网污水→泵站格栅机滤渣→污水集水井→提升泵房→经过多级泵站提升→污水处理厂。主要控制对象设备有：进出水闸门、格栅机、除污机、提升泵等。泵站自动化控制系统要求集数据采集、智能控制于一身，主要功能包括以下几个方面：
3.1 控制方式
有手动、自动两种控制方式，由控制屏上转换开关切换。手动方式由控制屏上按钮手动操作；自动方式由PLC控制。自动方式又分强制自动和遥控自动两种，由PLC输入端子设置，强制自动由子站PLC全权控制，用于通讯出故障时，独立运行。遥控自动为主站自动或手动遥控。
3.2 主要控制功能
根据集水井水位的变化控制泵的开、停。不出现低水位抽空泵，也不发生溢流；泵的开、停顺序：循环开停机，即先开先停，循环运行；分南北池的泵站，分池运行时，两池液位应能独立控制，合池运行时两池轮流开机；根据粗格栅前后液位差和时间周期控制格栅机的启停；根据需要实现闸门启闭机的控制；实现无轴螺旋输渣机与粗格栅的联动，同时实现对输渣机的工作状态的测控；最多开机台数控制：有的泵站需限制开机台数，以免造成管道溢流或泵站自回流。最多开机台数在强制自动方式，由子站PLC控制，在遥控方式由主站主机控制；紧急关总闸控制：当机房发生管道破裂大量漏水或火灾等紧急情况，主站可通过遥控方式关断泵站电源总闸，防止事故扩大。
3.3 机组故障保护要求
过载保护：除热继电器等硬件保护外，还进行PLC软件过载保护（水泵额定电流的110%），双重保护；抽空泵保护（水泵欠载保护，额定电流的60%）；电动机频繁启动保护（/h启动次数>10次为频繁启动），防止因控制回路元件触点接触不良引起电机频繁开停，烧毁交流接触器或电机；潜水泵漏水、超温保护。
3.4 泵站自动化控制系统控制流程
3.4.1 污水泵的自动控制
在集水井内安装一台超声波液位计，测量集水井液位。潜水泵根据集水井液位，按照预定的运行方案自动增减水泵开启台数。具体运行模式如下。
①在PLC自动控制模式下，PLC按照集水井液位设置点自动起动或停止相应台数的进水泵。
②由低至高，集水井液位包括以下设置点。
低液位设置点：当液位降至此设置点以下时，PLC发出低液位报警，并停止所有自动运行的污水泵（无论强制自动还是遥控自动）。
停止所有泵的液位：当液位降至此设置点以下时，PLC停止所有处于自动运行的的污水泵。
起动第一台进水泵的液位：当液位升至此设置点以上时，PLC起动第一台进水泵；当液位降至此设置点以下时，PLC保持运行一台进水泵而停止多余的泵。
起动第二台进水泵的液位：当液位升至此设置点以上时，PLC起动第二台进水泵；当液位降至此设置点以下时，PLC保持运行二台进水泵而停止多余的泵。
起动第三台进水泵的液位：当液位升至此设置点以上时，PLC起动第三台进水泵。
高液位设置点：当液位升至此设置点以上时，PLC发出高液位报警。
污水泵自动轮换运行：当一台泵连续运行时间大于所设定的污水泵连续运行时间，则自动停止运行，同时启动另一台泵，防止泵长时间运行出现过热故障。 当泵的开机台数和液位连续1 h（时间可调）无变化时，则再启动一台泵，将液位抽低，加快管道内污水流动，增加管道污水库容量。
③当PLC采集到泵的故障信号，自动判断属于报警故障还是须要停机的故障，属于须要停机的故障则马上停止正在运行的泵，并马上启动另一台泵。
④当污水泵手动启动时，PLC自动起动的泵的数量相应减少。
⑤污水泵停机后需等待10 min后才能再次起动，泵防止频繁启动；两台污水泵的起动间隔为30 s。
3.4.2 格栅的自动控制
在格栅前后设超声波液位差计，测量格栅前后液位差；格栅机根据前后液位差或设定的运行时间与运行周期自动运行，时间和周期均可根据进水杂质情况调整。具体运行模式如下：
①在PLC自动控制模式下，PLC按照时间设置或液位差设置自动起动或停止格栅。
②时间模式：当某台格栅的等待（停机）时间大于设定值时，PLC起动该台格栅；当某台格栅运行时间大于设定值时，PLC停止该格栅，并启动该格栅的下一个计时周期。所有格栅共用一套等待时间和运行时间设置值，但每台格栅有各自的等待时间和运行时间计时。
③液位差模式：当液位差测量值大于起动格栅液位差设置值时，PLC起动格栅；当液位差测量值小于停止格栅液位差设置值时，PLC停止格栅。
实现无轴螺旋输渣机与格栅的联动，同时实现对输渣机的工作状态的测控。
3.4.3 出水电动阀门控制模式
PLC自动控制模式下，操作员站或触摸屏下达开、关阀指令。
4 主站功能
主站自控系统采用西门子S7-200系列的CPU-226PLC做主机，通过无线数传电台以“轮询”方式对8个子站实现远程数据采集与控制，并预留一个通讯端口，将来与全厂中控系统联接。
采用二台工控机通过组态软件“组态王”与西门子主机通信， 接收主机发送的全部泵站自控数据，进行数据处理并将数据实时显示在显示屏。显示方式多样，有指示灯状态显示、虚拟仪表数码显示、光棒图模拟显示、动态曲线跟踪、历史曲线查询、形象动画显示等。人机界面友好，操作方便，关键控制点密码保护，系统安全可靠。计算机参与设备管理，累计设备运行时间，计算电能消耗。并可根据事先设定的监控范围、对流量、液位等指标进行监控，一旦超出设定范围，计算机立即启动声光报警，并将这一时刻的有关数据、工况记录下来，以供分析、决策，并按要求生成相关报表。计算机所测数据可按一定时间间隔记录在硬盘上，可根据需要随时将有关数据打印出来。
5 运行状态和分析
泵站实现自动化控制以来，运行状况良好，不仅大大减轻了值班人员的工作强度，提高生产力，且为管理人员提供了科学可靠的相关管理数据依据。为污水处理厂科学管理、调度、决策打下了坚实的基础。
6 结 语
随着泵站自动化系统的日益完善，智能化控制及对控制设备的综合保护等优势逐渐体现出来，越来越多的污水提升泵站已经将上述技术功能作为泵站自动化系统的设计蓝本。泵站自动化系统也将在未来的污水提升泵站控制领域得到广泛应用。
参考文献：
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