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深圳市利源水务设计咨询有限公司 广东深圳 518000
摘要：21世纪，随着大家对自身生活环境需求的不断进步，以及环保意识的增强，国家和社会对各种污染的管理越来越注重，由于水是有限的不可再生资源，所以对水污染的管理显得愈加重要，因此，针对污水提升站的项目，电气系统在整个污水站的运行中起到不可忽视的作用。本文从污水处理流程、PLC 控制系统、监控及安防系统、设计时应注意的一些问题这几个方面谈谈污水提升站的电气系统设计。
关键词：污水泵站；电气设计；控制系统；PLC技术应用
新时期下，伴随着我国社会经济的发展，各地的环境问题也日益突出。污水处理在环境保护中是一个最重要的环节，污水处理作为城市可持续发展的必要措施，其建设的好坏直接影响到整个城市的环境，而如今能源的紧缺又给城市的发展提出了新的目标。污水提升泵站其主要用于收集城市生活污水，是城市生活污水集中排放、处理的必要环节，因而污水提升泵站的作用是显而易见的。为此，针对污水泵站的建设项目，设计了一套由PLC 控制系统和远程监控系统构成的污水泵站自动化控制系统，较好地解决了污水处理问题，是一套先进、可靠、操作简单的控制系统。
1、污水提升泵站污水处理流程
以杏南小区污水泵站建设工程为例，阐述污水提升泵站污水处理流程。该泵站中有两台潜水泵（一用一备），生活污水不断的注入集水池内，当集水池内水位升至一个高水位时，一台泵启动，水位下降至一个低水位时，泵自动停止工作。当集水池再次充满水时，起动另外一台水泵，直至停止工作。
2、电气系统设计组成
根据污水泵站污水处理过程的流程和现场设备的要求，整个污水泵站污水处理站控制部分由电气部分、PLC控制系统以及监控系统。系统为集散型计算机控制系统。系统采用以太网和现场总线混合型结构，PLC 作为现场总线中的一个站，又作为以太网上的一个站点，而监控中心不作为现场总线网络中的站点，只作为以太网中的节点，此网上的各站点相互之间的数据交换通过以太网进行，而现场的信息也通过以太网从PLC 的寄存器中读取，控制现场的参数也由以太网送到主站PLC 的寄存器中，再通过主/从协议传送到现场总线中的各从站。从而实现污水站的远程监视控制。
2.1 电气部分设计。由于污水处理是一个连续的非常重要的项目，如果在正常生产中有电源中断，那样会引起工艺状态混乱，需要很长时间才能恢复。所以供电负荷要求为二级，供电电源采用双回线路。泵站的主要用电负荷为一台90kW的潜水泵。电机实现手动/自动两种控制方式，手动方式下实现就地控制，正常运行情况下PLC 控制为主。电机采用软启动方式启动。另外还要给轴流风机和泵站的一些正常用电配电。
2.2 PLC 控制系统设计。在整个控制系统中，自动控制部分主要有集水池的液位控制、潜水泵本身的温度、漏油控制。下面仍以泵站中有两台潜水泵（一用一备）为例，具体的说明集水池的液位控制流程及程序设计。集水内安装2个浮球液位计和1个投入式液位变送器。投入式液位变送器预先设定启泵（-3.0m）和停泵（-5.95m）的数值（可更改的）。污水不断的注入集水池内，当集水池内水位升至-3.0m时，一台泵启动，水位下降至-5.95m时，泵自动停止工作。当集水池再次充满水时，起动另外一台水泵，直至停止工作。两台水泵可由程序控制自动切换使用，以保证各台泵平均使用；泵出口电动阀门与相应泵联锁。开泵过程为：先启泵后开阀；停泵过程为：先关阀后停泵。2个浮球液位计分别设在高低液位的两个值，当达到这两个值时，通过PLC与报警呼叫装置连接，通过通信网络传到监控中心。
2.3 监控及安防系统设计。污水站，除了有远程监控系统外，还必须有远程视频监控及防盗等的安防系统。
2.3.1 周界防范报警系统。周界防范报警系统通过在泵站的四周围墙上安置主动红外对射探测器，对周界分段警戒，防范闲杂人员翻越围墙进入泵站，当围墙上有人翻越时，泵站报警主机上会出现声光报警，同时报警信号自动传输到监控中心，并自动记录报警时间与保存报警信息。
2.3.2 防盗系统。在泵站的室内安装了幕帘式被动红外入侵探测器，用于防止他人未经许可进入房间实施破坏。
2.3.3 远程视频图象监控系统。远程视频图象监控系统是在污水泵站配电间、污水泵站院内等设置前端摄像机，将图象传送到监控中心，由监控中心对整个泵站进行实时监控和记录，使管理人员充分了解泵站的动态。该系统与泵站室内防盗报警、周界报警等系统联动，通过数字硬盘录像机，完成监视、报警、设防和监视图象的存储和检索。
3、现场工艺介绍
泵站由五组相对独立的污水处理渠组成，每组设有阀门和粗细格栅等处理设备。粗细格栅的控制由粗细格栅的液位差或时间来完成，格栅进行动作时，阀门和传送带及压榨机等进行相应的动作。经过处理的污水暂存在集水池中，集水池的液位现场由超声波液位计、投入式液位计测量，起互为备用的作用，在雨水泵和污水泵启停时考虑汛期和雨季的因素，在操作画面上设置功能选择开关。控制系统主要控制各种阀门、粗细格栅、传送带、压榨机、污水泵、雨水泵等，同时对用泵站耗电量进行计量。
3.1 粗细格栅控制系统
对格栅设置两种控制方式：水位差自动控制（粗格栅）和时间控制
根据水位差测量仪测得的格栅前后水位差值自动控制机械格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当机械格栅停止运行的时间超过设定值时，系统转为时间控制。PLC系统将自动控制输送栅渣压实机、机械格栅的顺序启停、运行、停车以及安全連锁保护。任何一台格栅启动时，均启动输送机和栅渣压实机。
3.2 水泵控制
在泵池设超声波液位和投入式液位仪表，根据水位测量仪测得的泵房水位值自动控制多台水泵的启停运行。当泵房水位高至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序自动增加水泵的运行台数；相反，当泵房水位降至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序自动减少水泵的运行台数。同时，系统累积各个水泵的运行时间，自动轮换水泵，保证各水泵累积运行时间基本相等，使其保持最佳运行状态。 4、设计时应该注意的一些问题
这几年做污水提升泵站的电气系统设计，设计时出现过一些问题，值得大家以后在设计中应该注意。
4.1 电源的问题。污水站属于二级负荷。在水专业的规范中有说明，在电气规范中没有说明，所以在设计时，我们都查了規范，可是没有看到是二级负荷，就没有按照二级负荷考虑电源的问题。
根据民用建筑电气设计规范（JGJ 16-2008）3.2.10，二级负荷的供电系统，宜采用两回线路供电。一定要跟高压部门结合好引电源的位置，是不是可以增容。
4.2 配电柜内设备的问题。从现场的实际来看，进线柜若是双电源切换柜，1000mm宽的柜子还是比较小，排的满满的，电缆在后面都没有多余的空间，所以柜体宽度最好为1200mm。
4.3 自控设备的问题。设计中采用了超声波液位计和浮球液位计，以后的设计中可以考虑雷达液位计、激光液位计等。设计时，可根据每个物业的情况选择相应的液位计。
4.4 加装雨棚灯、院内照明的问题。可以安装声光控雨棚灯；污水泵房顶四周增设投光灯；有砖围栏的，也可在围栏柱上安装灯具；站内道路也可以增设路灯。另外一定要注意的是：污水池内的照明灯具要选用防爆灯。从人性化考虑，可以在大门处增加门铃，以便来访人员。
5、控制系统功能及实现
5.1 WinCC 组态软件
SIMATIC WinCC具有良好的开放性和灵活性，可简单、有效地进行组态，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
5.2 操作控制层
操作控制层作为系统的人机接口单元（HMI），完成对现场生产过程的监视和生产过程的操作。同时又将本地信号经网络向管理服务器传输，人机接口界面所采用的组态软件，其功能如下：
（1）人机接口：计算机上开发了监控界面，可显示现场主接线图，工艺流程图、设备状态、参数、棒型图以及历史曲线等。可根据实际要求通过对现场进行各种操作。
（2）污水处理操作过程的监视：污水处理自动控制，实质上是一个按时控制的顺序控制过程，因此上述顺序控制过程可分为若干步，可以把污水处理步骤化，启、停机的步骤显示在计算机屏幕上，并且每一步后面采用动态颜色反映各步的状态变化，以表明相应的步骤顺利地完成，
（3）数据库功能：可将PLC采集处理的各类信号：模拟量、开关量、脉冲量的每一采样点记录到文件中以备处理，该文件可被excel数据库直接应用；同时可记录操作人员当班期间的操作记录。
（4）事故记录：记录模拟信号的越限报警和开头的故障动作时间。
（5）打印报表：可定时或事件驱动打印实时、历史趋势数据和各类报警数据。
（6）数据库接口：支待ODBC数据库接口。
5.3 管理层
管理层运行Wincc组态软件，与操作控制层通过网络连接，把生产数据存入SQL Server数据库，并在SQL服务器上运行专家系统，对污水处理的各种性能参数进行分析并提出合理建议。
5.4 现场控制层
由于PLC控制的设备很多，操作控制层和现场控制层需通信的设备状态和控制命令交换频繁，我们采用结构化的软件编程方法设计了操作控制层和现场控制层通信的数据结构，从而提高了控制系统软件的可扩展性和可维护性。
6、结束语
综上所述，污水提升泵站电气系统在整个污水泵站的运行中起到非常大的作用，利用了当前先进的硬件、先进的控制系统软件、先进的网络总线技术，形成了一套先进、可靠、可利用性高、实时性好、操作简单、控制品质高、经济实用的控制系统。降低工人劳动强度，改善劳动环境，体现了良好的社会效益。
参考文献：
[1] S7-300和400梯形图编程手册[M].2004.
[2]冯地斌，吴波.rofibus现场总线技术[J].自动化与仪器仪表，2002（02）.
[3] HG/T20507-2000，自动化仪表选型设计规定[S].
[4] GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].
[5] SIMATIC S7-300可编程序控制硬件和安装手册.
摘要：21世纪，随着大家对自身生活环境需求的不断进步，以及环保意识的增强，国家和社会对各种污染的管理越来越注重，由于水是有限的不可再生资源，所以对水污染的管理显得愈加重要，因此，针对污水提升站的项目，电气系统在整个污水站的运行中起到不可忽视的作用。本文从污水处理流程、PLC 控制系统、监控及安防系统、设计时应注意的一些问题这几个方面谈谈污水提升站的电气系统设计。
关键词：污水泵站；电气设计；控制系统；PLC技术应用
新时期下，伴随着我国社会经济的发展，各地的环境问题也日益突出。污水处理在环境保护中是一个最重要的环节，污水处理作为城市可持续发展的必要措施，其建设的好坏直接影响到整个城市的环境，而如今能源的紧缺又给城市的发展提出了新的目标。污水提升泵站其主要用于收集城市生活污水，是城市生活污水集中排放、处理的必要环节，因而污水提升泵站的作用是显而易见的。为此，针对污水泵站的建设项目，设计了一套由PLC 控制系统和远程监控系统构成的污水泵站自动化控制系统，较好地解决了污水处理问题，是一套先进、可靠、操作简单的控制系统。
1、污水提升泵站污水处理流程
以杏南小区污水泵站建设工程为例，阐述污水提升泵站污水处理流程。该泵站中有两台潜水泵（一用一备），生活污水不断的注入集水池内，当集水池内水位升至一个高水位时，一台泵启动，水位下降至一个低水位时，泵自动停止工作。当集水池再次充满水时，起动另外一台水泵，直至停止工作。
2、电气系统设计组成
根据污水泵站污水处理过程的流程和现场设备的要求，整个污水泵站污水处理站控制部分由电气部分、PLC控制系统以及监控系统。系统为集散型计算机控制系统。系统采用以太网和现场总线混合型结构，PLC 作为现场总线中的一个站，又作为以太网上的一个站点，而监控中心不作为现场总线网络中的站点，只作为以太网中的节点，此网上的各站点相互之间的数据交换通过以太网进行，而现场的信息也通过以太网从PLC 的寄存器中读取，控制现场的参数也由以太网送到主站PLC 的寄存器中，再通过主/从协议传送到现场总线中的各从站。从而实现污水站的远程监视控制。
2.1 电气部分设计。由于污水处理是一个连续的非常重要的项目，如果在正常生产中有电源中断，那样会引起工艺状态混乱，需要很长时间才能恢复。所以供电负荷要求为二级，供电电源采用双回线路。泵站的主要用电负荷为一台90kW的潜水泵。电机实现手动/自动两种控制方式，手动方式下实现就地控制，正常运行情况下PLC 控制为主。电机采用软启动方式启动。另外还要给轴流风机和泵站的一些正常用电配电。
2.2 PLC 控制系统设计。在整个控制系统中，自动控制部分主要有集水池的液位控制、潜水泵本身的温度、漏油控制。下面仍以泵站中有两台潜水泵（一用一备）为例，具体的说明集水池的液位控制流程及程序设计。集水内安装2个浮球液位计和1个投入式液位变送器。投入式液位变送器预先设定启泵（-3.0m）和停泵（-5.95m）的数值（可更改的）。污水不断的注入集水池内，当集水池内水位升至-3.0m时，一台泵启动，水位下降至-5.95m时，泵自动停止工作。当集水池再次充满水时，起动另外一台水泵，直至停止工作。两台水泵可由程序控制自动切换使用，以保证各台泵平均使用；泵出口电动阀门与相应泵联锁。开泵过程为：先启泵后开阀；停泵过程为：先关阀后停泵。2个浮球液位计分别设在高低液位的两个值，当达到这两个值时，通过PLC与报警呼叫装置连接，通过通信网络传到监控中心。
2.3 监控及安防系统设计。污水站，除了有远程监控系统外，还必须有远程视频监控及防盗等的安防系统。
2.3.1 周界防范报警系统。周界防范报警系统通过在泵站的四周围墙上安置主动红外对射探测器，对周界分段警戒，防范闲杂人员翻越围墙进入泵站，当围墙上有人翻越时，泵站报警主机上会出现声光报警，同时报警信号自动传输到监控中心，并自动记录报警时间与保存报警信息。
2.3.2 防盗系统。在泵站的室内安装了幕帘式被动红外入侵探测器，用于防止他人未经许可进入房间实施破坏。
2.3.3 远程视频图象监控系统。远程视频图象监控系统是在污水泵站配电间、污水泵站院内等设置前端摄像机，将图象传送到监控中心，由监控中心对整个泵站进行实时监控和记录，使管理人员充分了解泵站的动态。该系统与泵站室内防盗报警、周界报警等系统联动，通过数字硬盘录像机，完成监视、报警、设防和监视图象的存储和检索。
3、现场工艺介绍
泵站由五组相对独立的污水处理渠组成，每组设有阀门和粗细格栅等处理设备。粗细格栅的控制由粗细格栅的液位差或时间来完成，格栅进行动作时，阀门和传送带及压榨机等进行相应的动作。经过处理的污水暂存在集水池中，集水池的液位现场由超声波液位计、投入式液位计测量，起互为备用的作用，在雨水泵和污水泵启停时考虑汛期和雨季的因素，在操作画面上设置功能选择开关。控制系统主要控制各种阀门、粗细格栅、传送带、压榨机、污水泵、雨水泵等，同时对用泵站耗电量进行计量。
3.1 粗细格栅控制系统
对格栅设置两种控制方式：水位差自动控制（粗格栅）和时间控制
根据水位差测量仪测得的格栅前后水位差值自动控制机械格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当机械格栅停止运行的时间超过设定值时，系统转为时间控制。PLC系统将自动控制输送栅渣压实机、机械格栅的顺序启停、运行、停车以及安全連锁保护。任何一台格栅启动时，均启动输送机和栅渣压实机。
3.2 水泵控制
在泵池设超声波液位和投入式液位仪表，根据水位测量仪测得的泵房水位值自动控制多台水泵的启停运行。当泵房水位高至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序自动增加水泵的运行台数；相反，当泵房水位降至某一设定的水位值时，PLC系统将按软件程序自动减少水泵的运行台数。同时，系统累积各个水泵的运行时间，自动轮换水泵，保证各水泵累积运行时间基本相等，使其保持最佳运行状态。 4、设计时应该注意的一些问题
这几年做污水提升泵站的电气系统设计，设计时出现过一些问题，值得大家以后在设计中应该注意。
4.1 电源的问题。污水站属于二级负荷。在水专业的规范中有说明，在电气规范中没有说明，所以在设计时，我们都查了規范，可是没有看到是二级负荷，就没有按照二级负荷考虑电源的问题。
根据民用建筑电气设计规范（JGJ 16-2008）3.2.10，二级负荷的供电系统，宜采用两回线路供电。一定要跟高压部门结合好引电源的位置，是不是可以增容。
4.2 配电柜内设备的问题。从现场的实际来看，进线柜若是双电源切换柜，1000mm宽的柜子还是比较小，排的满满的，电缆在后面都没有多余的空间，所以柜体宽度最好为1200mm。
4.3 自控设备的问题。设计中采用了超声波液位计和浮球液位计，以后的设计中可以考虑雷达液位计、激光液位计等。设计时，可根据每个物业的情况选择相应的液位计。
4.4 加装雨棚灯、院内照明的问题。可以安装声光控雨棚灯；污水泵房顶四周增设投光灯；有砖围栏的，也可在围栏柱上安装灯具；站内道路也可以增设路灯。另外一定要注意的是：污水池内的照明灯具要选用防爆灯。从人性化考虑，可以在大门处增加门铃，以便来访人员。
5、控制系统功能及实现
5.1 WinCC 组态软件
SIMATIC WinCC具有良好的开放性和灵活性，可简单、有效地进行组态，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
5.2 操作控制层
操作控制层作为系统的人机接口单元（HMI），完成对现场生产过程的监视和生产过程的操作。同时又将本地信号经网络向管理服务器传输，人机接口界面所采用的组态软件，其功能如下：
（1）人机接口：计算机上开发了监控界面，可显示现场主接线图，工艺流程图、设备状态、参数、棒型图以及历史曲线等。可根据实际要求通过对现场进行各种操作。
（2）污水处理操作过程的监视：污水处理自动控制，实质上是一个按时控制的顺序控制过程，因此上述顺序控制过程可分为若干步，可以把污水处理步骤化，启、停机的步骤显示在计算机屏幕上，并且每一步后面采用动态颜色反映各步的状态变化，以表明相应的步骤顺利地完成，
（3）数据库功能：可将PLC采集处理的各类信号：模拟量、开关量、脉冲量的每一采样点记录到文件中以备处理，该文件可被excel数据库直接应用；同时可记录操作人员当班期间的操作记录。
（4）事故记录：记录模拟信号的越限报警和开头的故障动作时间。
（5）打印报表：可定时或事件驱动打印实时、历史趋势数据和各类报警数据。
（6）数据库接口：支待ODBC数据库接口。
5.3 管理层
管理层运行Wincc组态软件，与操作控制层通过网络连接，把生产数据存入SQL Server数据库，并在SQL服务器上运行专家系统，对污水处理的各种性能参数进行分析并提出合理建议。
5.4 现场控制层
由于PLC控制的设备很多，操作控制层和现场控制层需通信的设备状态和控制命令交换频繁，我们采用结构化的软件编程方法设计了操作控制层和现场控制层通信的数据结构，从而提高了控制系统软件的可扩展性和可维护性。
6、结束语
综上所述，污水提升泵站电气系统在整个污水泵站的运行中起到非常大的作用，利用了当前先进的硬件、先进的控制系统软件、先进的网络总线技术，形成了一套先进、可靠、可利用性高、实时性好、操作简单、控制品质高、经济实用的控制系统。降低工人劳动强度，改善劳动环境，体现了良好的社会效益。
参考文献：
[1] S7-300和400梯形图编程手册[M].2004.
[2]冯地斌，吴波.rofibus现场总线技术[J].自动化与仪器仪表，2002（02）.
[3] HG/T20507-2000，自动化仪表选型设计规定[S].
[4] GB50052-2009，供配电系统设计规范[S].
[5] SIMATIC S7-300可编程序控制硬件和安装手册.