自动化仪表在污水处理系统中的应用

　　随着我国工业自动化程度的提高，计算机测控管理系统已普遍进入污水处理厂自动化领域。目前，国内污水厂自控系统采用最多的是由工业计算机 (IPC)+可编程序逻辑控制器(PLC)+自动化仪表组成的多级分布式计算机测控管理系统。

一、自动化仪表在污水处理系统中的重要地位
　　在现代化的污水厂中，每一个生产过程总是与相应的仪表及自控技术有关。仪表能连续检测各工艺参数，根据这些参数的数据进行手动或自动控制，从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各污水处理工艺之间的关系，以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。同时，由于检测仪表测定的数值与设定值可连续进行比较，发生偏差时，立即进行调整，从而保证污水处理质量。根据仪表检测的参数，能进一步自动调节和控制设备的合理运行，使管理更加科学化，达到经济运行的目的。由于仪表具有连续检测、超高报警的功能，便于及时处理事故，同时仪表还是实现计算机控制的前提条件。所以在先进的污水处理系统中，自动化仪表具有举足轻重的作用。

二、水处理系统常用仪表的分类
1、常用仪表的分类
　　 在污水处理过程中，需要测量的参数是多种多样的，例如液位、液位差、流量、压力、PH值、温度、溶解氧、污泥浓度、氧化还原电位、污泥浓度、污泥界面、在线BOD、在线COD、在线氨氮、在线总磷等。对于温度、压力、液位、流量这些物理量，一般称其为热工量。诸如PH值、温度、溶解氧、污泥浓度、氧化还原电位、污泥浓度、等参数，称之为成分量。用于测量热工量的仪表一般称之为热工测量仪表；用于测量成分量的仪表一般称之为成分分析仪表，在污水处理过程中常常称之为水质分析仪表。这些专用仪表在我国发展比较晚，因此，通常选用国外先进产品，从长远观点看是比较经济、可靠的。

2、测量仪表的构成
　　 测量仪表种类多、类型复杂、结构各异，但都担负着共同的任务；测量出被测参数的值。所以，它在构成上就有明显的共性。它们大致都由测量元件（传感器）部分、中间传送部分和显示部分（包括变换成其他信号）构成。各部分之间的关系如图10-5所示。

三、咸阳路污水处理系统常用仪表及使用中应注意的问题
　　 天津市咸阳路污水处理厂是一座日处理量45×10⁴m³/d、A/O二级生化处理工艺的污水处理厂。为保证污水处理的安全性、可靠性和生产的连续性，提高污水处理厂的自动化水平，全厂控制系统采用基于可编程逻辑控制器（PLC）的集散型控制系统，以及监控和数据采集（SCADA）系统。集散型控制系统包括管理层和控制层。管理层主要是对全厂的生产过程进行监视、数据存储和分析；控制层主要是通过现场PLC或计算机完成各自辖域内工艺过程和工艺设备的自动控制。SCADA系统通过现场检测仪表和网络设备完成对主要工艺参数的数据采集并对生产流程进行监控。
　　污水处理流程中的各检测仪表均为在线式智能仪表，变送器均带有数字显示装置并通过可编程序控制器（PLC）的接口传送标准的模拟、数字信号。
　　污水处理厂的过程检测仪表分散设置于各个工艺处理构筑物及工艺管道上，作为自控系统的在线检测和数据采集设备。所需检测的主要参数有：液位、液位差、流量、压力、PH值、温度、溶解氧、污泥浓度、氧化还原电位、混合液浓度、污泥界面、在线BOD、在线COD、在线氨氮、在线总磷等。厂外泵站仪表包括液位、液位差、流量等。下面分类介绍一下厂区常用仪表。

（一）流量测量仪表
　　在污水处理工艺过程中，流量测量仪表应该说是应用最广、最多的测量仪表。污水处理厂的进出水水量、回流污泥量、曝气量以及消化池产气量等都是工艺生产所必须测量的流量参数。另外，为了对污水处理厂的运行经济效果进行考核、分析，也要依靠流量测量仪表来提供必要的数据。
　　咸阳路污水处理厂常用的流量计有超声波流量计和电磁流量计等，下面分别做介绍。
1、电磁流量计
　　电磁流量计是利用电磁感应原理制成的流量测量仪表，可测量含有纤维质或固体颗粒悬浮物等具有导电性的介质。在测量中，液体本身为导体，磁场通过安装在管路中的两个线圈产生。线圈由交流或直流电源励磁，磁场作用于管道内流动的液体，在管道中产生一个与被测流体平均流速V相对应的电压，且该电压与流体的流速分布无关。
　　电磁流量计主要由变送器和转换器组成。被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把感应电势信号转换成为电流信号作为输出，以便进行远方指示记录或作为控制信号。
　　由于这种仪表的测量部分没有深入管道内部的部件，没有收缩或改变管道的截面，因此具有惰性小、反应迅速、压力损失小、也可以测量脉动流量等特点。另外，其输出电流与流量具有线性关系，它不受被测液体的物理性质（温度、压力、粘度）变化和流动状态的影响；电磁流量计的孔径范围大，可以从几毫米到两米以上。对于同一台电磁流量计而言，它的测量范围也很大，量程比可达1：100以上。所以，它在污水处理得到了广泛应用。
　　电磁流量计也有一定的局限性和不足之处，如被测液体必须是导电的，不能测量气体流量等，另外电磁流量计的结构复杂，成本高。
2、超声波流量计
　　随着仪表技术的发展，各种类型的超声波流量计用于渠道测量的明渠式超声波流量计、用于管道测量的管道式超声波流量计、管道钳夹式超声波流量计等被越来越多污水处理厂所采用。
　　（1）明渠式超声波流量计 在污水处理厂流量测量仪表中，若按测量仪表的安装形式来分类，实际上只有两种形式的流量计：管道式和明渠式。明渠式超声波流量计是一种在污水处理厂应用很广的流量计。在污水厂中常用的明渠有巴歇儿水槽、三角堰、梯形槽、矩形槽等。
　　明渠流量计实际上是通过渠中流量液位，再换算成流量的。
　　（2）管道钳夹式超声流量计 管道钳夹式超声流量计可以不用断开管路安装（不像电磁流量计那样需要断开管路安装），也不需要安装旁通管路和阀门，测量管路口径可以几十毫米到几米，维护方便，可以对流体无任何影响下来进行流量测量，因此被广泛采用。
　　管道钳夹式超声流量计的组成：管道外部的两个传感器、安装导轨及附件、转换器。
　　超声流量计的主要优点：
　　(1)安装维护方便。随着夹装式传感器的广泛使用，在安装和维护超声流量计时不需在管道上打孔或切断流量，就可在已存在的应用场合很方便地进行安装，尤其适用于大口径管道检测系统。
　　(2)口径范围大，且价格不受管径影响。
　　(3)测量可靠性高。
　　(4)无压力损失。
　　(5)不受流体参数影响。
　　(6)输出标准化直流信号，可方便地进入自控系统。
（二）液位测量仪表
　　随着科学技术的发展及污水厂测量仪表精度、自动化程度的不断提高，老式液位计、逐渐被淘汰。测量可靠、精确度高，既可就地指示，又可信号远传的仪表，特别是超声波液位计的应用越来越广。
　　超声液位计的传感器由一对发射、接收换能器组成。发射换能器面对液面发射超声波脉冲，超声波脉冲从液面上反射回来，被接收换能器接收。根据发射至接收的时间可确定传感器与液面之间的距离，即可换算成液位。其精确度为±0.5%。
　　这种液位计无机械可动部分，可靠性高，安装简单、方便，属于非接触测量，且不受液体的粘度、密度等影响，因此多用于药池、排泥水池等的液位测量。
　　根据超声波液位计的非接触式测量原理，因此从理论上来讲，它适用于污水处理工艺过程中的液位测量。但在实际应用中它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度，以及被测介质表面的泡沫、浪涌等的影响。因此，正确选择和使用超声波液位计有着十分实际的意义。应根据实际的测量范围来选择合适的仪表。根据超声波特性，频率越低，传输距离越远，但声波的指向性就越差；频率越高，指向性越好，但传输距离越小。目前超声波液位计的测量范围从0.5米到几十米。
　　（三）溶解氧测定仪
　　溶解氧的测量对于污水厂具有十分重要的意义。溶解氧在线测量仪表是污水处理厂溶解氧自动调节系统的重要组成部分，对于调节系统的正常运行起着关键作用，它也是工艺运行人员控制工艺运行的重要依据。
　　溶氧仪主要由传感器和变送器两部分组成。若从传感器的结构形式上分，主要有两种：覆膜电极和无膜电极。
　　这两种电极都由阴极、阳极和电解液组成。
　　（四）仪表使用注意事项
　　1、总体要求
（1）所有仪表的电路应为固态电路，应有温度补偿。
（2）在标准的各电压下，输出的接点容量为≥2A。
（3）所有仪表负载阻抗＞750Ω。
（4）所有现场仪表应适合于天津地区气候条件和海拔高度。
（5）现场仪表应有防水，防尘型的结构，室外仪表应具备全天候运行记录要求，具有防晒、防雨、防变形、防雷击影响的措施，所有仪表都应有可靠接地。
（6）仪表水下传感器探头应具有防止纤维绕缠装置，并便于清洗，以保证仪表正常使用。
（7）仪表电源220V/AC、50Hz，和24V/DC电源两种。
（8）现场控制设备的所有部件的安装应便于调整和读数，并提供变送接口。
　　（9）所有安装在管道中的仪表都应有连接阀门，便于仪表拆修。
　　2、仪表电源
　　现场仪表电源取自各分控站UPS配电系统，PLC内设馈电回路单独设置，并安装保护开关，不间断电源和主要供电回路由中控室操作站或分控站监控。
　　各分控站设单独接地系统，接地电阻不大于1欧姆。模拟量电缆、通信电缆均采用屏蔽。
　　3、仪表电缆敷设
（1）所有仪表变送器至电源或端子箱的电缆均穿封闭挠性金属管保护。
（2）金属挠性管应满足密封、抗冲击、耐腐蚀和安装维护方便的要求，管件必须齐全。
　　（3）平行明敷电缆较多的场所应采用电缆槽、桥架及其必要的附件，电缆槽、桥架应是适合室内、外安装并防腐的。

四、检测仪表在自控程序中的应用
　　在污水处理的自动控制过程中，检测仪表起着非常重要的作用。根据仪表检测的参数，能进一步自动调节和控制设备的合理运行，例如通过测量格栅前后的液位差对格栅的运行进行控制；根据泵房前池的液位对水泵进行编组控制；根据消化池、浓缩池的液位来决定进（排）泥泵的开停等。下面以PLC4中出水泵的自控为例加以说明。
　　出水泵房共安装6台轴流潜水泵（5用1备），自控程序根据出水前池液位计检测到的液位来控制水泵的起停。自控设置的水位是从最低液位（-1.95米）到警戒液位（3.4米）的距离共计5.35米。并有水位升降趋势判断：默认时间间隔每2分钟扫描一次水位，当后一水位值大于前一水位值时即水位上升趋势，反之即水位下降趋势。根据实际情况上位中控室PC机可以设置扫描时间间隔。将水位高度5.35米划分为5份不等。0.7米、0.9米、1.1米、1.25米、1.4米，间隔递减。自控画面如图2所示。
　　（1）水位上升阶段：
　　当前池水位小于-1.95米时，所有水泵停止运转。
　　当前池水位升到-1.95米到-0.55米时，开一台泵。
　　当前池水位升到-0.05米到0.7米时，开二台泵。
　　当前池水位升到0.7米到1.8米 ，开三泵。
　　当前池水位升到1.8米到2.7米之间时，开四台泵。
　　当前池水位升到2.7米到3.4米之间时，开五台泵。
　　当前池水位升到大于3.45米时，开六台泵。即所有水泵全开。此时发出超高水位报警。
　　当前池水位升到3.4米时发出高水位报警信号。
　　（2）水位下降阶段：
　　当前池水位大于3.4米时，所有水泵全部运转。
　　当前池水位降到3.4米到2.7米之间时，关一台泵。
　　当前池水位降到2.7米到1.8米时，关二台泵。
　　当前池水位降到1.8米到0.7米时，关三台泵。
　　当前池水位降到0.7米到-0.55之间时，关四台泵。
　　当前池水位降到-0.55米到-1.95米之间时，关五台泵。
　　当前池水位降到小于-1.95米时，关六台泵，即所有水泵全停。此时发出低水位报警。
　　当前池水位降到-2.6米时发出超低水位报警信号。

　　在这个自控程序中，不论是水泵的起停还是水位趋势的判断，都是以液位计测量到的数据为依据的。由此可见，检测仪表的好坏直接关系到污水处理自动化的效果。

五、总结
　　(1)要实现污水厂的现代化管理，必须使用自动化仪表。
　　(2)在选用仪表时，应做到：稳定可靠，操作简单，安装方便，物美价廉，连续测量，反应灵敏，互换性强，便于维护。
　　(3)仪表维护人员平时应注意技术资料的收集、整理，以便于日常的维护。
　　(4)仪表投入使用后，应保证仪表的准确性，以利于监控系统的正常运行。