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【摘要】武汉天河机场污水处理厂主要负责处理机场日常生活污水，工艺采用SBR污水处理技术。本文首先介绍了SBR的工艺特性，并且详细介绍了SBR池电气设备自动控制方案，包括电气控制系统的结构、曝气鼓风机及进气阀门的自控方案、控制反应速率的自控方案、滗水器自控方案。并阐述了SBR池自控系统中PLC、智能仪表、变频器等各部分特点，文章最后阐明了此设计方案对工艺要求的响应。
【关键词】SBR池；电气；自动控制；
中图分类号：F407文献标识码： A
0、前言
SBR工艺是一个间歇式污水处理技术，能够由单一反应槽通过时间序列来完成污水反应、沉淀、排水、闲置等功能。其处理技术中的核心就是SBR反应池，通过对曝气鼓风机、搅拌器、滗水器、进水阀门等电气设备的控制，使污水得到有效地处理。本文利用可编程控制器（PLC）对涉及SBR池中污水处理的电气设备进行自动控制，同时通过溶解氧探测器（DO）、超声波液位计等检测仪器，监测相应的反应过程，调整控制程序中的参数，更好地控制反应过程。最终使污水达到工艺设计要求，保证污水达标排放。
1、 SBR池电气设备自动控制方案设计
1.1SBR池自动控制系统结构
自动模式下，PLC控制电气元器件，电气元器件动作后，带动相对应的SBR池电气设备，能够控制进水、进气阀门的开启与关闭，鼓风机的启动与停止；滗水器的上升与下降。各电气元器件和电气设备之间无联系。系统结构如图1所示。
图1SBR池设备自动控制系统图
1.2曝气鼓风机及进气阀门自动控制方案
此系统共3台曝气鼓风机。正常工作时，1#鼓风机负责1#、2#SBR池的曝气，3#鼓风机负责3#、4#鼓风机的曝气。2#鼓风机作为备用。当SBR池进入到曝气阶段时，对应SBR池的进气阀门首先打开，然后打开相对应的鼓风机出气电动阀，最后打开曝气鼓风机。如果1#或2#鼓风机中有一台出现故障而停止运行时，故障信号会传到PLC。PLC会首先撤消故障鼓风机的运行信号，同时关闭故障鼓风机相对应的出气电动阀；完全关闭后，打开故障侧的联络阀门和2#电动阀；最后，PLC输出给2#鼓风机变频器启动信号，2#鼓风机运行。如图2所示为鼓风机房平面图，显示了出气阀与联络阀在管道中的位置。
图2鼓风机房平面图
1.3控制反应速率的自动控制方案
SBR池在反应周期的初期，污水中有机物浓度较高，消耗溶解氧（DO）很大，曝气量应足够大。如溶解氧的供给小于消耗，则影响到有机物的降解速率。随着反应的进行，有机物浓度降低，溶解氧消耗越来越少，曝气量也可随之减少。为了适应曝气量的变化，系统采用变频器控制曝气鼓风机，频率的变化直接影响曝气鼓风机的转速，从而改变了曝气量的大小。
在反应进行中，溶解氧探测器的探头一直在检测水中溶解氧的浓度，把数据传输到PLC。PLC经换算后，把数据传输给智能仪表。在智能仪表上可以设定溶解氧的希望值，然后通过与溶解氧的实际值做比较，进行PID调节，把结果参数输出给变频器，达到控制水中溶解氧浓度的目的。如图3所示。
如果1#或3#曝气鼓风机发生故障，PLC会停止运行故障鼓风机，启动2#鼓风机。同时，PLC还会把SBR池的溶解氧信号，切换输出到2#智能仪表。2#智能仪表根据输入的溶解氧信号进行PID调节，输出给变频器，调节鼓风机的转速
图3溶解氧信号传输系统图
如图4所示，这是一个的负反馈回路的控制系统。当水中溶解氧浓度高于设定值时，智能仪表输出给变频器的数值减小，变频器频率减低，鼓风机转速减慢，曝气量减少；当溶解氧低于
图4溶解氧控制系统图
设定值时，智能仪表输出值变大，变频器频率升高，鼓风机转速增加，曝气量增多。
1.4滗水器自动控制方案
滗水器是SBR工艺中最关键的机械设备之一，用于排出SBR池中上清液。污水经曝气阶段后，有机物混合在水中。经过一段时间的静沉，SBR池内的池水大致分成三层，如图5所示。滗水器开始排水后的下降高度，即为SBR池的液面高度。超声波液位计实时检测液面高度，并把数据传输到PLC。PLC中有设定好的液面高度，当达到设定值时，向滗水器发出反转命令，滗水器开始上升，回到初始位置。
当滗水器开始上升时，SBR池的排水就结束了，但一个反应周期并没有结束。因为滗水器的动作相当缓慢，上升到初始位置的时间与下降时间相同，也就是排水时间。故在滗水器上升阶段，进水阀门不能打开，否则可能将未处理过的污水排出。
图5SBR池静沉后污水成分分布图
3、SBR池自控系统各部分特点
3.1PLC系统自动控制特点
整个污水处理厂采用西门子S7系列PLC，由一台S7-300（主站）和6台S7-200（从站）组成，主站与从站之间通过西门子专用通讯电缆连接，通讯协议为PROFIBUS-DP。其中SBR池的控制系统有一台S7-300和两台S7-200。所有的逻辑控制程序都存储在S7-300内。S7-200的CPU只负责设备状态的采集和通讯数据的传输。
PLC需要控制所有电气设备的运行以及采集其工作状态，因此CPU上的数字量输入、输出点明显不足，需要增加数字量输入、输出模块。溶解氧探测器和超声波液位计的输出信号为4~20mA，属于模拟量信号；PLC输出到智能仪表的信号为0~20mA，也属于模拟量信号，故PLC还需增加模拟量输入输出模块。
在PLC程序编写上，充分考虑本工程特点。SBR技术是采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，所以在时间的设置上，能根据工艺设计和实际处理量，由授权用户通过上位机改变参数。SBR池的电动阀门比较多，每个SBR池都有进气和进水阀门，鼓风机房还有三个出气阀和两个联络阀。实际测量每个阀门完全打开和关闭的所有时间，输出阀门运行信号的时候，设定输出信号时间比实际满行程时间稍长。这样即使阀门的满行程信号出现故障，阀门也不会因长时间堵转而烧坏。
3.2智能仪表自动控制特点
智能仪表是把PLC传输过来的数据，进行PID调节后，传到变频器。变频器只接收0~5V的电压信号，但是智能仪表输出只有0~20mA信号。在智能仪表输出信号的两端，并联上一个500Ω的电阻，把电流信号转换成电压信号，输出给变频器。
3.3变频器自动控制特点
在曝气过程中，如污水中的溶解氧稳定在一个值，变频器输出的频率会越来越低，这与PID调节输出有关。当转速越来越低，管道中的气压也越来越低。SBR池的曝气头在池底，所以首先承受的就是与池深相同的水压，再加上管道中损失的阻力。转速过低会导致曝气头打不开，使曝气停止。经现场多次试验，找到能使鼓风机曝气的最低变频。把此频率设置成变频器的最低运行频率，这样即使智能仪表的输出信号过低，也不会停止曝气。
4、 结论
SBR池电气自控方案作为整个污水处理厂电气自控方案的核心，能够准确地控制各电气设备的动作，采集各电气设备的状态，监视反应过程中溶解氧的浓度。可根据反应过程需要，自动调节电气设备的运行状态。在软件编制方面严格按工艺时序要求，每个SBR池的运行周期及运行周期中的各个阶段的时间，都可根据实际使用情况进行调节。使用变频器控制鼓风机曝气，节约了能源和运行成本。
本系统已投入使用，实际运行良好，自动控制下的SBR池能够满足现有污水处理规模，出水能够达到工艺设计水平和环保标准，整套自控系统安全、可靠、经济、实用。
参考文献：
[1] 史国生. 电气控制与可编程控制器技术[M]. 2版.北京：化学工业出版社教材出版中心，2005.
[2] 姚樵耕. 电气自动控制[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 张统. 间歇式活性污泥法污水处理技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2002.
[4] 孙传友，翁惠辉，施文康. 现代检测技术及仪表[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[5] 崔福義，彭永臻，南军. 给排水工程仪表与控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
[6] 施汉昌，柯细勇，刘辉. 污水处理在线监测仪器原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2008.
【关键词】SBR池；电气；自动控制；
中图分类号：F407文献标识码： A
0、前言
SBR工艺是一个间歇式污水处理技术，能够由单一反应槽通过时间序列来完成污水反应、沉淀、排水、闲置等功能。其处理技术中的核心就是SBR反应池，通过对曝气鼓风机、搅拌器、滗水器、进水阀门等电气设备的控制，使污水得到有效地处理。本文利用可编程控制器（PLC）对涉及SBR池中污水处理的电气设备进行自动控制，同时通过溶解氧探测器（DO）、超声波液位计等检测仪器，监测相应的反应过程，调整控制程序中的参数，更好地控制反应过程。最终使污水达到工艺设计要求，保证污水达标排放。
1、 SBR池电气设备自动控制方案设计
1.1SBR池自动控制系统结构
自动模式下，PLC控制电气元器件，电气元器件动作后，带动相对应的SBR池电气设备，能够控制进水、进气阀门的开启与关闭，鼓风机的启动与停止；滗水器的上升与下降。各电气元器件和电气设备之间无联系。系统结构如图1所示。
图1SBR池设备自动控制系统图
1.2曝气鼓风机及进气阀门自动控制方案
此系统共3台曝气鼓风机。正常工作时，1#鼓风机负责1#、2#SBR池的曝气，3#鼓风机负责3#、4#鼓风机的曝气。2#鼓风机作为备用。当SBR池进入到曝气阶段时，对应SBR池的进气阀门首先打开，然后打开相对应的鼓风机出气电动阀，最后打开曝气鼓风机。如果1#或2#鼓风机中有一台出现故障而停止运行时，故障信号会传到PLC。PLC会首先撤消故障鼓风机的运行信号，同时关闭故障鼓风机相对应的出气电动阀；完全关闭后，打开故障侧的联络阀门和2#电动阀；最后，PLC输出给2#鼓风机变频器启动信号，2#鼓风机运行。如图2所示为鼓风机房平面图，显示了出气阀与联络阀在管道中的位置。
图2鼓风机房平面图
1.3控制反应速率的自动控制方案
SBR池在反应周期的初期，污水中有机物浓度较高，消耗溶解氧（DO）很大，曝气量应足够大。如溶解氧的供给小于消耗，则影响到有机物的降解速率。随着反应的进行，有机物浓度降低，溶解氧消耗越来越少，曝气量也可随之减少。为了适应曝气量的变化，系统采用变频器控制曝气鼓风机，频率的变化直接影响曝气鼓风机的转速，从而改变了曝气量的大小。
在反应进行中，溶解氧探测器的探头一直在检测水中溶解氧的浓度，把数据传输到PLC。PLC经换算后，把数据传输给智能仪表。在智能仪表上可以设定溶解氧的希望值，然后通过与溶解氧的实际值做比较，进行PID调节，把结果参数输出给变频器，达到控制水中溶解氧浓度的目的。如图3所示。
如果1#或3#曝气鼓风机发生故障，PLC会停止运行故障鼓风机，启动2#鼓风机。同时，PLC还会把SBR池的溶解氧信号，切换输出到2#智能仪表。2#智能仪表根据输入的溶解氧信号进行PID调节，输出给变频器，调节鼓风机的转速
图3溶解氧信号传输系统图
如图4所示，这是一个的负反馈回路的控制系统。当水中溶解氧浓度高于设定值时，智能仪表输出给变频器的数值减小，变频器频率减低，鼓风机转速减慢，曝气量减少；当溶解氧低于
图4溶解氧控制系统图
设定值时，智能仪表输出值变大，变频器频率升高，鼓风机转速增加，曝气量增多。
1.4滗水器自动控制方案
滗水器是SBR工艺中最关键的机械设备之一，用于排出SBR池中上清液。污水经曝气阶段后，有机物混合在水中。经过一段时间的静沉，SBR池内的池水大致分成三层，如图5所示。滗水器开始排水后的下降高度，即为SBR池的液面高度。超声波液位计实时检测液面高度，并把数据传输到PLC。PLC中有设定好的液面高度，当达到设定值时，向滗水器发出反转命令，滗水器开始上升，回到初始位置。
当滗水器开始上升时，SBR池的排水就结束了，但一个反应周期并没有结束。因为滗水器的动作相当缓慢，上升到初始位置的时间与下降时间相同，也就是排水时间。故在滗水器上升阶段，进水阀门不能打开，否则可能将未处理过的污水排出。
图5SBR池静沉后污水成分分布图
3、SBR池自控系统各部分特点
3.1PLC系统自动控制特点
整个污水处理厂采用西门子S7系列PLC，由一台S7-300（主站）和6台S7-200（从站）组成，主站与从站之间通过西门子专用通讯电缆连接，通讯协议为PROFIBUS-DP。其中SBR池的控制系统有一台S7-300和两台S7-200。所有的逻辑控制程序都存储在S7-300内。S7-200的CPU只负责设备状态的采集和通讯数据的传输。
PLC需要控制所有电气设备的运行以及采集其工作状态，因此CPU上的数字量输入、输出点明显不足，需要增加数字量输入、输出模块。溶解氧探测器和超声波液位计的输出信号为4~20mA，属于模拟量信号；PLC输出到智能仪表的信号为0~20mA，也属于模拟量信号，故PLC还需增加模拟量输入输出模块。
在PLC程序编写上，充分考虑本工程特点。SBR技术是采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，所以在时间的设置上，能根据工艺设计和实际处理量，由授权用户通过上位机改变参数。SBR池的电动阀门比较多，每个SBR池都有进气和进水阀门，鼓风机房还有三个出气阀和两个联络阀。实际测量每个阀门完全打开和关闭的所有时间，输出阀门运行信号的时候，设定输出信号时间比实际满行程时间稍长。这样即使阀门的满行程信号出现故障，阀门也不会因长时间堵转而烧坏。
3.2智能仪表自动控制特点
智能仪表是把PLC传输过来的数据，进行PID调节后，传到变频器。变频器只接收0~5V的电压信号，但是智能仪表输出只有0~20mA信号。在智能仪表输出信号的两端，并联上一个500Ω的电阻，把电流信号转换成电压信号，输出给变频器。
3.3变频器自动控制特点
在曝气过程中，如污水中的溶解氧稳定在一个值，变频器输出的频率会越来越低，这与PID调节输出有关。当转速越来越低，管道中的气压也越来越低。SBR池的曝气头在池底，所以首先承受的就是与池深相同的水压，再加上管道中损失的阻力。转速过低会导致曝气头打不开，使曝气停止。经现场多次试验，找到能使鼓风机曝气的最低变频。把此频率设置成变频器的最低运行频率，这样即使智能仪表的输出信号过低，也不会停止曝气。
4、 结论
SBR池电气自控方案作为整个污水处理厂电气自控方案的核心，能够准确地控制各电气设备的动作，采集各电气设备的状态，监视反应过程中溶解氧的浓度。可根据反应过程需要，自动调节电气设备的运行状态。在软件编制方面严格按工艺时序要求，每个SBR池的运行周期及运行周期中的各个阶段的时间，都可根据实际使用情况进行调节。使用变频器控制鼓风机曝气，节约了能源和运行成本。
本系统已投入使用，实际运行良好，自动控制下的SBR池能够满足现有污水处理规模，出水能够达到工艺设计水平和环保标准，整套自控系统安全、可靠、经济、实用。
参考文献：
[1] 史国生. 电气控制与可编程控制器技术[M]. 2版.北京：化学工业出版社教材出版中心，2005.
[2] 姚樵耕. 电气自动控制[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 张统. 间歇式活性污泥法污水处理技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2002.
[4] 孙传友，翁惠辉，施文康. 现代检测技术及仪表[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[5] 崔福義，彭永臻，南军. 给排水工程仪表与控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
[6] 施汉昌，柯细勇，刘辉. 污水处理在线监测仪器原理与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2008.