文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）06-076-05中图分类号：TP273

★张文霞，王翠（青岛城市学院，山东青岛266106）

★仲崇庆（青岛迈斯特科技有限公司，山东青岛266106）

关键词：污水提升系统；可编程逻辑控制器；硫化氢传感器；监控系统

污水提升系统在污水处理系统中发挥着输送污水的作用^[1-3]，可以提升系统工作的好坏，直接影响水污染控制的效果。污水提升系统包含污水收集与输送系统的管道系统和污水提升泵站两大部分^[4,5]。管道系统收集各种污水并输送到污水处理厂，而污水提升泵站是将地下的污水进行高度提升，使其在管道系统中进行重力自流^[6]。污水提升系统的供配系统设计、主要设备选择和监控系统的设计水平决定着系统性能的优劣^[7]。文献^[8]探讨了中小型污水提升泵站电气系统的供配系统设计、主要设备选择、监控系统选用等方面的设计，为确保中小型污水提升泵站的安全性提供了借鉴。文献^[9]在一个污水提升泵站自动控制项目改造工程中采用罗克韦尔公司的SLC500 PLC，在泵站的控制工艺、自控系统硬件、软件设计等方面做了研究。文献^[10]针对传统污水处理泵站自动化程度低、无法远程监控等问题，设计了一套基于PLC和安卓APP的污水处理泵站远程监控系统。其采用西门子S7-400 PLC采集现场仪表数据，经Wi-Fi模块并通过工业以太网上传到云服务器。运行结果表明，系统运行稳定可靠，能实时远程监视并控制设备的运行。

传统的污水处理泵站采用数据采集与监控系统SCADA或者手动操作。SCADA监控系统价格偏高，并且原有的地下污水泵站由于实施时间较早、采用的技术相对落后，故障率高，而且在定期清掏时，污水散发的臭味严重污染周边环境，同时沉淀物产生的有毒有害气体对维护人员造成的伤害也时有发生。本文针对传统污水泵站环保要求的不足，设计了一套以西门子S7-1200为控制核心的智能污水提升系统，通过传感器采集液位、硫化氢气体的浓度实现反馈控制，并采用多泵热切换控制模式，通过增设一台格栅机来实现污水和杂物的分离，使得整个设备在运行过程中实现了免清掏以及污水的密闭排放，同时设备配备了远程监控接口，并设计了上位机组态监控软件，实现对污水提升系统的统一监控和故障报警。

1　系统控制原理

污水提升泵站系统分上位机、下位机和现场设备3部分。上位机部分由基于西门子组态软件开发的上位机组态监控软件组成，如图1所示，用来监控污水泵站各类设备的运行情况并收集数据。下位机部分主要由S7-1200 PLC组成，负责将现场设备发送上来的数据经处理后上传到上位机组态软件。现场设备部分主要由配电柜、各类仪表、相关机电设备组成，液位计、硫化氢气体变送器等仪表把检测出来的信号转换为电信号发送给PLC，经过处理后对提升泵、启闭机等机电设备进行监控。同时，PLC采集配电柜的电压、电流信息，并对其运行情况进行监控，如图1所示。当PLC对提升泵进行启动控制时，PLC数字量模块先发出一个高电平信号，驱动继电器闭合，继电器闭合后给提升泵启动端子一个高电平，从而实现对提升泵的启动控制。提升泵池春夏季液位较高而秋冬季液位较低，是污水处理泵站耗电量最大的设备之一。为了节约能源、延长设备的使用寿命，本文采用液位控制模式，PLC程序中计算每台提升泵的运行时间，程序控制优先启动长时间未运行的提升泵，优先停止运行时间长的提升泵，从而实现合理选择提升泵的启停，延长设备寿命。在污水泵站控制系统中，PLC与上位机之间通信采用的是PROFIBUS协议。本地控制面板上使用三挡位开关，分别用于“自动-手动-停止”。静压差液位计用于正常水泵液位，依照箱体水位变化，从下往上分设停机液位、启动液位、双泵液位和报警液位4个液位，设计出单泵运行与双泵运行的水位处理原则。单泵运行方式是水位第一次到达单泵启泵液位后A泵启动，然后水位下降到停机液位，A泵停止运行，水位第二次到达单泵启泵液位后B泵启动，然后水位下降到停机液位，B泵停止运行，水位第三次到达单泵启泵液位后C泵启动，然后水位下降到停机液位，C泵停止运行。若水泵运行过程中C泵出现故障，则自动切换到A泵运行，若A泵故障则切换到B泵运行。双泵运行是当A泵运行后水位继续上升到双泵运行时候，则将B泵投入运行，直到水泵下降到停止液位2，双泵一起停止运行。在此期间若任意一台水泵故障，则C备用泵作为替换泵投入运行，直到水泵下降到停止液位2双泵停止运行。当C泵运行后水位继续上升到双泵运行时候，则将A泵投入运行，直到水泵下降到停止液位2，双泵一起停止运行。溢流报警液位是当液位达到溢流液位后，需要同时启动三台泵，正常是不会出现该种情况，但是为了预防压力传感器失效，故设置此液位。干转液位是当液位达到干转液位后，即干转浮球断开后需要关闭所有运行的水泵，该功能是为了预防压力传感器失效或故障，引起无法停机。

图1  系统总体结构

2　系统硬件功能设计

智能污水提升系统采集液位、硫化氢气体的浓度等，利用西门子PLC实现对3台污水提升泵、1台格栅机、1台风机等设备的控制，如图2所示。污水泵功率为200kW。为了防止高压电误入信号线造成设备的损坏，在每个DI/DO中加隔离继电器，并且在每个AI/AO中加浪涌保护器。根据污水提升系统的流量、功率以及控制方式和控制精度等控制要求选择污水提升泵、格栅机、风机的型号，根据需要采集的传感器信号的量程和精度选择液位传感器、硫化氢传感器，根据控制输入输出点数选择PLC的电源、数字量输入输出以及模拟量输入输出模块。

图2  PLC需要采集的输入信号示意

2.1　污水提升泵

污水提升泵具有防缠绕、无堵塞、自动耦合和自动控制等功能，可以排送固体颗粒及长纤维垃圾，如图3所示。该泵排出水口径为400mm，流量3000m3/h，扬程为30m，功率为200kW，通过固体颗粒直径最大可为100mm。该泵电机额定电压380V，频率50Hz、三相交流电源。输送介质温度不超过40摄氏度，输送液体介质pH值为4-10，输送介质中固相物容积比在2%以下，输送介质密度小于1.2×103kg/m3。

（a）

（b）

图3  污水提升泵（a）及组成（b）

2.2　格栅机

格栅机能将污水管网中的木片、布片、餐厨垃圾等杂物垃圾进行粉碎，可以解决垃圾过多堵塞水泵问题，保护水泵正常运转，如图4所示。电机启动后，格栅机的刀片及立式转鼓同时不等速转动，污水中的固体漂浮物随着污水进入转鼓后被旋转的栅网截留并送至切割区，两组不等速转动的刀片迅速进行轴向和径向切割，将其粉碎成8-10mm的细小颗粒，粉碎后的小颗粒由水泵抽水一起流走，有效防止水泵缠绕、堵塞。

图4  格栅机

2.3　硫化氢传感器

为保障系统运维人员安全，需要对泵站内硫化氢气体浓度进行在线监测。在线式硫化氢传感器（如图5所示）能够有效地检测泵站中对人体有害的硫化氢的浓度，该传感器检测量程为0-200ppm，分辨率为0.01ppm，响应时间小于30秒，工作电源为24VDC，本质安全型，防爆防腐蚀，接口为4-20mA电流信号输出，最远传输距离为1200米。PLC控制程序通过采集硫化氢传感器的4-20mA输出，并在程序中判断实测值与超量阈值的关系，实现超阈值报警的模式，以此来保障人员的人身安全。硫化氢浓度超标报警时，需要同时启动鼓风机降低硫化氢气体浓度。

图5  在线式硫化氢气体传感器

2.4　主电路图

3台水泵和1台格栅机采用380V三相交流供电，污水泵有单泵运行和双泵运行两种运行方式，水泵和格栅机均采用PLC控制接触器的通断实现对主回路的通断电控制，其主控制电路如图6所示。

图6  主电路图

3　系统软件功能设计

设备监控模块的作用是对现场的仪表和设备进行信号采集，经PLC处理后，通过网络传送到上位机，并显示在上位机监控软件上，对现场的机电设备及仪表进行监控。出现故障或异常信息后上位机监控软件会发出报警信息，同时在上位机组态画面上显示报警信息。我们根据系统的控制流程和控制要求设计了PLC程序和上位机组态监控软件。

3.1　PLC系统I/O表

根据该智能污水提升系统需要采集的传感器型号的形式和数量以及需要控制的外部设备的数量，同时考虑到系统的安全性冗余设计等因素，该控制系统由26个数字量输入点、12个数字量输出点和2个模拟量输入点组成，系统I/O分配如表1所示。

表1  PLC系统I/O表

3.2　上位机组态软件设计

考虑系统远程监控的需要，我们采用西门子组态软件设计了该系统上位监控程序，上位机与PLC之间采用网线通信，可以在远程对该污水提升系统实现水泵的启动与停止、格栅机的启动与停止、风机的启动与停止，并通过设置报警液位、启动液位和停泵液位，减少了水泵频繁启动造成的损坏，增加了水泵的寿命；系统可以对液位传感器、硫化氢传感器和浮球位置实时监控，通过图像化组态界面对采集的传感器数据绘制曲线、超限报警，实现了污水提升系统的高度自动化，并且具有故障自投、自动轮换等各种实用功能。组态软件界面如图7所示。

图7  上位机组态监控系统

4　结论

地下建筑在卫生间污水提升和排放的要求上提出了更高的要求。本文设计的智能污水提升系统能够分离污水中的大颗粒物，使其不进入水泵，避免了水泵堵塞。该系统采用双泵节能运行模式，通过增加或减少水泵的运行台数来实现水泵的高效运行，从而有效地降低能耗。同时远程组态软件可以实现操作人员对系统的远程监控，无需人员长期值守，系统自动化程度高。

★基金项目：山东省高等教育本科教学改革研究项目（M2022338）。

作者简介：

张文霞（1980-），女，山东青岛人，副教授，硕士，现就职于青岛城市学院机电工程系，研究方向为嵌入式技术、人工智能技术与新能源技术。

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摘自《自动化博览》2023年6月刊