污水深度處理站的自動控制

盧鍇 王挺

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

污水深度處理站是污水處理系統的重要組成部分。針對某污水處理重點工程中污水深度處理站的控制要求，設計了一套自動控制站系統，實現了控制功能。

1 污水深度處理站的作用和控制要求

污水深度處理站的作用主要是對處理后的污水進行深度過濾和凈化，使之達到標準要求。整套設備包括：4臺濾池提升泵、6個濾池、3臺鼓風機、5臺反沖洗泵、2臺回流泵。其中，每個濾池包含過濾進水閥、過濾出水閥、反沖洗進水閥、反沖洗出水閥、反沖洗進氣閥、液位計等。

1）按照工藝要求實現污水深度處理站濾池的恒水位控制。

2）對污水深度處理站各濾池的反沖洗進行協調管理和控制。

3）對污水深度處理站主要設備的運行狀態進行監控。

2 控制系統

硬件系統選用S7-400 PLC，包括：CPU、I/O模塊和通訊模塊。CPU采用S7-400雙機熱備系統，通過冗余DP通訊模塊對I/O模塊進行監控。用自帶的以太網口通過工業以太網交換機接入工業以太光纖環網中，和上位機及其他PLC控制站進行通訊、交換信息。

軟件編制采用SIEMENS PLC編程軟件。充分利用S7-400 PLC的開關量控制、模擬量控制、時間控制、條件控制、數值運算、PID閉環控制、遠程I/O控制、通訊聯網等功能對污水森度處理站站系統進行自動控制。

3 主要控制功能的實現

3.1 污水深度處理站濾池恒水位控制功能的實現

在污水深度處理站系統中，通過濾池提升泵將處理后的污水提升進入濾池進行深度過濾處理。在自動運行時，根據工藝要求，深度處理站濾池水位應保持在濾池設定水位（總高度的80%），進行恒水位過濾。由于本系統中的出水調節閥采用的是開關型電控閥，這就增加了控制及調試的難度。我們編制了專用軟件，予以解決。

功能的實現：建立閉環控制數學模型，利用S7-400 PLC的PID閉環控制功能對濾池水位進行閉環控制，根據濾池設定水位和濾池的反饋水位值進行比較，給出一個調節信號，通過軟件折算出控制出水調節閥的開度增加或減少值，再根據閥門參數通過軟件折算出開關時間，對閥門進行開、關時間控制，以達到最終使濾池水位保持恒定的目的。

3.2 污水深度處理站濾池反沖洗協調管理和控制功能的實現

污水深度處理站的濾池在運行一段時間后，需要通過反沖洗對濾池進行全面清潔。由于濾池反沖洗設備只有一套，當污水深度處理站的濾池提出反沖洗申請而系統又不能同時對提出反沖洗要求的濾池進行反沖洗操作時，必須對反沖洗申請進行等級劃分以及排隊處理。根據管理等級以及優先順序對污水深度處理站各濾池的反沖洗進行協調管理和控制。

濾池的反沖洗申請可分為高級申請和低級申請兩類。按“反沖洗申請”按鈕或者壓力超過設定值時，濾池發出高級申請，當濾池運行時間到達設定時間時，濾池發出低級申請。在同級申請中，根據發出申請時間進行排隊。當需對反沖洗申請濾池進行篩選時，先在高級申請隊列中進行挑選并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作；高級申請結束后再在低級申請隊列中進行挑選并按申請先后順序逐一進行反沖洗操作。

功能的實現：建立堆棧數據結構，把申請反沖洗的濾池按申請等級、申請先后順序進行排列以及協調管理。在本系統中為了實現濾池的反沖洗協調管理和控制，設置了2個濾池反沖洗申請棧：高級申請棧和低級申請棧，編制了壓入棧和彈出棧程序，并給每個濾池定義了標號。當某一個濾池提出反沖洗申請時，執行壓入棧程序，根據其申請等級將提出反沖洗申請的濾池標號壓入相應等級的申請棧中，進行等待。當系統沒有執行反沖洗操作或當前的反沖洗操作已執行完畢時，啟動彈出棧程序，先搜索高級申請棧，后搜索低級申請棧，并根據先進先出的原則，選中優先權最高的標號，將其彈出。經確認后，對該標號對應的濾池執行反沖洗操作。上述過程再次重復，直至所有反沖洗申請均執行完為止。

3.3 污水深度處理站濾池反沖洗功能的實現

在污水深度處理站自動運行時，當其濾池的反沖洗申請得到批準后，自動執行反沖洗操作。

功能的實現：根據下列各階段的工藝流程和條件，用siemens的S7-400 PLC編程軟件STEP7的GRAPH流程圖語言編制控制軟件，實現濾池的順序反沖洗功能。

濾池反沖洗具體分為5個階段：氣沖，氣、水沖，一次水沖，浮渣沉積及反沖洗排水，二次水沖。

3.3.1氣沖階段

1）濾池反沖洗標志1成立：反沖洗標志1為“1”、關閉濾池進水閥門、打開濾池出水控制閥門。此時濾池進入氣沖準備階段。

2）反沖洗標志1成立、濾池進水閥門關到位、濾池出水控制閥門開到位、濾池液位低于42%：反沖洗標志2為“1”、停止關閉濾池進水閥門、停止打開濾池出水控制閥門、關閉濾池出水控制閥門。

3）反沖洗標志2成立、濾池出水控制閥門關到位：反沖洗標志3為“1”、停止關閉濾池出水控制閥門、打開反沖洗鼓風機閥。

4）反沖洗標志3成立、反沖洗鼓風機閥開到位：反沖洗標志4為“1”、停止打開反沖洗鼓風機閥、反沖洗鼓風機運行標志為“1”、啟動1臺反沖洗鼓風機。

5）反沖洗標志4成立、反沖洗鼓風機正常運行：反沖洗標志5為“1”。此時濾池進入氣沖階段。

3.3.2 氣、水沖階段

1）反沖洗標志5成立、氣沖時間到達氣沖設定時間：反沖洗標志6為“1”、打開反沖洗進水閥門。此時濾池停止氣沖階段，進入氣、水沖準備階段。

2）反沖洗標志6成立、反沖洗進水閥門開到位：反沖洗標志7為“1”、停止打開反沖洗進水閥門、反沖洗水泵運行標志為“1”、啟動1臺反沖洗水泵。

3）反沖洗標志7成立、反沖洗水泵正常運行：反沖洗標志8為“1”。此時濾池進入氣、水沖階段。

3.3.3 一次水沖階段

1）反沖洗標志8成立、氣、水沖時間到達設定時間：反沖洗標志“9”為“1”、關閉反沖洗鼓風機進口閥門、停止反沖洗鼓風機。此時濾池停止氣、水沖階段，進入一次水沖準備階段。

2）反沖洗標志9成立、反沖洗鼓風機停止運行、反沖洗鼓風機進口閥門關到位：反沖洗標志10為“1”、停止關閉反沖洗鼓風機進口閥門、啟動4臺反沖洗水泵。

3）反沖洗標志10成立、反沖洗水泵正常運行：反沖標志11為“1”。此時濾池進入一次水沖階段。

3.3.4 浮渣沉積及反沖洗排水階段

1）反沖洗標志11成立、一次水沖時間到達設定時間或者液位大于或等于80%：反沖洗標志12為“1”、停止反沖洗水泵運行、關閉反沖洗進水閥門。此時濾池進入浮渣沉積階段。

2）反沖洗標志12成立、浮渣沉積計時時間到達設定時間：反沖洗標志13為“1”、打開濾池反沖洗出水閥門。此時濾池進入排水階段。

3）反沖洗標志13成立、濾池反沖洗出水閥門的開度大于或等于30%：反沖洗標志14為“1”、停止打開反沖洗出水閥門。此時濾池開始小量排水。

4）反沖洗標志14成立、時間到達設定時間：反沖洗標志15為“1”、打開濾池反沖洗出水閥門。

5）反沖洗標志15成立、反沖洗出水閥門開到位：反沖洗標志16為“1”、停止打開濾池反沖洗出水閥門、開始計時。

3.3.5 二次水沖階段

1）反沖洗標志16成立、時間到達設定時間：反沖洗標志17為“1”、關閉濾池反沖洗出水閥門、打開濾池反沖洗進水閥門。此時濾池進入二次水沖準備階段。

2）反沖洗標志17成立、濾池反沖洗出水閥門關到位：反沖洗標志18為“1”、停止關閉濾池反沖洗出水閥門、打開濾池反沖洗進水閥門。

3）反沖洗標志18成立、濾池反沖洗進水閥門開到位：反沖洗標志19為“1”、反沖洗水泵運行標志為“1”、停止打開反沖洗進水閥門、啟動4臺反沖洗水泵

4）反沖洗標志19成立、液位大于等于80%：反沖洗標志20為“1”、停止反沖洗水泵運行、關閉反沖洗進水閥門。

5）反沖標志20成立、反沖洗水泵停止運行、反沖洗進水閥門關到位、反沖洗出水閥門關到位：濾池反沖洗過程結束，開始轉入深度過濾。

3.4 監控功能的實現

采用3D_MAX軟件結合SIEMENS上位機編程軟件WINCC制作了污水深度處理站主要設備上位機3D平面立體圖像監控畫面，如圖1所示。控制系統通過工業以太光纖環網將各設備的運行參數上傳到上位機，它們的運行狀態就在監控畫面上顯示出來。當設備運行出現故障時，發出告警信號，并彈出故障表，指示維護人員及時進行處理。實現對污水深度處理站主要設備運行狀態的監控。

圖1 污水深度處理站主要設備監控畫面

4 結束語

本控制系統是某污水處理重點工程的一個控制子站。是針對該重點工程污水深度處理站的控制要求進行設計的。作者主持了系統設計、現場調試和投運。本控制系統已投入現場運行，各項性能指標完全達到設計要求，運行穩定可靠，未出現過任何故障。取得良好效果。