高效污水處理工藝智能化控制系統的設計

葛艷，周驥平，高龍琴，周建華，朱興龍，談家彬

（1.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225127;2.江蘇清溢環保設備有限公司，江蘇江都 225200）

0 引言

污水處理工業的不斷發展，對環保處理技術要求越來越高，尤其是處理效果和速度。目前，一代二代的沉淀池都是靜態沉淀，速度慢，除污率不高。這種沉淀池占地面積很大［1］，且沉淀池隨著污水廠的規模擴大而越做越大，對于土地資源緊缺的城市是十分不經濟的。智能化高效澄清池可為污水處理運行緊湊、高效快捷的新工藝產業化創造條件，可有效降低占地面積和使用成本，提高產品的市場競爭力，更好地為發展水處理生產服務，提高水處理生產與應用的高效節約化水平，利于推行環境治理，為保護生存環境做出貢獻。

隨著機電一體化和計算機控制技術的發展，對自動化和智能化的高效污水處理系統提出了更高要求。本文通過對高密度沉淀污水處理工藝的分析，設計一套基于現場總線的智能化高效污水處理系統，實現了系統集中控制和科學管理的一體化。

1 高效污水處理工藝簡介

1.1 高效污水處理工藝流程

如圖1所示，原水首先進入混合攪拌池中進行攪拌并通過加藥裝置加藥，使原水內的不同介質均勻攪拌，然后進入絮凝攪拌池中進行攪拌并加藥，使得原水之間的絮凝物相互撞擊吸附，絮凝體積加大沉淀，化學混凝反應是整個處理系統的關鍵步驟，在這個過程中將去除部分懸浮物，BOD或COD和P-P04。原水經絮凝反應后，按設計的上升流速上升［2］，廢水中的大部分懸浮物直接沉淀于沉淀池底部，小部分沉淀較慢的懸浮物通過斜管裝置和中心傳動刮泥機，靠自重沉淀到沉淀池底部。中心傳動刮泥機由驅動裝置通過刮泥板將沉淀在池底的污泥帶到中心集泥槽中，上部清水通過集水槽流入清水池。

圖1 高密度沉淀池污水處理流程

1.2 主要控制點設計

1）提升泵站:污水通過提升泵站配送到高效澄清裝置中。根據控制要求，實現提升泵站的自動和手動控制;實現自動調節進水流量和速度大小;實現用戶在遠程監視提升泵的運行狀態;實現對進出水管道流量、流速、壓力的檢測，讀取數值。

2）高效澄清池處理站:高效澄清池污水處理系統主要由混合池、絮凝池、沉淀池、液位計、刮泥機、攪拌電機、液位計、超聲波泥位計、固體懸浮物測量儀表等部分組成。根據控制要求，系統要實現帶變頻電機的混合攪拌機和絮凝攪拌機的自動啟?？刂?實現混合攪拌機和絮凝攪拌機根據進水流量，流速具有自動調控功能;實現刮泥機的自動啟、?？刂?。同時實現用戶在遠程監控刮泥機、攪拌機的運行狀態，改變電機轉速;實現污水處理池液位、泥位、固體懸浮物的在線監視，讀取數值。

3）加藥站:加藥裝置將混凝劑、高分子聚合物PAM等化學藥劑通過投加計量泵投加到相應污水處理池中。根據控制要求，實現對加藥泵自動和手動啟、?？刂?實現加藥計量泵自動調節功能，使藥深度調到預注范圍值內，達到效果又不浪費藥劑。同時實現用戶在遠程監視投加泵的運行狀態，改變藥量大小。

4）污泥處理站:濃縮的污泥通過污泥泵輸送到脫水裝置進行脫水處理，脫水后的泥餅外運，濾液回流至高效澄清池。污泥處理段主要由污泥泵、脫水裝置、液位傳感器組成。根據控制要求，系統實現對污泥提升泵、脫水裝置的自動啟、停控制。同時實現用戶在遠程監視污泥泵和脫水裝置運行狀態。

5）清水池及回水泵站:通過液位計的檢測和電動調節閥的控制對清水池按要求進行排放。在回流管出水總干管上有一個電磁流量計，水泵進出口設置電動蝶閥和止回閥。根據控制要求，系統要實現對回水泵的自動啟停控制，回流泵變頻電機的控制;實現對電磁閥的開關自動啟?？刂?同時實現用戶在遠程監視回水泵站和閥門的運行狀態;實現對電磁流量計，污泥濃度計的在線監視，讀取數值。

2 智能化控制系統設計

2.1 控制目的與要求

智能化高效污水處理控制系統的設計不僅要實現污水處理的自動控制，包括混合、攪拌、流量、分流、清汚等操作;而且能夠依據主要污水處理工藝參數和裝置運行參數，通過在裝置各處設置的各類傳感器的現場數據采集，運用模式辨識和優化技術，合理的調整為最佳運行狀態的需求，保證裝置的運行效率、處理效果和經濟性。

2.2 智能化控制總體系統方案

污水處理系統要對水的流量，壓力，水質及閥門反饋信號進行數據采集，控制對象多且分散，被控對象如電機，泵及調節閥，電磁閥之間有聯鎖關系，所以控制數據量大且比較分散?；谙到y控制特點和要求，本系統采用現場總線PROFIBUS－DP將生產過程區域中的現場設備或儀表與中央控制器之間進行通訊連接，構成一種現場總線控制系統來實現對不同對象的過程控制，達到系統集中控制和現場就地控制相結合的控制方式進行控制管理的要求。

智能化高效污水控制系統總體方案由中央控制器，提升泵站，高效沉淀池，加藥間，污泥處理房，清水池及回水泵房組成。中央控制器里面設置中央控制的PLC和裝有組態軟件的上位機及其電氣控制柜。提升泵站，加藥間，污水處理房，回水泵房，高密度沉淀池，清水池都通過遠程I/O ET 200模塊中央控制器根據控制要求進行數據的處理，中央控制室人機界面以MCGS中文版組態軟件為開發平臺組態的控制系統顯示畫面。如圖2所示，系統采用現場總線結構，現場層的通信采用PROFIBUS－DP主/從協議，采用價格便宜的屏蔽雙絞線電纜作為傳輸介質，傳輸速率可以達到12 Mbps。根據污水廠房各污水處理站的位置的遠近，可以通過增加中繼器延長網絡距離，增加網絡設備數量［3］。本系統采用S7－300系列作為DPM1類DP－1主站，在PLC上配置一塊CP 342－5通訊模塊連接S7－300和Profibus－DP總線系統;遠程監控計算機PC機作為DPM2類DP－2主站，通過CP5613通訊處理器連接到PROFIBUS;選用ET 200M遠程I/O模塊作為從站用于現場設備或儀表信號采集，從而實現整個污水處理過程控制管理集中化。

圖2 控制系統結構方案

2.3 控制系統硬件設計

選用西門子SIMATIC S7－300的可編程控制器進行程序控制。CPU選用帶有 PROFIBUS－DP接口的CPU315－2DP。電源模塊選用PS 307型號，額定電源為10 A的電源。根據系統控制I/O點計算，數字量輸入采用SM321DI32_DC24V模塊2個，將工業現場的數字信號電平轉換成S7－300的內部信號電平輸入緩沖器，等待CPU采樣處理;數字量輸出采用SM322 DO16_AC120 V模塊1個，SM322D032_24DC/0.5 A模塊1個，數字量輸出模塊將PLC的數字信號轉換為外部數字量信號，該信號驅動繼電器、調節閥、接觸器、指示燈等負載;模擬量輸入采用SM331AI8_12bit模塊2個，將輸入的模擬量A/D轉換為二進制數字量，由CPU采集處理;模擬量輸出采用SM332AO8X12bit模塊1個，將CPU的輸出二進制數字信號通過D/A轉換為模擬量后輸出。通過SIMATIC STEP7編程軟件完成對硬件的組態、參數設置、模塊的診斷及過程監控等功能。

2.4 控制系統軟件設計

1）系統運行的主程序

系統主程序運行時，首先要進行各種變量的初始化工作，然后進行自動/手的兩種控制方式判斷。在自動方式下，程序要完成聯鎖，信號的輸入采樣，量程轉換，控制運算，輸出報警燈一系列的功能。主程序使用模塊OB1完成控制程序的循環運行。其主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

2）系統初始化程序

在系統開始工作的時候，首先要配置一些寄存器，來完成整個系統的初始化。初始化過程中，需要檢測系統各個部分的當前工作狀態，如初始化模擬量（電動機頻率、水壓）數據，對模擬量數據賦予一定的初值。該程序在OB100中運行。

3）數據采集程序設計

采樣將現場模擬量信號和數字量信號周期性地采入模擬量輸入模塊和數字量輸入模塊中，CPU周期性的檢查模擬量和數字量模塊。模擬量輸入信號通過模擬量輸入模塊采集后，在S7－300CPU中以二進制補碼的形式存放，在程序設計中根據數據用途創建多個數據塊來存放現場送來的數據，每個數據都有相應的數據塊量信號的報警所需要的上、下限值存放在背景數據塊DB11，現場采集信號背景數據塊DB12。

現場傳感器、變送器，輸入通道讀入的數字量信號均所于無量綱的數字量，必須把它轉換成工程值后才能運算、顯示、報警和打印輸出，便于操作人員的監視和管理［6］。在STEP7編程軟件中的FC105模塊可以完成數據的轉換。對其變量進行定義，由調用FC105的塊提供數據。

4）連鎖控制

將智能化污水處理系統分為單獨的幾個區域進行控制，各控制單元根據控制進行模塊化編程。本系統中主要包括一下幾個模塊:加藥間控制模塊FC2，污泥泵模塊FC3，回流泵模塊FC4，提升泵模塊FC5，高密池模塊FC6。PLC通過總程序OB1進行合理調用。

5）報警檢測

故障檢測是保證系統安全、可靠運行的一個重要環節。本系統中，檢測的量主要有:水泵故障、液位報警、PH值報警、變頻器故障、各傳感器斷線故障等信號。報警模塊FC11根據控制要求通過變量來觸發各報警信號。報警狀態存放在背景數據塊DB13中。

6）PID控制

系統中，數字PID程序控制通過調節攪拌機、回流泵的轉速，使污水處理工藝達到最優。主程序初始化過程中，讀取設定值，通過A/D轉換模塊采集的模擬量當前值，將采樣值與設定值比較得出誤差量，運用PID控制策略計算調節量，通過PLC與變頻器、步進電機驅動器的通信，該調節量對應的控制信號控制變頻器的頻率、電機轉角脈沖信號，調節攪拌機、回流泵的轉速，改變流量、流速的大小。

混合攪拌機和絮凝攪拌機的自動調控通過改變步進電機脈沖數和頻率，對步進電機轉速進行控制;回水泵和加藥計量泵通過改變變頻器的頻率控制電機的轉速。程序保存在功能模塊FB39和FB40，由中斷程序進行調用。

7）程序結構設計

STEP7的操作軟件固化了一些子程序，本系統根據實際要求采用這些模塊。設計中使用了OB1、OB100、OB35、FC105、FB39等模塊。當CPU的狀態從停止到運行狀態時，操作系統首先會調用OB100，所以使用OB100來完成環境變量和參數的初始化工作。當OB100運行結束后，操作系統循環調用調用OB1，調用的時間間隔就就是掃描周期。在OB1中主要編寫主程序來調用其他功能塊。OB35是一個以固定間隔循環運行的組織塊，使用OB35的循環中斷設定循環采樣模擬輸入信號。時間間隔可以通過step7進行設計，其時間間隔要比OB35中程序運行的時間長。在OB35里調用FB39 PID模塊，通過采樣時間的設定，循環采樣模擬量信號。

3 人機界面設計

上位監控系統采用北京昆侖MCGS組態軟件，上位機主畫面顯示總體工藝流程圖，如圖4所示。通過主畫面的各功能鍵的切換，主要包括工藝流程、參數設置、數據顯示、運行狀態、報警查詢5個部分。通過MCGS的腳本語言完成各個窗口之間的邏輯控制、各個窗口內的功能實現以及各個按鈕控件、文本框等圖形對象的功能。上位機與PLC之間的通訊主要通過設備窗口來完成，在設備窗口中建立系統與PLC設備的連接關系，實現對工業過程的實時監控，如圖5所示。

圖4 監控流程圖

圖5 設備窗口和腳本窗口

4 結語

智能化污水處理系統使得高效澄清池污水在節約能源和降低原材料消耗方面效益顯著，占地面積小，污水處理的效率高、出水水質好等方面有實際意義。本文僅對整個污水處理系統的工藝流程、控制系統結構方案和系統的軟硬件設計進行了初步的探討。實際上，整個系統相當復雜，包含軟硬件中斷程序、PID控制程序的改進、人機界面的設計、仿真軟件S7－PLCSIM的模擬運行，對系統參數進行優化處理等。通過對智能化污水處理系統進行區域性試驗，及時改進系統運行過程中遇到的問題，使得整個系統能夠平穩高效運行。

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