基于PLC的膜生物反應器廢水處理監控系統

董 輝 靖亞馨

(中冶南方工程技術有限公司，武漢 430223)

膜生物反應器(Membrane Biological Reactor，MBR)是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理裝置，可有效去除有機污染物，現已廣泛應用于工業廢水處理領域。根據膜組件與生物反應器的組合方式，MBR可分為一體式和分置式，在工業廢水處理中常用的是一體式。對于廢水處理量不大的小型MBR，一個生物反應池內一般只放置一個膜組件，控制簡單，自控系統易于實現。對于廢水處理量較大且變化較大的大中型MBR，同時考慮到設備檢修的需要，一個生物反應池內需放置一組膜組件，根據廢水處理量由其中的兩個或兩個以上的膜組件協同工作，控制復雜，自動化程度的要求也比較高。筆者以某鋼廠冷軋

廠廢水處理站的中型MBR為例，介紹采用PLC和WinCC組態軟件設計MBR廢水處理監控系統的具體方案。

1 MBR廢水處理系統①

MBR廢水處理系統如圖1所示，經酸堿中和與降溫后的工業廢水首先進入生化池進行生化處理，其中大部分污染物被混合液中的活性污泥去除，然后經生化降解處理后的廢水在抽吸泵負壓作用下經MBR膜過濾出水，最終排入調節池。在抽吸過程中，由真空壓力變送器檢測各個膜組件的流通量，當抽吸壓力上升到一定值時，表示該膜組件堵塞嚴重需要進行清洗。此外，整個過程需要羅茨鼓風機進行曝氣處理。

圖1 MBR廢水處理系統簡圖

圖1中，每個膜組件配置兩路支管，一路為抽吸支管，用于膜過濾出水；另一路為清洗支管，用于膜組件清洗。對于由多個膜組件構成的膜裝置組，每個膜組件的抽吸和清洗支管分別匯總為一個公共母管。為實現單個膜組件的抽吸與清洗互鎖，在抽吸支管和清洗支管上各設一個氣動球閥。當抽吸支管的真空壓力達到設定值(可調)時，發出清洗請求，同時關閉抽吸支管氣動球閥。清洗過程分為注藥階段和浸泡階段，當收到清洗請求后，打開清洗支管氣動球閥向膜組件注藥，利用重力流使清洗液灌入膜組件，待清洗液制備罐內的液位低時，聯鎖關閉清洗支管氣動球閥，完成注藥過程；膜組件隨后進入浸泡階段(一般為4～6h)，設定時間一到，膜組件即完成整個清洗過程，再次轉入抽吸過程。

2 自控系統的功能

根據多膜組件MBR的運行特點，控制方式設有機旁、手動和自動3種。機旁控制僅用于現場檢修；手動控制用于生產準備和設備狀態確認；自動控制為MBR廢水處理的主要工作模式，包括自動抽吸、自動配藥、自動清洗及恒流出水等子過程。

2.1 自動抽吸

膜裝置組采用脈沖循環方式實現自動抽吸過程。選定部分或全部膜組件，設定好單個膜組件的關閉時間Toff，根據工作膜組件的總數Sum，決定每個膜組件的開啟時間Ton(Ton=Sum·Toff)。脈沖循環方式指每個膜組件的抽吸支管氣動球閥依次循環打開Ton分鐘，關閉Toff分鐘，確保在Ton時間內有Sum個閥處于打開狀態，一個閥處于關閉狀態，應避免出現一組閥全關的狀態。抽吸泵組一用一備，根據生化池液位和工作膜組件總數決定是否開啟抽吸泵。當至少有兩個或兩個以上的膜組件同時工作時，才能根據高液位聯鎖啟/停抽吸泵。

2.2 自動配藥

清洗液制備罐一次配藥量僅能滿足一個膜組件的清洗需要。一旦為某個膜組件注藥完成，立即開始自動配藥，為下一次清洗做好準備。

2.3 自動清洗

當一個或多個膜組件堵塞嚴重時會立即發出清洗請求，制備罐根據收到清洗請求的先后順序，自動打開對應膜組件的清洗支管球閥加注清洗液，加注完成后，自動定時浸泡。

2.4 恒流量抽吸

穩定的出水量可以延長膜組件的使用壽命，由于膜裝置組中工作膜組件的數量是可變的，為保持每個膜組件的出水量穩定，需根據當前工作膜組件的數量Sum改變抽吸泵的調節閥流量設定值，該調節閥采用PID自動調節，維持穩定的出水量。

2.5 監控信息全面

由于工藝處理過程比較復雜，受控設備眾多，自動化程度較高，因此監控畫面要求工藝處理流程完整、直觀，生產組織和設備操作簡便，設備運行狀態和報警信息詳盡、全面。

3 硬件

S7-400 PLC控制器的功能強大、性能穩定、模板種類齊全，實現分布式系統和擴展通信都很簡便，組成系統靈活自如。

為了便于布線并盡可能地降低信號傳輸中的電磁干擾，在現場設置遠程IO站ET200S，該遠程IO站是離散型模塊化、具有高度靈活的DP從站，根據不同的接口模塊，每個ET200S站最多可由63個模塊組成。為實現現場信號采集和設備控制，分別選用134-4GB01-0AB0模擬量輸入模塊，采集液位及真空度等二線制信號；選用134-4GB11-0AB0模擬量輸入模塊，采集溶解氧測定儀及流量等四線制信號；選用135-4GB01-0AB0模擬量輸出模塊，控制調節閥；選用131-4BD01-0AA0數字量輸入模塊，采集閥門及水泵電機等設備狀態信號；選用132-4BD02-0AA0數字量輸出模塊，控制氣動球閥的開/關和電機的啟/停。

本控制系統采用集中管理+分布式控制方式。在主控室配置兩臺高性能的西門子工控機對MBR生產過程進行實時監控，互為備用。工控機預裝已授權的自動控制軟件：PLC編程軟件和HMI監控軟件，PLC編程軟件采用Step7 V5.4+SP4；HMI監控軟件采用WinCC RC V7.0+SP1。利用CPU自帶的DP接口，采用Profibus-DP網絡連接分布在現場的遠程IO站。

為實現工控機和PLC的聯網，選用西門子網管型工業以太網交換機SCALANCE X206-1，帶6個10/100Mbit/s RJ45接口，一個100Mbit/s多模BFOC接口和LED診斷功能。工控機通過以太網直接與交換機互連，PLC則利用主機架CP 443-1通信模塊與交換機互連。整個控制系統的網絡結構如圖2所示。

4 軟件

4.1 PLC程序

根據控制對象和算法，PLC程序采用STL和LAD語言混合編程實現。對數學運算和循環處理采用寄存器間接尋址，程序簡短、代碼執行效率高；對設備的邏輯控制，采用LAD語言，方便程序閱讀和維護。PLC程序設計以自動模式為主。

4.1.1自動抽吸

程序中首先定義好單個膜組件的結構體，包括抽吸閥、清洗閥、現場信號、工作狀態、報警、工作模式及HMI命令等。根據已知的現場信號和HMI操作，確定膜組件的工作模式、工作狀態和控制命令。先在HMI上設定好單個膜組件的關閉時間，然后根據各個膜組件的當前狀態，確定工作膜組件的數量和抽吸閥應打開的時間。對工作膜組件進行排序，程序中設置一個暫停標簽Standy Token，當某個工作膜組件的序號與暫停標簽相等時，該膜組件對應的抽吸閥關閉并轉入暫停狀態；暫停時間到后，該膜組件抽吸閥則打開重新恢復工作狀態，暫停標簽數值改變，下一個工作膜組件轉入暫停狀態，在膜裝置組內依次輪流循環。自動抽吸主程序如圖3所示。

圖2 網絡結構示意圖

4.1.2自動配藥

清洗液配制裝置由儲藥罐、計量泵、制備罐、補水閥及曝氣閥等設備組成。

配藥過程：標定好計量泵的流量，向儲藥罐加入原液；調整清洗液制備罐內的液位開關，保證制備罐內有效溶液體積在200L左右；先啟動計量泵，延時15min停止，打開工業水氣動球閥，加水至高液位時關閉，同時打開曝氣管上的氣動球閥進行曝氣攪拌，延時5min關閉，完成清洗液的制備。

配藥過程中的聯鎖少，控制簡單，自動程序易于實現。每個設備預留自動模式的啟/停或開/關命令接口，與外部條件聯鎖，該部分程序采用LAD語言編寫。

4.1.3自動清洗自動清洗主程序如圖4所示。

由于所有膜組件共用一套清洗制備裝置，所以根據膜組件的序號決定清洗優先權，即序號越大的膜組件在自動模式下發出清洗請求后最先被清洗。利用寄存器間接尋址從大到小循環查找發出清洗請求的膜組件，一旦有清洗請求，在清洗液已準備好且沒有其他膜組件正在清洗的情況下，立即轉入清洗階段。

圖3 自動抽吸主程序

4.1.4恒流量抽吸

利用西門子自帶的PID調節器FB41，擴展為帶手動/自動無擾切換的功能塊，實現對泵組出口流量調節閥的手動和自動控制。根據單個膜組件的正常出水量和當前工作膜組件的總數，確定自動模式下PID的流量設定值，通過PID運算后的輸出直接控制流量調節閥的開度。通過整定PID參數，確保抽吸泵的出水流量穩定在設定值。

圖4 自動清洗主程序

4.2 監控畫面

為配合膜組件的全自動運行，為操作人員設計了一套上位監控系統，由膜裝置組管理子畫面、膜組件監控子畫面和工藝流程監控主畫面組成。膜裝置組管理子畫面(圖5)給出了組中工作膜組件數量、抽吸總時間、暫停膜組件的序號及暫停時間設定等；單個膜組件監控子畫面(圖6)不僅為操作員設計了必要的操作(如手/自動切換、允許/禁止投運及時間清零等)，而且還詳細列出了設備當前運行狀態；工藝流程監控主畫面(圖7)可以實時監控MBR廢水處理的整個工藝過程和設備運行狀態。

圖5 膜裝置組管理子畫面

圖6 膜組件監控子畫面

圖7 MBR工藝流程監控主畫面

5 結束語

依據MBR廢水工藝處理過程設計開發的PLC自控系統，實現了MBR處理過程的全自動化，上位機HMI畫面實時顯示現場設備的運行狀態。該控制系統已在國外某冷軋廠廢水處理站投入運行，自控系統運行穩定、可靠，監控畫面操作簡便，不但提高了MBR廢水處理的效率，同時極大地減輕了操作人員的勞動強度。