基于PLC的MBR工藝的自動控制系統的設計

張大賢 仲繼華

摘 要：本設計以南京市某污水處理廠的膜生物反應系統為研究背景，結合污水處理工藝，探討以西門子S7-300系列的PLC在采用膜生物反應器（MBR）工藝的污水處理設施中的應用，重點闡述了系統的硬件構成及系統軟件的設計思路。

關鍵詞：可編程控制器（PLC）；膜生物反應器（MBR）；自動控制系統

隨著國家資源節約型和環境友好型社會的觀點提出，先進的自動控制技術在環保工程中得到更廣泛的應用。在這樣的工程背景下，更深入的研究工業污水處理自動化控制系統，可以獲得更大的社會效益和經濟效益。

1 工程概況

南京市某污水處理廠一期工程處理規模為50000m3/d，遠期總規模為180000m3/d。本文主要針對MBR膜池系統的自動控制系統作詳細介紹。

2 污水處理工藝及過程控制要求

2.1 膜系統主要設備

在此膜系統中，膜組件被分為8個系列/2個組，共用一套加藥系統，每個組單獨一套曝氣設備膜產水/反洗部分設備有：產水/反洗泵；調節堰門；膜池污泥回流泵；自動閥門；產水/反洗壓力變送器；產水/反洗流量計；液位變送器。膜池曝氣部分設備有：膜曝氣風機；風量流量計。

2.2 膜系統運行模式

停運模式；待命模式；排氣模式；反洗模式；產水模式；抽氣模式；清洗模式。其中，產水時，根據回流池液位的高低值，將產水的通量分為兩個檔次Fmax通量和Fopt通量。待命曝氣模式；間歇（Fint）曝氣模式；續（Fcon）曝氣模式。

3 控制系統設計

3.1 控制功能

污水程控采用可編程序控制器（PLC）進行數據采集和系統控制，在控制室內實現對系統進行集中監視、管理、自動順序控制，并可實現遠方手動操作。對于泵、風機和電動門等被控對象，除了在控制室LCD上遙控外，還能在MCC上的控制開關或閥門電動裝置上的按鈕進行就地控制。

3.2 控制簡述

程控系統采用自動程序單元控制、遠方操作及就地操作相結合的控制方式。程序控制設有步進操作、成組操作或單獨操作等手段，并有跳步、中斷或旁路等操作功能，還將設有必要的步驟時間和狀態指示、選擇和閉鎖功能。

3.3 硬件設計

控制系統硬件由可編程控制器、電磁閥、直流交流電源、中間繼電器、空氣開關、接觸器、熱繼電器等其它輔助部件組成。系統采用西門子S7-300系列PLC，選用CPU型號為315-2DP，另外配置IM360和IM361作為接口模塊，擴展模塊為32點DI模塊8塊、8點AI模塊10塊、32點DO模塊5塊、8點AO模塊3塊以及1塊CP343-1以太網通訊模塊

4 控制系統軟件設計

4.1 概述

本系統設計了手動/自動兩種工作模式， 當其運行模式為手動時， 可直接操作控制柜的按鈕實時對各種設備進行控制。在自動控制的工作模式下，可以預先設計好各系統運行參數和膜清洗的起始條件，PLC根據設定數值與當前系統的實際運行參數進行對比，然后通過已設程序處理開啟或停止水泵、風機和自動閥門等。本系統的主要邏輯框圖見下圖。

4.2 重點設備控制

⑴產水反洗泵。產水/反洗泵采用PID控制方式，控制目標是產水流量，參考量是預先設置產水目標流量。為保證系統運行平穩需在產水/反洗泵切入PID控制前，采用固定頻率運行20秒左右，使實際流量接近目標值，在切入PID控制。

⑵膜池進水調節堰門。對膜池進水調節堰門的控制，可采用“分時階梯對比法”，及在每隔一段時間后（一般為5-10秒）將膜池實際液位與目標液位進行對比，而后適當增加或減少堰門開度（一般為1%-5%），如此反復循環，可使液位相對穩定且滿足液位要求，亦可避免堰門過于頻繁調節，降低其壽命。

⑶膜池曝氣風機。膜池曝氣風機的運行頻率在不同目標風量下的運行頻率是不同，由于本系統采用容積式輸出的羅茨風機，變頻控制，運行轉速與風量體積的輸出成線性關系，固由此可計算出在目標風量下風機適合的運行頻率

本文結合MBR法污水處理工藝，針對污水處理及中水回用設施的實際應用需要，結合工藝設計、電氣設計和控制系統的硬件設計，完成了本控制系統的軟件設計。當前科學技術時代的發展需要，對這些復雜系統控制性能的要求也會越來越高，對污水處理系統的自動控制向智能化方向轉變逐漸成為一種趨勢。

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