太陽能污水處理實訓裝置的設計研究

葉遠堅，周麗琴

（1.南寧職業技術學院，廣西南寧530007；2.廣西電力職業技術學院，廣西南寧530007）

太陽能污水處理實訓裝置的設計研究

葉遠堅1，周麗琴2

（1.南寧職業技術學院，廣西南寧530007；2.廣西電力職業技術學院，廣西南寧530007）

可編程控制器實訓裝置的實驗對象相對單一、抽象虛擬，不利于學生學習興趣的培養。本文設計和制作了一套太陽能污水處理實訓裝置，該裝置采用MCGS觸摸屏、西門子S7-200可編程控制器、水泵和傳感器等設計制作，有利于學生進行可編程邏輯控制與程序設計，能夠提高學生的學習興趣和實踐動手能力。本設計是一個經濟實惠、可重復利用、綠色環保的實驗裝置。

太陽能；污水處理；實訓裝置

隨著國民經濟的快速增長、我國科學技術水平的不斷進步以及國家對教育的不斷投入，我國高等職業教育處于飛速的發展中。由于機電專業的可編程控制器實驗對象都比較抽象、設備價格昂貴且大多作為陳列對象。學生在學習的過程中缺少直接實際的載體，學習的興趣不大。本文從對象直觀、制作成本低等特點出發，以太陽能發電和污水處理作為可編程控制器的實驗對象，利用太陽能光伏發電，供電給CASS工藝污水處理技術的設備，然后將自動控制技術中的西門子S7-200可編程控制器技術、MCGS組態控制技術和傳感器與檢測技術等綜合應用太陽能發電和污水處理這些控制對象上去，操作直觀，有利于學生學習，提高學生學習興趣。

1太陽能發電技術

太陽能發電指利用太陽的光能直接轉變為電能的方法。太陽能發電包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。本設計主要是利用光伏發電，通過半導體器件吸收太陽光輻射能，并將其轉換為電能輸出的發電方法。太陽能光伏發電系統主要由太陽能電池板、鉛酸蓄電池、電能控制器和光伏并網逆變器組成。

2太陽能污水處理實訓裝置的污水處理技術

太陽能污水處理實訓裝置中污水處理技術是采用CASS工藝污水處理技術。CASS工藝污水處理技術原名是Cyclic Activated Sludge System，全名為可循環式活性泥漿污水處理方法[1]。CASS工藝污水處理方法的核心是在一個間斷的污水反應池里進行污水處理，該污水反應池是將增氧曝氣階段和非增氧曝氣階段的間斷循環污水處理過程的結合，并把增氧曝氣池和靜置沉淀排水池有機的結合而成，就是將生物有氧反應和泥水分離過程都在一個反應池內進行[2]。如今CASS工藝污水處理方法被廣泛的應用在輕工業污水、重工業污水和城市污水等污水處理場合中。

CASS工藝污水處理技術是指在一個污水處理池里，以時間有順序地增氧曝氣與非增氧曝氣運行的靜止沉淀泥水分離處理方式，在一個污水處理反應池內對污染物進行氧化降解處理過程和泥水分離過程。

CASS污水處理工藝的運行過程是以時間有順序的控制方式進行的，它的運行過程包括五個時段，分別是進水時段、增氧曝氣時段、靜置泥水分離時段、清水排出時段和靜止等待進水時段。這五個時段是按照時間先后有順序的運行組成一個完善的污水處理運行周期。當一個運行周期完成后，又再次按照這個模式進行運行。在CASS工藝污水處理技術運行過程中，污水處理池是以污水進入污水池的水量來進行有氧曝氣的，是一個穩定的運行過程，當污水處理池中水位達到污水處理池最高水位時增氧曝氣時間是固定的。CASS工藝污水處理技術中污水處理過程如下圖1所示。

圖1 CASS工藝污水處理方法運行過程

3太陽能污水處理實訓裝置的實際工藝流程

太陽能板光伏發電，是把電能通過控制器輸送給鉛酸蓄電池或者光伏并網逆變器。（1）當光伏并網逆變器不需要電能時，太陽能板發電輸送給鉛酸蓄電池，給鉛酸蓄電池充電；（2）當光伏并網逆變器對外工作時，太陽能板光伏發電和鉛酸蓄電池的電能都會供應給光伏并網逆變器；（3）如果光伏并網逆變器電能不充足時還可從市電補充輸送電能。通過光伏并網逆變器把電能輸送給液位傳感器、鼓風機、冷卻塔風機、水泵、電磁閥、潷水器等使用。

本實訓裝置的控制流程如下所示：

當污水通過調節池，污水在調節池，當調節池液位在低液位以上時，檢測CASS污水處理池1和CASS污水處理池2是否在高液位。

（1）當CASS污水處理池1的污水不在高液位時，首先啟動抽水泵、打開電池閥1、冷卻塔、提升泵，關閉電磁閥2，污水流入CASS污水處理池1，啟動鼓風機1，對CASS污水處理池1進行曝氣，當曝氣到達預定時間時，停止曝氣，靜止一段時間，污泥沉降，最后打開電池閥3把水排走；

（2）當CASS污水處理池1在高液位，而CASS污水處理池2的污水不在高液位時，啟動抽水泵、打開電池閥2、冷卻塔、提升泵，關閉電磁閥1，污水流入CASS污水處理池2，啟動鼓風機2，對CASS污水處理池2進行曝氣，當曝氣到達預定時間時，停止曝氣，靜止一段時間，污泥沉降，最后打開電池閥4把水排走；

（3）當CASS污水處理池1和CASS污水處理池2都在高液位時，則直到調節池液位達到高液位（如出現污水量排放量過大，就會把超過調節池高液位而未經處理的污水排除到外面）時，再對CASS污水處理池1和CASS污水處理池2進行檢測，然后再進行第（1）步或第（2）步。

太陽能污水處理實訓裝置的實際工藝流程如圖2所示。

圖2 太陽能污水處理實訓裝置的實際工藝流程

4實訓裝置設計和制作

本裝置采用工業鋁型材、亞克力板、可編程控制器、液位開關、電磁閥、觸摸屏、電源開關、太陽能電池板、鉛酸蓄電池、電能控制器和光伏并網逆變器等，設計和制作了太陽能污水處理實訓裝置。太陽能污水處理實訓裝置實物如圖3所示。

圖3 太陽能污水處理實訓裝置

該裝置選用了西門子S7-200可編程控制器作為太陽能污水處理實訓裝置控制核心，上位機監控采用了北京昆侖工控MCGS的TPC7062KX.

昆侖通態的觸摸屏能夠提供一個有利于人機交互的組態界面，該組態界面有利于操作員操作，操作員通過查看組態界面，清楚直觀地查看到太陽能板光伏發電的情況和污水處理設備現場設備各種設備的運行情況、各種故障報警信息和各個污水處理池的情況等，也可以根據處理污水情況的變化發布相應的控制指令要求，有利于學生通過直觀地實驗了解實際的操作控制情況。本裝置有兩個控制界面，太陽能發電控制界面如圖4所示，污水處理控制界面如圖5所示。

圖4 太陽能發電控制界面

圖5 污水處理控制界面

CASS工藝污水處理方法控制系統控制核心采用了西門子S7-200可編程控制器226CN型號，它的優點是數字量輸入輸出點數多、結構緊湊、接線方便、可靠性高和可擴展等。將設計的程序導入西門子S7-200可編程控制器后，就可以利用西門子可編程控制器226CN對該裝置的設備實施控制。

學生可以自行利用數據線把昆侖通態觸摸屏TPC7062KX與西門子S7-200可編程控制器226CN連接起來，然后兩個設備進行數據通訊，昆侖通態觸摸屏TPC7062KX通過西門子S7-200可編程控制器226CN對現場設備進行實時監視和控制，有利于學生對工業自動化控制有個詳細的了解和學習。

5結束語

太陽能污水處理實訓裝置經過調試，然后投入使用后，整機性能穩定可靠，裝置運轉正常，學生可以根據自己的學習興趣愛好，對CASS污水處理工藝進行學習，還可以通過控制對象的實際操作，進一步加深了解和學習。本套實訓裝置經過學生使用后，普遍反映良好，使學生有了一個實際的控制對象，有利于學生對可編程控制器技術、觸摸屏技術和傳感器技術的學習。

[1]葉遠堅，周麗琴.基于MCGS的CASS工藝污水處理控制系統的設計[J].輕工科技，2015（12）：117-118，141.

[2]葉遠堅，周麗琴.太陽能污水處理控制系統的設計[J].工程技術，2015（12）：191，193.

Design and Study of the Solar Sewage Treatment Training Device

YE Yuan-jian1，ZHOU Li-qin2
（1.Nanning College for Vocational Technology，Nanning Guangxi 530007，China；2.Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

The object of Programmable logic controller training device in the school is relatively simple and abstract virtual，which is conducive to the cultivation of students’interest in learning.This paper designed and produced a set of solar sewage treatment training device，which adopted MCGS touch screen，SIEMENS S7-200 programmable controller，design of water pump and some sensors etc.The students can program the logic control and practice based on the training device，which can help to improve the students’interests in learning and the practical ability.This design is an affordable，reusable，environmentally friendly experimental object.

solar；sewage treatment；training device

X703.3

A

1672-545X（2016）12-0058-03

2016-09-07

課題名稱：S7-400和WinCC在紙廠污水自動控制系統中的研究與應用（編號：KY2015YB450）

葉遠堅（1980-），男，碩士，講師，主要從事工業自動控制系統的研究。