小型高鐵客運站污水處理的自動控制系統設計

王學智，段志龍

（湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢430070）

0　引言

隨著我國高鐵網絡覆蓋越來越廣，高鐵客運站點不斷增加，在方便人民生活的同時，各客運站點需要加強對排放污水的管理，做到達標排放。小型高鐵客運站污水具有水量小、排放量不穩定、點多線長和污染源分散等特點[1-2]。由于鐵路分布形式的特殊性，鐵路污水尤其是中小站的生活污水很難并入當地市政污水處理系統，只能采用自行處理的方式，所以構建適合客運站污水處理的自動控制系統十分必要[3]。

1　污水處理裝置總體組成及自控功能簡介

1.1　小型高鐵客運站污水處理裝置的總體組成

小型高鐵客運站污水的主要處理工藝有 SBR工藝、人工濕地、MBR工藝等。由于SBR工藝更適用于水量較大的情況，人工濕地則有占地面積大等問題，而MBR工藝因對污染物處理效率高、出水水質好且處理效果穩定，已成功應用于污水處理與回用等領域[4-5]。本文設計的污水處理采用MBR工藝，圖1所示為工藝流程圖。

圖1　污水處理工藝流程圖

1.2　自動控制系統功能簡介

小型高鐵客運站污水處理自動化系統屬于該站給排水自動控制系統的一個站，由現場層、控制層、本站監控管理層、遠程監控管理層組成四級計算機分散控制系統[6]。

自動控制系統由現場層的自動化儀表檢測相關數據，并將數據通過4～20 mA電流信號傳送至控制層的PLC，PLC根據接收到的儀表信號，控制現場層的執行器，組成一個閉環控制系統，既可提高控制精度，又可降低能耗；通過工控交換機可實現本站監控管理層的上位機與控制層的PLC之間的通訊，構成計算機監控系統，實行集中管理；再由internet網絡實現本站管理層與遠程監控管理層的數據共享，實現主管鐵路總局監控中心對所屬各客運站自動控制系統的監控和管理。

2　自動控制系統設計與實現

自動控制系統的工作模式有手動、自動、半自動、調試、維護、近控、遠控等多種，考慮到用戶的實際需求，小型高鐵客運站污水處理裝置的自動控制系統采用三種工作模式：近控、遠控、維護。近控為現場手動控制，遠控為上位機控制模式，維護為調試及維護階段選擇的模式。自動控制系統綜合利用計算機技術、無線傳輸技術、網絡通信技術、自動檢測技術、過程控制技術，使生產過程中的數據信息能夠實時采集、綜合分析、優化控制、集中管理。小型高鐵客運站污水處理裝置的自動控制系統如圖2所示。

圖2　污水處理自動控制系統結構圖

2.1　污水提升

小型高鐵客運站根據自身規模自建污水抽升井一座，設有兩臺自動攪勻排污泵，一用一備，一臺具有4～20 mA標準輸出的超聲波液位計。在自動模式下，當污水低于停泵水位時，排污泵停止工作；當污水達到啟泵水位時，排污泵自動開啟；PLC根據每臺排污泵的運行時間，自動實現兩臺排污泵的輪換，使兩臺排污泵運行時間均等，延長排污泵的使用壽命，降低能耗。此外，系統設有上、下限報警，防止排污泵空運轉。

2.2　MBR污水處理系統

小型高鐵客運站污水處理規模小，宜選用一體式MBR生化處理設備。MBR工藝雖然在運行過程中能夠高效截留微生物，但是由于膜的孔徑分布不均勻，以及運行過程中出現的膜絲斷裂、破損等問題，使得MBR出水殘留的病原菌指示微生物很難達到總大腸菌群（3 CFU/L）的國家標準[7]，需要對MBR出水進行二氧化氯消毒處理。如圖2所示，系統設置兩臺電磁流量泵，一用一備，用于投加二氧化氯消毒。污水處理站控制柜中的PLC根據電磁流量計檢測的MBR污水處理設備的出水流量，按照事先設定的比值（比值可在上位機進行調節）自動計算二氧化氯投加量，并轉化成控制電磁流量泵的脈沖輸出。同時，PLC計算每臺電磁流量泵的運行時間，自動實現兩臺流量泵的輪換（輪換時間可在上位機設定），使兩臺排流量泵運行時間均等，延長其使用壽命。液位采集終端、流量采集終端、智能電表及PLC都具有標準internet網絡接口，通過通信交換機與上位機監控系統通訊。

2.3　污水處理自動控制系統控制程序

自動控制系統選用西門子S7-1200系列CPU 1214作為主控制器，該CPU具有100KB工作存儲器，0.04 ms/1000條指令程序處理能力，并具有PROFINET網絡接口，可用于編程、HMI以及 PLC間數據通信。程序設計采用結構化編程，整個程序包括主程序OB1、起動組織塊OB100、循環中斷組織塊OB30、用于控制排污泵工作的功能FC1、用于控制排污泵、消毒泵輪換工作的功能FC2、用于控制消毒泵工作的功能FC3、近控程序功能FC4、維護程序功能FC5、遠控程序功能FC6.

起動組織快OB100是初始化程序，只在PLC每次運行時執行一個掃描周期，主程序OB1根據模式選擇開關調用FC4、FC5、FC6.循環中斷組織塊OB30負責處理液位和流量數據，并根據流量計算出控制二氧化氯消毒泵所需的脈沖頻率和脈沖個數，并將數據傳送給FC3，中斷時間為300 ms.自動控制系統正常運行時主要控制任務由FC6負責，FC6并行調用FC1和FC3，FC1和FC3共用FC2的數據用于控制排污泵和二氧化氯消毒泵的輪換工作。圖3為程序調用結構圖，采用結構化編程顯著減少了編程時間、降低了程序存儲器空間。

圖3　程序調用結構圖

3　結論

本文設計的自動控制系統已成功應用于鄭徐客運專線的幾個二級站，運行結果表明，控制系統運行穩定、操控方便，取得良好的排水處理效果，污水處理后回用于站區綠化及澆灑道路等，既降低了污染又節約了水資源，可為小型高鐵客運站的污水處理自動控制系統設計提供參考。

參考文獻：

[1]呂夢怡，于海明，龐 磊，等.脈沖進水對兩級厭氧接觸氧化法處理小型火車站污水的影響[J].環境工程學報，2017（6）：3357-3362.

[2]楊少武.鐵路車站污水處理工藝選擇初探[J].鐵道建筑技術，2011（8）：101-103.

[3]卿曉霞，王 誠，周 健，等.小型污水處理廠自動控制系統的研究與開發[J].給水排水，2012（1）：103-106.

[4]張 彪.人工濕地用于鐵路車站污水處理的探討[J].科技創業月刊，2014（3）：197-198.

[5]陳俊杰，付永勝，房景燕.鐵路中小站段生活污水特征及匹配處理技術研究[J].鐵道標準設計，2007（3）：88-89.

[6]董利鵬，王曉玲，謝 添，等.寒冷地區改良A～2/O工藝污水處理廠的自動控制[J].中國給水排水，2014（12）：119-123.

[7]GB/T 18920-2002，城市污水再生利用城市雜用水水質標準[S]．北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2002.