小型污水處理設備自動控制及遠程監測系統設計

劉文輝

（山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030012）

近年來高速出行人數不斷增加，環保要求日益嚴格，污水處理已經成為當前高速公路管理亟待解決的問題之一。高速服務區（停車區）作為高速出行過程中的重要節點，必須加強污水處理設施的建設，以確保出水水質能夠達到當地環保標準。高速服務區站點分散、單個站點污水量小，因此在建設時宜采用小型一體化污水處理設備。

為了便于分散站點污水處理設備的統一運維管理，小型一體化污水處理設備必須具有較高的自動化程度，并能夠進行遠程集中運維管理[1]。根據某高速服務區AO+MBR+深度處理工藝，基于PLC和4G遠程監測，設計了小型污水處理設備自動控制及遠程監測系統，實現了設備全過程參數化自動運行，能夠根據過程溶氧變化及水量波動調整系統運行參數，并對過程運行數據遠程實時監測，提高了設備運行的穩定性。

1 工藝流程

某高速服務區小型污水處理設備，設計日處理水量為120 m3，出水水質滿足山西省地方標準《污水綜合排放標準》（DB14/1928—2019）中生活污水污染物排放限值，采用AO生化+MBR+深度處理工藝，產生中水用于沖廁、綠化。

小型污水處理設備工藝流程如圖1所示，原水經由提升井、調節池進入預反應池、厭氧池、好氧池進行生化處理，除去部分大顆粒物，然后進入MBR池，通過生物膜過濾作用得到凈化的中水，之后通過加藥、絮凝、沉淀、雙介質過濾深度處理工藝進一步降低氨氮、總磷后流入清水池以供后續中水回用。

圖1 污水處理設備工藝流程圖

2 電氣系統設計

2.1 設備類型及系統參數化要求

污水處理工藝主要包括進水、回流、曝氣、產水、加藥等流程，控制過程涉及的設備為水泵、風機、液位計、消毒加藥、流量計、壓力計等[2]。由于高速服務區污水日處理量隨季節波動較大，并且北方地區季節溫度變化較大對生化反應要求的水力停留時間有一定差異，小型污水處理設備的運行參數需要根據實際運行情況進行調節。設備類型及參數要求如表1（第105頁）所示。

表1 設備類型及參數要求

2.2 工作模式

設備運行包括手動和自動兩種模式，手動模式為設備調試或故障檢修時測試所用，自動模式為設備連續自動運行時所用[3]。各設備按照以下邏輯自動工作：

a）提升泵在提升井高液位時工作，直到液位為低，同時兩臺提升泵輪換工作、互為備用。b）進水泵按照設置時間工作，在調節池高液位、膜池低液位時工作，直到調節池為低液位或膜池為高液位時停止，輪換工作、互為備用，通過變頻器調節進水量。c）回流泵按照設置時間工作。d）產水泵按照設置時間工作，在膜池高液位時工作，直到變為低液位，默認開8 min停2 min間歇工作（實際開關時間可在系統中設置），輪換工作、互為備用。e）過濾泵在中間池高液位時工作，直到變為低液位，輪換工作、互為備用。f）風機按照設置時間工作，并能夠設置間歇性工作時間，兩用一備、手動切換，通過變頻器調節風量，根據溶氧量自動調節風機頻率。g）攪拌按照設置時間工作，并能夠設置間歇性工作時間。h）回用泵根據設置壓力恒壓供水，1號泵常用，故障時2號泵自動啟動。

2.3 數據監測

污水處理設備監測數據包括進水流量、產水流量、液位、膜壓力、回用壓力、pH、溶解氧、能耗等數據，監測數據如圖2所示。流量、能耗、膜壓力、連續液位等數據通過RS485接口解析MODBUS協議獲取，提升井、中間池等液位以開關量形式獲取，回用壓力通過解析4～20 mA信號實時獲取回用管路壓力。

圖2 污水處理設備監測數據

2.4 電氣系統硬件設計

根據系統控制及數據監測要求，電氣系統由PLC可編程邏輯控制器、人機交互觸摸屏、4G無線遠程監測、空氣開關、中間繼電器、接觸器、熱繼電器、485信號隔離等組成[4]，硬件連接如圖3所示。

圖3 硬件系統連接圖

根據工藝控制要求，PLC共需要46個輸入信號點、32個輸出信號點、4組模擬量輸出、2組模擬量輸入，選用西門子Smart 200 ST60 PLC、DT32、AM06、AQ04擴展模塊，人機交互觸摸屏選取昆侖通態TCP 1071Gi，4G無線遠程監測模塊選取巨控GRM230，能夠實現遠程數據監測、微信故障告警。

3 控制系統設計

3.1 PLC程序設計

PLC程序采用模塊化設計，包括數據初始化、手動運行、自動運行、故障、數據讀取、運行數據6個子程序。程序工作邏輯及功能如圖4所示。

圖4 PLC程序工作邏輯圖

3.2 人機交互界面開發

污水處理設備控制系統通過觸摸屏實現設備調試、工藝過程展示、參數設置、故障查詢、歷史數據查詢等功能。工藝過程界面如圖5所示，可實時顯示設備運行狀態、液位狀態、能耗和產水數據。參數設置界面如圖6所示，可實現自動運行全過程的參數化設置。

圖5 工藝過程界面

圖6 參數設置界面

3.3 遠程數據監測

遠程數據監測模塊與PLC通過網口連接，可實時獲取PLC各寄存器當前數值，能夠實現監測系統運行狀態。圖7為遠程數據監測界面，可通過網頁、手機APP查看運行狀態、傳感器數據、故障、溶氧數據、產水等數據，并對系統運行參數遠程設置。

圖7 遠程數據監測界面

4 結論

高速服務區污水處理設備具有水量波動大、運維分散的特點，結合某高速服務區污水處理設備工藝設計了自動控制系統，相比傳統污水處理設備增加了過程參數化設置及遠程數據監測功能，能夠根據站點水量變化手動調整運行參數，并進行站點的遠程運維管理，可以有效提高小型污水處理設備的運行穩定性。