基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

唐娜娜

（江蘇省東海中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 連云港 222300）

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，對人類的生存與發(fā)展構(gòu)成了威脅。關(guān)于水污染問題，20世紀(jì)早期已經(jīng)引起了重視，歐美國家在這方面較早地開始了研究，城市污水處理廠于20世紀(jì)70年代開始興建，污水處理經(jīng)驗越來越豐富，對關(guān)鍵技術(shù)的研究不斷深入[1]。盡管我國在這方面取得的成績是有目共睹的，但由于我國污水處理技術(shù)起步較晚，能耗大、成本高等問題遲遲未得到徹底解決[2-3]。筆者以某污水處理廠建設(shè)項目作為研究對象，針對切實存在的關(guān)鍵問題，設(shè)計了一套基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)，增強了污水處理能力，該控制方法可以有效控制出水水質(zhì)，降低污泥產(chǎn)量。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計

污水的構(gòu)成較為復(fù)雜，包含來自生產(chǎn)生活之中的多種水質(zhì)，如生活污水、城市污水等[4-5]。當(dāng)前污水處理技術(shù)日益發(fā)達，最常用的有三種[6-8]：一為生物處理法，處理原理就是微生物氧化分解，降解處理污水中的有機物，將其轉(zhuǎn)化為無機物，如AAO法、SBR法等；二為物理處理法，非溶解性物質(zhì)分解是這種方法的核心技術(shù)，包括氣浮、反滲透等；三是化學(xué)處理法，采用這種方法就是要充分利用污水中各種雜質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)進行過濾、分解。污水處理廠在建設(shè)中要對污水進行成分分析，靈活搭配與組合多種方法，提升污水處理效果，污水處理流程圖如圖1所示。

圖1 污水處理流程圖

2 基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 上位機設(shè)計

上位機處于監(jiān)控層，借助于這一設(shè)備能直接明了地把握住污水處理廠每一個部分處于怎樣的運行狀態(tài)中，而且能從頂層下達控制指令。

本文上位機選用SIMATICIPC647D型工控機，該工控機可以24小時全天候不間斷工作，與此同時，該工控機處理器中也集有HD4600顯卡，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速率傳輸。

2.2 下位機設(shè)計

2.2.1 PLC選型

控制器是下位機的關(guān)鍵所在，本設(shè)計控制器選用SIEMENSS7-300 PLC。S7-300系列PLC有如下優(yōu)點：數(shù)據(jù)處理能力強，輸入/輸出模塊和功能模塊可靈活組合[9-10]。

2.2.2 控制系統(tǒng)硬件模塊選型

以工藝為參照，可以把本控制系統(tǒng)開發(fā)劃分為三大板塊，即預(yù)處理、生化處理、污泥處理。相比而言，最為關(guān)鍵的是生化處理，因為這一階段要處理的污染物數(shù)量比較多。在預(yù)處理階段，需要運用的設(shè)備有沉砂池、提升泵房、粗格柵間等；在生化處理階段，通過MBR與AAO兩個池處理污染物；在污泥處理階段，需要運用加藥間、污泥泵房等。要對三個階段的監(jiān)控數(shù)據(jù)及時進行匯總與分析，編制監(jiān)控數(shù)據(jù)表，由此對硬件數(shù)量進行調(diào)整。

2.3 控制柜設(shè)計

控制柜除放置PLC與配套器件的功能外，還需及時把現(xiàn)場儀表設(shè)備發(fā)出的指令與信號匯總到一起，因此控制柜的設(shè)計主要分為三部分：1）元器件布置；2）電源分配；3）模塊接電。設(shè)計時需要遵循如下原則：1）各元器件的布局不相互干擾，方便操作及調(diào)試，便于后期布線；2）結(jié)合實際工況，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

本控制柜尺寸設(shè)定為0.8 m×0.8 m×2.1 m，把日光燈安裝在頂部，確保柜門打開時能有充足的光線，為了讓操作人員能有效查看機柜，在頂部安裝了出風(fēng)口與風(fēng)扇，為了避免柜內(nèi)溫度過高，在下半部分設(shè)置了同樣的進風(fēng)口，產(chǎn)生了良好的散熱效果。底部電纜進線處設(shè)置了接地母排，其目的就是要與機柜保持絕緣，用接地線把接線端與接地母排連接在一起，避免機械外殼帶電而引發(fā)事故，也能避免受到電磁耦合現(xiàn)象的干擾。各種設(shè)備的控制按鈕與指示燈設(shè)置在柜門中。

3 基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制模式設(shè)計

為了能讓先進的工藝發(fā)揮出更好的作用，也為了增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，設(shè)計了三種控制方式，操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場操作柱在三種方式中進行靈活切換，產(chǎn)生良好效果。

1）就地控制：采用這種控制方式，PLC與上位機只能對設(shè)備處于怎樣的狀態(tài)進行描述，卻不能對其施以控制，必須借助于現(xiàn)場操作柱對設(shè)備進行操作，在調(diào)試系統(tǒng)、處理突發(fā)事件時需要運用這種控制方法。

2）遠程手動控制：如果要單獨控制某個設(shè)備，操作者要進入WinCC監(jiān)控界面并采用手動的方式操作設(shè)備，遠程點在這種情況下能起到控制現(xiàn)場設(shè)備的作用。這種方式用于調(diào)試系統(tǒng)、處理故障這兩種情況。

3）遠程自動控制：系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束之后，控制系統(tǒng)準(zhǔn)備充分，操作人員可以再次調(diào)整至自動控制，所有的設(shè)備、儀表、處理環(huán)節(jié)等都按提前設(shè)定的程序運行。此時整個系統(tǒng)的運行均由上位機監(jiān)控，不需要人工操作。為了消除控制切換產(chǎn)生的不良影響，要在STEP7中進行設(shè)計，確保系統(tǒng)能穩(wěn)定、安全地運行。

3.2 關(guān)鍵工藝控制開發(fā)

考慮到工藝方面的要求，在STEP7中要編寫控制程序，使所有設(shè)備都能有序運行。在此抓住幾個關(guān)鍵階段進行分析。

3.2.1 粗格柵控制

在處理流程中，粗格柵控制是首要環(huán)節(jié)，其目的是要將水體中顆粒較大的固體雜物進行隔離。為了避免系統(tǒng)在運行中頻繁出現(xiàn)啟停現(xiàn)象，需要同時運用定時長與液位差兩種控制方式。粗格柵控制流程如圖2所示。

圖2 粗格柵控制流程

3.2.2 提升泵控制

設(shè)置提升泵的目的是要讓污水水位能得到有效提高，出水液位達到一定高度之后可進行下一步處理。所以，把污水液位當(dāng)成提水泵的控制標(biāo)準(zhǔn)。在確保系統(tǒng)運行有效的基礎(chǔ)上，啟動提升泵之后，工作時長較短的機器會最先啟動；提升泵停止運行之后，機器的工作時間越長，就越能先停止。交替啟停能延長提升泵的壽命，確保整個系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。提升泵控制流程如圖3所示。

圖3 提升泵控制流程

3.2.3 生物反應(yīng)池控制設(shè)計

對生物反應(yīng)池進行控制，就是要控制好溶解氧（DO）濃度，始終保持數(shù)值穩(wěn)定，一般設(shè)定閾值為2 mg/L，要靠對變頻風(fēng)機的調(diào)節(jié)實現(xiàn)。用溶氧儀對反應(yīng)池的DO濃度進行檢測，且動態(tài)化地把數(shù)據(jù)傳遞到控制器，以具體數(shù)值為依據(jù)，控制器及時對曝氣量進行調(diào)整。在本設(shè)計中，進行預(yù)測控制時以RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為依托，系統(tǒng)控制效果比較好，根據(jù)DO值對控制器進行調(diào)整，污水處理質(zhì)量較高。

3.2.4 污泥脫水機房控制設(shè)計

污泥脫水機房由以下四部分構(gòu)成：

一是用污泥泵對污泥液位進行控制，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值之后，只要液位超出了標(biāo)準(zhǔn)值，污泥泵即可啟動，反之則停止運行。

二是用絮凝劑沉降污泥，涉及流量計、儲藥罐等，在計算污泥總量時要以流量與污泥濃度為依據(jù)，儲藥罐需要提供絮凝劑，通過加藥泵送入下一個環(huán)節(jié)。

三是用預(yù)脫水機初步處理污泥，反沖洗泵要與預(yù)脫水機互相配合，彼此之間處于相對應(yīng)的狀態(tài)，系統(tǒng)與之保持同步。反沖洗泵能讓預(yù)脫水機得到及時清洗，在預(yù)脫水機關(guān)停的同時啟動反沖洗泵，清洗的時長應(yīng)提前設(shè)定。

四是污泥脫水，需要用到傳送機、污泥泵等設(shè)備。提前設(shè)定好脫水時長，達到時間之后可自動關(guān)停。整個污泥脫水機房的控制流程如圖4所示。

圖4 污泥脫水機房控制流程

4 污水處理控制系統(tǒng)界面設(shè)計

控制系統(tǒng)界面可以有效實現(xiàn)人機互動，操作人員可通過界面實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的觀察和控制。該污水處理控制系統(tǒng)用戶登錄界面如圖5所示。

圖5 用戶登錄界面

5 結(jié)束語

筆者以某污水處理廠建設(shè)項目為重要依托，參照前期積累的行業(yè)經(jīng)驗，為污水處理設(shè)計一套有效的控制系統(tǒng)，尤其對關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)進行分析與探究，以提升控制效果、改善處理質(zhì)量。對污水處理工藝流程進行分析，為硬件設(shè)備找到良好的控制方式，從硬件與上位機軟件監(jiān)控平臺兩方面入手對PLC控制柜進行設(shè)計，使遠程對現(xiàn)場設(shè)備進行監(jiān)控成為可能，提高了污水處理系統(tǒng)的智能化水平。