高效污水處理工藝智能化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葛艷，周驥平，高龍琴，周建華，朱興龍，談家彬

（1.揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127;2.江蘇清溢環(huán)保設(shè)備有限公司，江蘇江都 225200）

0 引言

污水處理工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)環(huán)保處理技術(shù)要求越來(lái)越高，尤其是處理效果和速度。目前，一代二代的沉淀池都是靜態(tài)沉淀，速度慢，除污率不高。這種沉淀池占地面積很大［1］，且沉淀池隨著污水廠的規(guī)模擴(kuò)大而越做越大，對(duì)于土地資源緊缺的城市是十分不經(jīng)濟(jì)的。智能化高效澄清池可為污水處理運(yùn)行緊湊、高效快捷的新工藝產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造條件，可有效降低占地面積和使用成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，更好地為發(fā)展水處理生產(chǎn)服務(wù)，提高水處理生產(chǎn)與應(yīng)用的高效節(jié)約化水平，利于推行環(huán)境治理，為保護(hù)生存環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

隨著機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化和智能化的高效污水處理系統(tǒng)提出了更高要求。本文通過(guò)對(duì)高密度沉淀污水處理工藝的分析，設(shè)計(jì)一套基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能化高效污水處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集中控制和科學(xué)管理的一體化。

1 高效污水處理工藝簡(jiǎn)介

1.1 高效污水處理工藝流程

如圖1所示，原水首先進(jìn)入混合攪拌池中進(jìn)行攪拌并通過(guò)加藥裝置加藥，使原水內(nèi)的不同介質(zhì)均勻攪拌，然后進(jìn)入絮凝攪拌池中進(jìn)行攪拌并加藥，使得原水之間的絮凝物相互撞擊吸附，絮凝體積加大沉淀，化學(xué)混凝反應(yīng)是整個(gè)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，在這個(gè)過(guò)程中將去除部分懸浮物，BOD或COD和P-P04。原水經(jīng)絮凝反應(yīng)后，按設(shè)計(jì)的上升流速上升［2］，廢水中的大部分懸浮物直接沉淀于沉淀池底部，小部分沉淀較慢的懸浮物通過(guò)斜管裝置和中心傳動(dòng)刮泥機(jī)，靠自重沉淀到沉淀池底部。中心傳動(dòng)刮泥機(jī)由驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)刮泥板將沉淀在池底的污泥帶到中心集泥槽中，上部清水通過(guò)集水槽流入清水池。

圖1 高密度沉淀池污水處理流程

1.2 主要控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

1）提升泵站:污水通過(guò)提升泵站配送到高效澄清裝置中。根據(jù)控制要求，實(shí)現(xiàn)提升泵站的自動(dòng)和手動(dòng)控制;實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量和速度大小;實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程監(jiān)視提升泵的運(yùn)行狀態(tài);實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出水管道流量、流速、壓力的檢測(cè)，讀取數(shù)值。

2）高效澄清池處理站:高效澄清池污水處理系統(tǒng)主要由混合池、絮凝池、沉淀池、液位計(jì)、刮泥機(jī)、攪拌電機(jī)、液位計(jì)、超聲波泥位計(jì)、固體懸浮物測(cè)量?jī)x表等部分組成。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)帶變頻電機(jī)的混合攪拌機(jī)和絮凝攪拌機(jī)的自動(dòng)啟?？刂?實(shí)現(xiàn)混合攪拌機(jī)和絮凝攪拌機(jī)根據(jù)進(jìn)水流量，流速具有自動(dòng)調(diào)控功能;實(shí)現(xiàn)刮泥機(jī)的自動(dòng)啟、?？刂啤Ｍ瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程監(jiān)控刮泥機(jī)、攪拌機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速;實(shí)現(xiàn)污水處理池液位、泥位、固體懸浮物的在線監(jiān)視，讀取數(shù)值。

3）加藥站:加藥裝置將混凝劑、高分子聚合物PAM等化學(xué)藥劑通過(guò)投加計(jì)量泵投加到相應(yīng)污水處理池中。根據(jù)控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)加藥泵自動(dòng)和手動(dòng)啟、?？刂?實(shí)現(xiàn)加藥計(jì)量泵自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，使藥深度調(diào)到預(yù)注范圍值內(nèi)，達(dá)到效果又不浪費(fèi)藥劑。同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程監(jiān)視投加泵的運(yùn)行狀態(tài)，改變藥量大小。

4）污泥處理站:濃縮的污泥通過(guò)污泥泵輸送到脫水裝置進(jìn)行脫水處理，脫水后的泥餅外運(yùn)，濾液回流至高效澄清池。污泥處理段主要由污泥泵、脫水裝置、液位傳感器組成。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥提升泵、脫水裝置的自動(dòng)啟、?？刂?。同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程監(jiān)視污泥泵和脫水裝置運(yùn)行狀態(tài)。

5）清水池及回水泵站:通過(guò)液位計(jì)的檢測(cè)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制對(duì)清水池按要求進(jìn)行排放。在回流管出水總干管上有一個(gè)電磁流量計(jì)，水泵進(jìn)出口設(shè)置電動(dòng)蝶閥和止回閥。根據(jù)控制要求，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)回水泵的自動(dòng)啟?？刂疲亓鞅米冾l電機(jī)的控制;實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)自動(dòng)啟?？刂?同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)在遠(yuǎn)程監(jiān)視回水泵站和閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài);實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁流量計(jì)，污泥濃度計(jì)的在線監(jiān)視，讀取數(shù)值。

2 智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制目的與要求

智能化高效污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)控制，包括混合、攪拌、流量、分流、清汚等操作;而且能夠依據(jù)主要污水處理工藝參數(shù)和裝置運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)在裝置各處設(shè)置的各類(lèi)傳感器的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用模式辨識(shí)和優(yōu)化技術(shù)，合理的調(diào)整為最佳運(yùn)行狀態(tài)的需求，保證裝置的運(yùn)行效率、處理效果和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 智能化控制總體系統(tǒng)方案

污水處理系統(tǒng)要對(duì)水的流量，壓力，水質(zhì)及閥門(mén)反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制對(duì)象多且分散，被控對(duì)象如電機(jī)，泵及調(diào)節(jié)閥，電磁閥之間有聯(lián)鎖關(guān)系，所以控制數(shù)據(jù)量大且比較分散?；谙到y(tǒng)控制特點(diǎn)和要求，本系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS－DP將生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表與中央控制器之間進(jìn)行通訊連接，構(gòu)成一種現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同對(duì)象的過(guò)程控制，達(dá)到系統(tǒng)集中控制和現(xiàn)場(chǎng)就地控制相結(jié)合的控制方式進(jìn)行控制管理的要求。

智能化高效污水控制系統(tǒng)總體方案由中央控制器，提升泵站，高效沉淀池，加藥間，污泥處理房，清水池及回水泵房組成。中央控制器里面設(shè)置中央控制的PLC和裝有組態(tài)軟件的上位機(jī)及其電氣控制柜。提升泵站，加藥間，污水處理房，回水泵房，高密度沉淀池，清水池都通過(guò)遠(yuǎn)程I/O ET 200模塊中央控制器根據(jù)控制要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，中央控制室人機(jī)界面以MCGS中文版組態(tài)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)組態(tài)的控制系統(tǒng)顯示畫(huà)面。如圖2所示，系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)層的通信采用PROFIBUS－DP主/從協(xié)議，采用價(jià)格便宜的屏蔽雙絞線電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率可以達(dá)到12 Mbps。根據(jù)污水廠房各污水處理站的位置的遠(yuǎn)近，可以通過(guò)增加中繼器延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)距離，增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量［3］。本系統(tǒng)采用S7－300系列作為DPM1類(lèi)DP－1主站，在PLC上配置一塊CP 342－5通訊模塊連接S7－300和Profibus－DP總線系統(tǒng);遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)PC機(jī)作為DPM2類(lèi)DP－2主站，通過(guò)CP5613通訊處理器連接到PROFIBUS;選用ET 200M遠(yuǎn)程I/O模塊作為從站用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表信號(hào)采集，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理過(guò)程控制管理集中化。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

2.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用西門(mén)子SIMATIC S7－300的可編程控制器進(jìn)行程序控制。CPU選用帶有 PROFIBUS－DP接口的CPU315－2DP。電源模塊選用PS 307型號(hào)，額定電源為10 A的電源。根據(jù)系統(tǒng)控制I/O點(diǎn)計(jì)算，數(shù)字量輸入采用SM321DI32_DC24V模塊2個(gè)，將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成S7－300的內(nèi)部信號(hào)電平輸入緩沖器，等待CPU采樣處理;數(shù)字量輸出采用SM322 DO16_AC120 V模塊1個(gè)，SM322D032_24DC/0.5 A模塊1個(gè)，數(shù)字量輸出模塊將PLC的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部數(shù)字量信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器、調(diào)節(jié)閥、接觸器、指示燈等負(fù)載;模擬量輸入采用SM331AI8_12bit模塊2個(gè)，將輸入的模擬量A/D轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字量，由CPU采集處理;模擬量輸出采用SM332AO8X12bit模塊1個(gè)，將CPU的輸出二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出。通過(guò)SIMATIC STEP7編程軟件完成對(duì)硬件的組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、模塊的診斷及過(guò)程監(jiān)控等功能。

2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)運(yùn)行的主程序

系統(tǒng)主程序運(yùn)行時(shí)，首先要進(jìn)行各種變量的初始化工作，然后進(jìn)行自動(dòng)/手的兩種控制方式判斷。在自動(dòng)方式下，程序要完成聯(lián)鎖，信號(hào)的輸入采樣，量程轉(zhuǎn)換，控制運(yùn)算，輸出報(bào)警燈一系列的功能。主程序使用模塊OB1完成控制程序的循環(huán)運(yùn)行。其主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

2）系統(tǒng)初始化程序

在系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，首先要配置一些寄存器，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化。初始化過(guò)程中，需要檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)，如初始化模擬量（電動(dòng)機(jī)頻率、水壓）數(shù)據(jù)，對(duì)模擬量數(shù)據(jù)賦予一定的初值。該程序在OB100中運(yùn)行。

3）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

采樣將現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)周期性地采入模擬量輸入模塊和數(shù)字量輸入模塊中，CPU周期性的檢查模擬量和數(shù)字量模塊。模擬量輸入信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊采集后，在S7－300CPU中以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放，在程序設(shè)計(jì)中根據(jù)數(shù)據(jù)用途創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)塊來(lái)存放現(xiàn)場(chǎng)送來(lái)的數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊量信號(hào)的報(bào)警所需要的上、下限值存放在背景數(shù)據(jù)塊DB11，現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)背景數(shù)據(jù)塊DB12。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器，輸入通道讀入的數(shù)字量信號(hào)均所于無(wú)量綱的數(shù)字量，必須把它轉(zhuǎn)換成工程值后才能運(yùn)算、顯示、報(bào)警和打印輸出，便于操作人員的監(jiān)視和管理［6］。在STEP7編程軟件中的FC105模塊可以完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)其變量進(jìn)行定義，由調(diào)用FC105的塊提供數(shù)據(jù)。

4）連鎖控制

將智能化污水處理系統(tǒng)分為單獨(dú)的幾個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制，各控制單元根據(jù)控制進(jìn)行模塊化編程。本系統(tǒng)中主要包括一下幾個(gè)模塊:加藥間控制模塊FC2，污泥泵模塊FC3，回流泵模塊FC4，提升泵模塊FC5，高密池模塊FC6。PLC通過(guò)總程序OB1進(jìn)行合理調(diào)用。

5）報(bào)警檢測(cè)

故障檢測(cè)是保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)中，檢測(cè)的量主要有:水泵故障、液位報(bào)警、PH值報(bào)警、變頻器故障、各傳感器斷線故障等信號(hào)。報(bào)警模塊FC11根據(jù)控制要求通過(guò)變量來(lái)觸發(fā)各報(bào)警信號(hào)。報(bào)警狀態(tài)存放在背景數(shù)據(jù)塊DB13中。

6）PID控制

系統(tǒng)中，數(shù)字PID程序控制通過(guò)調(diào)節(jié)攪拌機(jī)、回流泵的轉(zhuǎn)速，使污水處理工藝達(dá)到最優(yōu)。主程序初始化過(guò)程中，讀取設(shè)定值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊采集的模擬量當(dāng)前值，將采樣值與設(shè)定值比較得出誤差量，運(yùn)用PID控制策略計(jì)算調(diào)節(jié)量，通過(guò)PLC與變頻器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通信，該調(diào)節(jié)量對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)控制變頻器的頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)角脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)攪拌機(jī)、回流泵的轉(zhuǎn)速，改變流量、流速的大小。

混合攪拌機(jī)和絮凝攪拌機(jī)的自動(dòng)調(diào)控通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)和頻率，對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制;回水泵和加藥計(jì)量泵通過(guò)改變變頻器的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。程序保存在功能模塊FB39和FB40，由中斷程序進(jìn)行調(diào)用。

7）程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

STEP7的操作軟件固化了一些子程序，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際要求采用這些模塊。設(shè)計(jì)中使用了OB1、OB100、OB35、FC105、FB39等模塊。當(dāng)CPU的狀態(tài)從停止到運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，操作系統(tǒng)首先會(huì)調(diào)用OB100，所以使用OB100來(lái)完成環(huán)境變量和參數(shù)的初始化工作。當(dāng)OB100運(yùn)行結(jié)束后，操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用調(diào)用OB1，調(diào)用的時(shí)間間隔就就是掃描周期。在OB1中主要編寫(xiě)主程序來(lái)調(diào)用其他功能塊。OB35是一個(gè)以固定間隔循環(huán)運(yùn)行的組織塊，使用OB35的循環(huán)中斷設(shè)定循環(huán)采樣模擬輸入信號(hào)。時(shí)間間隔可以通過(guò)step7進(jìn)行設(shè)計(jì)，其時(shí)間間隔要比OB35中程序運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)。在OB35里調(diào)用FB39 PID模塊，通過(guò)采樣時(shí)間的設(shè)定，循環(huán)采樣模擬量信號(hào)。

3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用北京昆侖MCGS組態(tài)軟件，上位機(jī)主畫(huà)面顯示總體工藝流程圖，如圖4所示。通過(guò)主畫(huà)面的各功能鍵的切換，主要包括工藝流程、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警查詢(xún)5個(gè)部分。通過(guò)MCGS的腳本語(yǔ)言完成各個(gè)窗口之間的邏輯控制、各個(gè)窗口內(nèi)的功能實(shí)現(xiàn)以及各個(gè)按鈕控件、文本框等圖形對(duì)象的功能。上位機(jī)與PLC之間的通訊主要通過(guò)設(shè)備窗口來(lái)完成，在設(shè)備窗口中建立系統(tǒng)與PLC設(shè)備的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5所示。

圖4 監(jiān)控流程圖

圖5 設(shè)備窗口和腳本窗口

4 結(jié)語(yǔ)

智能化污水處理系統(tǒng)使得高效澄清池污水在節(jié)約能源和降低原材料消耗方面效益顯著，占地面積小，污水處理的效率高、出水水質(zhì)好等方面有實(shí)際意義。本文僅對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的工藝流程、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討。實(shí)際上，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，包含軟硬件中斷程序、PID控制程序的改進(jìn)、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、仿真軟件S7－PLCSIM的模擬運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理等。通過(guò)對(duì)智能化污水處理系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性試驗(yàn)，及時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中遇到的問(wèn)題，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行。

［1］董淑賢，張志軍.高密度沉淀池－V型濾池工藝再生水廠的設(shè)計(jì)與運(yùn)行［J］.工業(yè)用水與廢水，2010，41（4）.

［2］徐正，趙建偉，孫穎，等.高密度沉淀池的運(yùn)行控制［J］.供水技術(shù)，2008，2（3）.

［3］崔維群，孫啟法.S7－300/400可編程控制器原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］豈興明.PLC與變頻器快速入門(mén)與實(shí)踐［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［5］姚福來(lái)，孫鶴旭，楊鵬，等.變頻器、PLC及組態(tài)軟件實(shí)用技術(shù)速成教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］王猛效，等.制漿造紙DCS中模擬量信號(hào)處理及PLC編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)［J］.西南造紙，2006（1）:51－53.

［7］ Stanislaw Skoczowski，Stefan Domek，Kreysztof Pietrusewicz，etc.A Method for Improving the Robustness of PID Control［J］.IEEE transactions on industrial electronics，vol.52，No.6，2005（12）.

［8］鄒偉，楊平，徐德.基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30（12）:103－107.