基于PLC的MBR工藝的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張大賢 仲繼華

摘 要：本設(shè)計(jì)以南京市某污水處理廠的膜生物反應(yīng)系統(tǒng)為研究背景，結(jié)合污水處理工藝，探討以西門子S7-300系列的PLC在采用膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝的污水處理設(shè)施中的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）；膜生物反應(yīng)器（MBR）；自動(dòng)控制系統(tǒng)

隨著國(guó)家資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的觀點(diǎn)提出，先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)在環(huán)保工程中得到更廣泛的應(yīng)用。在這樣的工程背景下，更深入的研究工業(yè)污水處理自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以獲得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

南京市某污水處理廠一期工程處理規(guī)模為50000m3/d，遠(yuǎn)期總規(guī)模為180000m3/d。本文主要針對(duì)MBR膜池系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)作詳細(xì)介紹。

2 污水處理工藝及過程控制要求

2.1 膜系統(tǒng)主要設(shè)備

在此膜系統(tǒng)中，膜組件被分為8個(gè)系列/2個(gè)組，共用一套加藥系統(tǒng)，每個(gè)組單獨(dú)一套曝氣設(shè)備膜產(chǎn)水/反洗部分設(shè)備有：產(chǎn)水/反洗泵；調(diào)節(jié)堰門；膜池污泥回流泵；自動(dòng)閥門；產(chǎn)水/反洗壓力變送器；產(chǎn)水/反洗流量計(jì)；液位變送器。膜池曝氣部分設(shè)備有：膜曝氣風(fēng)機(jī)；風(fēng)量流量計(jì)。

2.2 膜系統(tǒng)運(yùn)行模式

停運(yùn)模式；待命模式；排氣模式；反洗模式；產(chǎn)水模式；抽氣模式；清洗模式。其中，產(chǎn)水時(shí)，根據(jù)回流池液位的高低值，將產(chǎn)水的通量分為兩個(gè)檔次Fmax通量和Fopt通量。待命曝氣模式；間歇（Fint）曝氣模式；續(xù)（Fcon）曝氣模式。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制功能

污水程控采用可編程序控制器（PLC）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，在控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視、管理、自動(dòng)順序控制，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方手動(dòng)操作。對(duì)于泵、風(fēng)機(jī)和電動(dòng)門等被控對(duì)象，除了在控制室LCD上遙控外，還能在MCC上的控制開關(guān)或閥門電動(dòng)裝置上的按鈕進(jìn)行就地控制。

3.2 控制簡(jiǎn)述

程控系統(tǒng)采用自動(dòng)程序單元控制、遠(yuǎn)方操作及就地操作相結(jié)合的控制方式。程序控制設(shè)有步進(jìn)操作、成組操作或單獨(dú)操作等手段，并有跳步、中斷或旁路等操作功能，還將設(shè)有必要的步驟時(shí)間和狀態(tài)指示、選擇和閉鎖功能。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件由可編程控制器、電磁閥、直流交流電源、中間繼電器、空氣開關(guān)、接觸器、熱繼電器等其它輔助部件組成。系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC，選用CPU型號(hào)為315-2DP，另外配置IM360和IM361作為接口模塊，擴(kuò)展模塊為32點(diǎn)DI模塊8塊、8點(diǎn)AI模塊10塊、32點(diǎn)DO模塊5塊、8點(diǎn)AO模塊3塊以及1塊CP343-1以太網(wǎng)通訊模塊

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 概述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作模式， 當(dāng)其運(yùn)行模式為手動(dòng)時(shí)， 可直接操作控制柜的按鈕實(shí)時(shí)對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制。在自動(dòng)控制的工作模式下，可以預(yù)先設(shè)計(jì)好各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和膜清洗的起始條件，PLC根據(jù)設(shè)定數(shù)值與當(dāng)前系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，然后通過已設(shè)程序處理開啟或停止水泵、風(fēng)機(jī)和自動(dòng)閥門等。本系統(tǒng)的主要邏輯框圖見下圖。

4.2 重點(diǎn)設(shè)備控制

⑴產(chǎn)水反洗泵。產(chǎn)水/反洗泵采用PID控制方式，控制目標(biāo)是產(chǎn)水流量，參考量是預(yù)先設(shè)置產(chǎn)水目標(biāo)流量。為保證系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)需在產(chǎn)水/反洗泵切入PID控制前，采用固定頻率運(yùn)行20秒左右，使實(shí)際流量接近目標(biāo)值，在切入PID控制。

⑵膜池進(jìn)水調(diào)節(jié)堰門。對(duì)膜池進(jìn)水調(diào)節(jié)堰門的控制，可采用“分時(shí)階梯對(duì)比法”，及在每隔一段時(shí)間后（一般為5-10秒）將膜池實(shí)際液位與目標(biāo)液位進(jìn)行對(duì)比，而后適當(dāng)增加或減少堰門開度（一般為1%-5%），如此反復(fù)循環(huán)，可使液位相對(duì)穩(wěn)定且滿足液位要求，亦可避免堰門過于頻繁調(diào)節(jié)，降低其壽命。

⑶膜池曝氣風(fēng)機(jī)。膜池曝氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率在不同目標(biāo)風(fēng)量下的運(yùn)行頻率是不同，由于本系統(tǒng)采用容積式輸出的羅茨風(fēng)機(jī)，變頻控制，運(yùn)行轉(zhuǎn)速與風(fēng)量體積的輸出成線性關(guān)系，固由此可計(jì)算出在目標(biāo)風(fēng)量下風(fēng)機(jī)適合的運(yùn)行頻率

本文結(jié)合MBR法污水處理工藝，針對(duì)污水處理及中水回用設(shè)施的實(shí)際應(yīng)用需要，結(jié)合工藝設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，完成了本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)時(shí)代的發(fā)展需要，對(duì)這些復(fù)雜系統(tǒng)控制性能的要求也會(huì)越來越高，對(duì)污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制向智能化方向轉(zhuǎn)變逐漸成為一種趨勢(shì)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫曉，周浩.基于PLC的樣品煤定量包裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].包裝工程.2011，32（21）：76～78.

[2]牛濤濤，汪建根，李振玉.膜生物反應(yīng)器在污水處理中的應(yīng)用及其前景展望[J].環(huán)境研究與監(jiān)測(cè).2008，21（1）：35-38，47.

[3]中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所.GB19431-2004《味精行業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2003：3～6.

[4]徐琳，牟道光.PLC在污水處理中的作用[J].微計(jì)算機(jī)信息.2004，20（3）：42～44.