污水處理沉淀池、V型濾池控制系統(tǒng)設(shè)計

楊云飛，曾 超 ，任振華，張 楹 ，高 敏

（1.常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；2.常熟污水處理廠，江蘇 常熟 215500）

1 污水處理沉淀池、V型濾池工藝概述

某市的生活污水處理廠沉淀池、V型濾池的工藝流程如圖1所示.污水進(jìn)入絮凝沉淀池，加入混凝劑、絮凝劑，在快速攪拌器的作用下除磷脫氮，形成一個個絮體.水底的微砂和混凝劑形成密度更大、更重的絮體，使污物快速沉淀.絮體沉淀在斜板表面并在重力作用下沿著斜板下滑跌落到池底形成污泥，污泥在池底被濃縮.刮泥機(jī)把污泥連續(xù)地刮進(jìn)中心集泥坑，然后被排出到污泥處理系統(tǒng).經(jīng)過絮凝沉淀池處理后的污水流向V型濾池作進(jìn)一步處理.

V型濾池工藝分為兩個階段：過濾和反沖洗.一個V型濾池運行周期為24 h又12 min，其中過濾24 h.液位計檢測濾池液位，當(dāng)濾池達(dá)到過濾時間或達(dá)到反沖洗液位時關(guān)閉進(jìn)水閥、打開排污閥，開始反沖洗過程，反沖洗采用“氣沖2 min、氣、水沖4 min、放氣后再水沖6 min”三段式?jīng)_洗方式.反沖洗結(jié)束后重新開啟進(jìn)水閥、關(guān)閉排污閥，濾池又進(jìn)入下一個過濾過程，過濾和反沖洗過程循環(huán)交替進(jìn)行.

圖1 沉淀池、V型濾池工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

絮凝沉淀池、V型濾池控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和現(xiàn)場儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.整個系統(tǒng)由監(jiān)控級和現(xiàn)場控制級兩級組成，包括工程師站、操作員站、服務(wù)器以及交換機(jī)等.通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行實時通信和數(shù)據(jù)交換，通過交換機(jī)連接廣域網(wǎng).

下位機(jī)選用西門子S7-300 PLC作為主控制器，上位機(jī)基于西門子WINCC組態(tài)軟件平臺設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)[1-4].根據(jù)絮凝沉淀池、V型濾池工藝流程及控制要求，設(shè)計監(jiān)控畫面和下位機(jī)PLC控制程序.操作人員通過上位機(jī)運行界面可以直觀地監(jiān)視整個處理工藝過程參數(shù)和設(shè)備運行情況.并根據(jù)運行情況輸入相應(yīng)參數(shù)、發(fā)布相應(yīng)的操作控制指令，使系統(tǒng)在合理工況下運行.

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC作為系統(tǒng)主控制器，承擔(dān)了開關(guān)量輸入/輸出以及模擬量輸入/輸出等控制任務(wù)，根據(jù)控制需要，選用西門子CPU 313C-2DP型PLC作為下位機(jī).這是一款緊湊型CPU，導(dǎo)軌安裝方式、結(jié)構(gòu)緊湊、便于擴(kuò)展功能.

絮凝沉淀池、V型濾池控制系統(tǒng)所需數(shù)字量DI/DO點數(shù)為2/27，模擬量AI/AO點數(shù)為4/1.CPU 313C-2DP內(nèi)置16DI/16DO集成數(shù)字量已不能滿足要求，需要通過擴(kuò)展模塊來增加數(shù)字量和模擬量接口.選用 SM322（16DO）和SM334（4AI/2AO）分別作為數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊.此外還配置了CPU343-1lean通信模塊，作為控制系統(tǒng)與Internet鏈接通信的橋梁.各模塊在機(jī)架上的配置如圖3所示，圖中1～6為機(jī)架槽號[5].

圖3 模塊配置示意圖

4 控制程序設(shè)計

4.1 PID控制程序設(shè)計

圖4 流量閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID控制器用途廣泛、使用靈活、參數(shù)整定比較容易，深受工程人員喜愛.根據(jù)工藝要求，需要對進(jìn)入沉淀池的污水流量進(jìn)行控制，以提高污水處理效果.通過流量計檢測當(dāng)前流量，經(jīng)模擬量輸入模塊（AI）傳送到PLC中進(jìn)行PID運算，處理后的數(shù)據(jù)由模擬量輸出模塊（AO）傳送到變頻器控制端，通過控制變頻器輸出頻率來改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制進(jìn)水流量的目的.流量閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示[6].

OB35是S7-300PLC程序的中斷組織塊，通過編程軟件STEP7可以對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.根據(jù)本系統(tǒng)是采樣控制的特點，將PID控制程序在OB35組織塊中進(jìn)行編寫，在STEP7中設(shè)置好OB35的中斷運行時間間隔，并使PID控制模塊FB41的采樣周期為OB35中斷時間間隔的整數(shù)倍.

傳感器信號送到PLC模擬量輸入模塊，PLC通過AI模塊將輸入信號轉(zhuǎn)換成單極性0-27648的數(shù)字量.而在FB41功能塊內(nèi)部，設(shè)定值、過程值等都是以百分?jǐn)?shù)0.0-100.0來表示，功能FC105用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)范圍和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換.DB3是FB41的背景數(shù)據(jù)塊，PLC程序運行中相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在DB3中，上位機(jī)操作軟件組態(tài)時將相關(guān)變量設(shè)定為DB3中的地址，監(jiān)控軟件通過DB3與PLC程序的相應(yīng)數(shù)據(jù)建立鏈接.PID控制程序結(jié)構(gòu)如圖5所示.

4.2 污水處理絮凝沉淀池、V型濾池控制程序設(shè)計

根據(jù)工藝要求，整個絮凝沉淀池、V型濾池控制流程如圖6所示.污水處理分階段進(jìn)行，按照系統(tǒng)控制要求，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，將不同功能不同階段的處理，分別編寫在相應(yīng)的FC或FB功能塊中，模塊化程序設(shè)計使整個系統(tǒng)控制程序顯得思路清晰、可移植性好，具有通用性.

圖5 PID控制程序結(jié)構(gòu)

組織塊OB1調(diào)用相應(yīng)的功能塊FB和功能FC，功能塊FB1、FB2和FB3分別實現(xiàn)絮凝沉淀池和V型濾池閥門運行、計時時間最少鼓風(fēng)機(jī)、計時時間最短水泵和計時時間次短的水泵及鼓風(fēng)機(jī)運行控制要求，反沖洗過程的實現(xiàn)是由鼓風(fēng)機(jī)、水泵和各個閥門共同完成的.功能FC1實現(xiàn)液位計、流量計等模擬量的檢測.相關(guān)數(shù)據(jù)保存在背景數(shù)據(jù)塊中，分別建立了背景數(shù)據(jù)塊DB1、DB2和DB5，提供每個塊調(diào)用程序所需的變量，使程序執(zhí)行清晰明了（見圖7）.

圖6 控制程序流程圖

圖7 組織塊程序結(jié)構(gòu)

5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)人機(jī)界面主要用于操作者監(jiān)控系統(tǒng)、輸入?yún)?shù)和命令.本設(shè)計以西門子WINCC組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，根據(jù)需要，整個監(jiān)控系統(tǒng)分別設(shè)計了啟動畫面、絮凝沉淀池、V型濾池和PID界面等多個功能畫面.各畫面之間通過畫面上相應(yīng)操作按鈕進(jìn)行切換.設(shè)計中對各畫面的布局、配色進(jìn)行了仔細(xì)分析，認(rèn)真排布.畫面配色合理、和諧統(tǒng)一.監(jiān)控畫面包括了相關(guān)數(shù)字量和模擬量的輸入輸出組態(tài).并設(shè)計了相應(yīng)的動畫連接，使操作界面能直觀形象、生動地展示絮凝沉淀池、V型濾池工藝過程全貌以及動態(tài)運行過程情況.

監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)了歸檔及實時曲線，運行中可以曲線形式展示流量的變化情況.還組態(tài)有報警，對重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，有異常時及時報警.另設(shè)計有報表，以表格形式記錄重要數(shù)據(jù)，操作人員可通過查詢或打印報表，掌握一段時間的運行變化情況.運行中的流量實時報表如圖8所示.

圖8 實時監(jiān)測值系統(tǒng)報表

監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)還有Web發(fā)布功能.系統(tǒng)運行中，實時將當(dāng)前監(jiān)控運行畫面通過Internet向外發(fā)布[7]，城市的市政管理部門，可通過網(wǎng)絡(luò)了解各分散的污水處理廠實時運行狀況，便于管理.通過Web查詢到的運行中界面如圖9所示.

調(diào)試運行中通過對PID參數(shù)進(jìn)行整定，使流量實時控制取得了比較好的效果.首先整定比例系數(shù)K，獲得一個穩(wěn)定的響應(yīng)曲線后，再加入積分環(huán)節(jié)以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過反復(fù)調(diào)試修改參數(shù)，獲得如圖10所示流量實時控制曲線.當(dāng)給定值改變時，系統(tǒng)能及時根據(jù)給定值的變化穩(wěn)定在新的設(shè)定值.

6 總結(jié)

本文所設(shè)計絮凝沉淀池、V型濾池控制系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為主控制器，采用模塊化結(jié)構(gòu)編寫程序，設(shè)計合理，具有實際工程應(yīng)用意義.上位機(jī)監(jiān)控畫面美觀形象，可有效地對系統(tǒng)實時監(jiān)控.同時運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.本文研究結(jié)果具有一定的應(yīng)用前景.

圖9 Web查詢到的運行界面

圖10 流量PID控制運行曲線

[1]王志恒，王碩晴，趙福欣，等.PLC在污水處理廠自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2011（7）：38-40.

[2]陳燕兵.基于PLC及組態(tài)王技術(shù)的污水處理自控系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2013（25）：38-40.

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[4]原寶龍，王長濤，張風(fēng)眾.PLC在污水處理自動監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（10）：48-50.

[5]戴羽，楊云飛，任振華，等.基于S7-300PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報，2012（4）：91-92.

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[7]劉華波，王雪.組態(tài)軟件WINCC及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械出版社，2009：250-260.