腌制廢水處理系統(tǒng)自動控制方案設(shè)計與應(yīng)用

孫炳海，馬　超，董好友，張　森，張鵬勛，鞏忠賢

(河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

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腌制廢水處理系統(tǒng)自動控制方案設(shè)計與應(yīng)用

孫炳海，馬超，董好友，張森，張鵬勛，鞏忠賢

(河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

根據(jù)某公司污水處理項目工藝的需求，提出了以S7-1200 PLC為控制核心的自動化控制方案。系統(tǒng)將水位、溶解氧、流量、濁度、酸堿度等傳感器、電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及供電系統(tǒng)融為一體，按照調(diào)節(jié)池、加藥罐液位和腌制廢水水質(zhì)的變化等情況，確定最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)整個污水處理系統(tǒng)的自動控制。通過實(shí)際初步應(yīng)用，驗(yàn)證了該方案的可行性，節(jié)約了人力，提高了腌制廢水處理的效率，降低了運(yùn)行成本。

腌制廢水；S7-1200；控制策略；自動控制

咸菜腌制廢水處理是新形勢下咸菜腌制加工企業(yè)面臨的首要問題，其廢水具有高鹽分、高COD、高固形物等特點(diǎn)，并且處理工藝復(fù)雜，因此對控制技術(shù)提出了較高的要求[1]。能否高效、可靠地處理該廢水，將直接影響企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。本文結(jié)合某公司腌制廢水處理項目工藝的實(shí)際需求，設(shè)計開發(fā)了一套自動化控制技術(shù)方案，以解決人工操作復(fù)雜、運(yùn)行成本高、污水處理效率低等問題。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1水處理工藝及控制關(guān)鍵點(diǎn)

如圖1所示為該廢水處理工藝流程圖[2]。其工藝復(fù)雜，流程煩瑣。需要解決以下技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：①好氧池和調(diào)節(jié)池精確曝氣的控制。②初沉池石灰水和硫酸亞鐵以及一體化氣浮池聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)兩類加藥的精確控制。③調(diào)節(jié)池提升泵的控制。④污泥回流和外排的控制。

圖1　污水處理的工藝流程圖

1.2系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)由執(zhí)行裝置、傳感器、控制器、監(jiān)控設(shè)備及通訊系統(tǒng)組成。如圖2所示，系統(tǒng)水廠監(jiān)控中心與主控站S7-1200PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)相連，兩臺風(fēng)機(jī)(一備一用)分別由變頻器驅(qū)動通過Profibus主站模塊與主控站S7-1200PLC通過Profibus-DP協(xié)議通訊，傳感器采集的信號由模擬量、數(shù)字量輸入模塊送入主控站，根據(jù)采集的各種信號通過程序的處理最終通過模擬量和數(shù)字量輸出模塊輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的全自動運(yùn)行。

圖2　PLC、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

控制方案分為就地、集中手動、全自動三種控制方式[3]?，F(xiàn)場就地控制級別最高，其可以立即切斷遠(yuǎn)程控制，方便了設(shè)備的檢修和故障排除。集中手動控制級別僅次于現(xiàn)場就地控制，其可以切斷水廠監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程集控中心的控制，當(dāng)PLC出故障時值班人員可以把控制模式切換到集中手動模式下手動運(yùn)行，可以大大降低因設(shè)備故障導(dǎo)致水廠停運(yùn)造成的損失。全自動控制級別最低，當(dāng)處于全自動控制模式下時PLC根據(jù)各傳感器檢測的信號控制全水廠每臺設(shè)備的運(yùn)行，但其他兩種模式都可以實(shí)時切斷該模式的運(yùn)行，最大限度的保障了水廠各設(shè)備的安全性和可靠性。

1.3加藥控制策略

1.3.1硫酸亞鐵和石灰水加藥控制策略

初沉池加藥是硫酸亞鐵和石灰水加藥，由空壓機(jī)提供動力，啟動氣動隔膜泵進(jìn)氣端的電動閥門控制加藥量。硫酸亞鐵水解氧化后形成的多核絡(luò)合物，使得廢水中的有色懸浮態(tài)的染料物質(zhì)通過網(wǎng)捕混凝粘結(jié)成絮體沉淀，其脫色率可達(dá)92%。pH值需要借助堿劑(如石灰水)調(diào)堿，石灰水不但能調(diào)節(jié)pH值，更能起到助凝除磷的作用[4]。石灰水加藥量判斷主要是pH值，硫酸亞鐵加藥量判斷的依據(jù)主要是進(jìn)水的流量。因此在初沉池水源處安裝酸堿度測試儀和電磁流量計。PLC通過檢測到這些數(shù)據(jù)通過控制算法控制兩個電動閥門開度的大小來控制每種加藥量的多少。其控制流程圖如圖3(a)所示。

1.3.2PAC和PAM加藥控制策略

一體化氣浮池加藥是PAC和PAM加藥，其由電磁計量泵控制加藥量[5-6]。其控制流程圖如圖3(b)所示。該種加藥，加多少才算合適？本文提出了綜合評價指標(biāo)(P)的概念：

P=a1X1+a2X2+a3X3+…anXn

(a)初沉池控制流程圖　　　　　　　　　　　(b)一體化氣浮池控制流程圖圖3　風(fēng)機(jī)控制流程框圖

式中，X1—Xn為參與評價的各傳感器檢測值；a1—an為參與評價的檢測值對綜合評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)系數(shù)。參與評價的指標(biāo)有酸堿度、濁度、溶解氧、進(jìn)水口流量。在一體化氣浮池進(jìn)水口安裝酸堿度測試儀、濁度儀、溶解氧儀和電磁流量計，儀表檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給PLC通過以上綜合評價指標(biāo)函數(shù)，通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的電流信號來控制計量泵的流量從而達(dá)到控制加藥量的目的。通過該污水處理廠前期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析最終得出一體化氣浮池加藥的a1、a2、a3、a4四個系數(shù)。

1.4曝氣控制策略

根據(jù)綜合反應(yīng)池溶解氧的含量，利用變頻調(diào)速的方法控制曝氣強(qiáng)度。風(fēng)機(jī)PID控制框圖如圖4所示。在程序中預(yù)先設(shè)定溶解氧上限和下限值，如當(dāng)溶解氧值達(dá)到下限值啟動變頻器開始曝氣，當(dāng)溶解氧達(dá)到上限值時停止發(fā)出信號停止曝氣，當(dāng)溶解氧值在上限和下限之間時，根據(jù)PID控制算法根據(jù)溶解氧含量的變化調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來控制曝氣強(qiáng)度，如溶解氧含量上升控制變頻器輸出頻率下降，溶解氧含量下降控制變頻器輸出頻率上升。

圖4　風(fēng)機(jī)PID閉環(huán)控制框圖

1.5控制軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用模塊化編程，主程序主要調(diào)用各功能模塊的程序和通訊程序。功能模塊程序主要有調(diào)節(jié)池控制模塊、初沉池加藥模塊、中沉池和二沉池控制模塊、二級好氧池控制模塊、風(fēng)機(jī)曝氣控制模塊、傳感器檢測模塊、一體化氣浮池加藥模塊以及故障處理程序模塊等功能模塊。在程序的每個循環(huán)周期中逐條運(yùn)行，條件滿足時調(diào)用專門功能的監(jiān)控模塊，通過各程序塊的調(diào)用最終實(shí)現(xiàn)整個污水處理廠的全自動運(yùn)行。如圖5所示為全自動控制流程圖。

圖5　系統(tǒng)全自動控制流程圖

主循環(huán)程序每個周期調(diào)用該模塊一次，PLC根據(jù)調(diào)節(jié)池水位采集的數(shù)據(jù)控制整個系統(tǒng)設(shè)備的啟停。自動控制過程中故障監(jiān)控可分為設(shè)備故障和傳感器故障兩大類，由故障監(jiān)控模塊分別進(jìn)行處理。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測各運(yùn)行設(shè)備的啟動過程、運(yùn)行狀態(tài)以及停止過程，一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)及時做出反應(yīng)，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行[6]。

由于現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)廠家各異，通訊協(xié)議不一，需要進(jìn)行協(xié)議解析和程序編譯，從而建立通信連接。這是解決PLC與現(xiàn)場的智能微機(jī)保護(hù)測控裝置、通信管理機(jī)等智能設(shè)備之間通信的關(guān)鍵問題[7]。水廠監(jiān)控中心計算機(jī)操作系統(tǒng)軟件為Windows7 旗艦版，編程軟件采用西門子公司的SIMATIC STEP7 Professional V13,組態(tài)軟件為西門子公司的SIMATIC WinCC Professional V13。

2　技術(shù)特點(diǎn)

(1) 精確曝氣控制。本文利用西門子MM440變頻器通過Profibus-DP通訊協(xié)議與PLC通訊，對風(fēng)機(jī)的曝氣量進(jìn)行無級調(diào)速，最終達(dá)到精確曝氣的目的，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)約了電能。

(2) 兩類加藥控制。本文引入了綜合評價指標(biāo)的概念，通過綜合評價函數(shù)，得出加藥量的多少。從而精確地控制加藥量，節(jié)約了用藥，使污水處理得到了很好的效果，最終達(dá)標(biāo)排放。

3　結(jié)論

根據(jù)本文控制方案，經(jīng)過實(shí)際初步運(yùn)行，該系統(tǒng)設(shè)計方案符合實(shí)際要求，處理后的水質(zhì)為:COD≤100 mg/L,BOD5≤20 mg/L,SS≤20 mg/L，氨氮≤15 mg/L，色度≤50倍，磷酸鹽(以P計)≤0.5 mg/L，pH:6～9。能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求，大大提高了腌制廢水的處理效率，節(jié)約了人力和水電資源。

[1]祝義平.生物接觸氧化法處理腌制廢水最佳運(yùn)行方式及耐鹽性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2011.5.

[2]劉曉強(qiáng)，李亞新.AB 法污水處理工藝[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2005,15(16):124～126.

[3]尹文波,張魯花,張惠民.煤礦井下中央水泵房自動化控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)電,2010(2):13～16.

[4]秦軍,李明陽.硫酸亞鐵廢酸液在水處理中的應(yīng)用[J].科技展望,2015(12):83～86.

[5]相加培,劉金榮.PAC 和 PAM 復(fù)合絮凝劑在洗滌劑廢水處理中的應(yīng)用研究[J].四川環(huán)境,2005,24 (3):8～11.

[6]孫炳海.基于PLC的煤礦井排水泵房自動控制技術(shù)應(yīng)用[C].International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication(SEMC),2011.

[7]孫力平等.污水處理新工藝與設(shè)計計算實(shí)例[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

Design and application of automatic control scheme for pickling waste water treatment system

SUN Bing-hai,MA Chao,DONG Hao-you,ZHANG Sen,ZHANG Peng-xun,GONG Zhong-xian

(SchoolofElectrical&InformationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

According to the requirements wastewater treatment project of a certain company,an automatic control scheme with PLC S7-1200 as the control core was put forward.The system combines sensors of water level,DO,flow,turbidity and PH with the electric actuators and the power supply system.The optimal control strategies is determined on the basis of the regulating pool,dosing tank liquid level and pickled waste water quality changes to achieve automatic control of the entire sewage treatment system.Preliminary application proves the feasibility of the scheme,saves manpower,improves the efficiency of the treatment of the pickling waste water,and reduces the operation cost.

pickling waste water;S7-1200;control strategy;automatic control

2016-05-31

河南城建學(xué)院“科研能力提升工程”應(yīng)用項目(2016YY014)

孫炳海(1962—)，男，河南平頂山人，教授。

1674-7046(2016)05-0088-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.016

TM461

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