小型高鐵客運站污水處理的自動控制系統(tǒng)設計

王學智，段志龍

（湖北水利水電職業(yè)技術學院，湖北 武漢430070）

0　引言

隨著我國高鐵網(wǎng)絡覆蓋越來越廣，高鐵客運站點不斷增加，在方便人民生活的同時，各客運站點需要加強對排放污水的管理，做到達標排放。小型高鐵客運站污水具有水量小、排放量不穩(wěn)定、點多線長和污染源分散等特點[1-2]。由于鐵路分布形式的特殊性，鐵路污水尤其是中小站的生活污水很難并入當?shù)厥姓鬯幚硐到y(tǒng)，只能采用自行處理的方式，所以構建適合客運站污水處理的自動控制系統(tǒng)十分必要[3]。

1　污水處理裝置總體組成及自控功能簡介

1.1　小型高鐵客運站污水處理裝置的總體組成

小型高鐵客運站污水的主要處理工藝有 SBR工藝、人工濕地、MBR工藝等。由于SBR工藝更適用于水量較大的情況，人工濕地則有占地面積大等問題，而MBR工藝因對污染物處理效率高、出水水質好且處理效果穩(wěn)定，已成功應用于污水處理與回用等領域[4-5]。本文設計的污水處理采用MBR工藝，圖1所示為工藝流程圖。

圖1　污水處理工藝流程圖

1.2　自動控制系統(tǒng)功能簡介

小型高鐵客運站污水處理自動化系統(tǒng)屬于該站給排水自動控制系統(tǒng)的一個站，由現(xiàn)場層、控制層、本站監(jiān)控管理層、遠程監(jiān)控管理層組成四級計算機分散控制系統(tǒng)[6]。

自動控制系統(tǒng)由現(xiàn)場層的自動化儀表檢測相關數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過4～20 mA電流信號傳送至控制層的PLC，PLC根據(jù)接收到的儀表信號，控制現(xiàn)場層的執(zhí)行器，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，既可提高控制精度，又可降低能耗；通過工控交換機可實現(xiàn)本站監(jiān)控管理層的上位機與控制層的PLC之間的通訊，構成計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實行集中管理；再由internet網(wǎng)絡實現(xiàn)本站管理層與遠程監(jiān)控管理層的數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)主管鐵路總局監(jiān)控中心對所屬各客運站自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

2　自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

自動控制系統(tǒng)的工作模式有手動、自動、半自動、調試、維護、近控、遠控等多種，考慮到用戶的實際需求，小型高鐵客運站污水處理裝置的自動控制系統(tǒng)采用三種工作模式：近控、遠控、維護。近控為現(xiàn)場手動控制，遠控為上位機控制模式，維護為調試及維護階段選擇的模式。自動控制系統(tǒng)綜合利用計算機技術、無線傳輸技術、網(wǎng)絡通信技術、自動檢測技術、過程控制技術，使生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息能夠實時采集、綜合分析、優(yōu)化控制、集中管理。小型高鐵客運站污水處理裝置的自動控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　污水處理自動控制系統(tǒng)結構圖

2.1　污水提升

小型高鐵客運站根據(jù)自身規(guī)模自建污水抽升井一座，設有兩臺自動攪勻排污泵，一用一備，一臺具有4～20 mA標準輸出的超聲波液位計。在自動模式下，當污水低于停泵水位時，排污泵停止工作；當污水達到啟泵水位時，排污泵自動開啟；PLC根據(jù)每臺排污泵的運行時間，自動實現(xiàn)兩臺排污泵的輪換，使兩臺排污泵運行時間均等，延長排污泵的使用壽命，降低能耗。此外，系統(tǒng)設有上、下限報警，防止排污泵空運轉。

2.2　MBR污水處理系統(tǒng)

小型高鐵客運站污水處理規(guī)模小，宜選用一體式MBR生化處理設備。MBR工藝雖然在運行過程中能夠高效截留微生物，但是由于膜的孔徑分布不均勻，以及運行過程中出現(xiàn)的膜絲斷裂、破損等問題，使得MBR出水殘留的病原菌指示微生物很難達到總大腸菌群（3 CFU/L）的國家標準[7]，需要對MBR出水進行二氧化氯消毒處理。如圖2所示，系統(tǒng)設置兩臺電磁流量泵，一用一備，用于投加二氧化氯消毒。污水處理站控制柜中的PLC根據(jù)電磁流量計檢測的MBR污水處理設備的出水流量，按照事先設定的比值（比值可在上位機進行調節(jié)）自動計算二氧化氯投加量，并轉化成控制電磁流量泵的脈沖輸出。同時，PLC計算每臺電磁流量泵的運行時間，自動實現(xiàn)兩臺流量泵的輪換（輪換時間可在上位機設定），使兩臺排流量泵運行時間均等，延長其使用壽命。液位采集終端、流量采集終端、智能電表及PLC都具有標準internet網(wǎng)絡接口，通過通信交換機與上位機監(jiān)控系統(tǒng)通訊。

2.3　污水處理自動控制系統(tǒng)控制程序

自動控制系統(tǒng)選用西門子S7-1200系列CPU 1214作為主控制器，該CPU具有100KB工作存儲器，0.04 ms/1000條指令程序處理能力，并具有PROFINET網(wǎng)絡接口，可用于編程、HMI以及 PLC間數(shù)據(jù)通信。程序設計采用結構化編程，整個程序包括主程序OB1、起動組織塊OB100、循環(huán)中斷組織塊OB30、用于控制排污泵工作的功能FC1、用于控制排污泵、消毒泵輪換工作的功能FC2、用于控制消毒泵工作的功能FC3、近控程序功能FC4、維護程序功能FC5、遠控程序功能FC6.

起動組織快OB100是初始化程序，只在PLC每次運行時執(zhí)行一個掃描周期，主程序OB1根據(jù)模式選擇開關調用FC4、FC5、FC6.循環(huán)中斷組織塊OB30負責處理液位和流量數(shù)據(jù)，并根據(jù)流量計算出控制二氧化氯消毒泵所需的脈沖頻率和脈沖個數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送給FC3，中斷時間為300 ms.自動控制系統(tǒng)正常運行時主要控制任務由FC6負責，F(xiàn)C6并行調用FC1和FC3，F(xiàn)C1和FC3共用FC2的數(shù)據(jù)用于控制排污泵和二氧化氯消毒泵的輪換工作。圖3為程序調用結構圖，采用結構化編程顯著減少了編程時間、降低了程序存儲器空間。

圖3　程序調用結構圖

3　結論

本文設計的自動控制系統(tǒng)已成功應用于鄭徐客運專線的幾個二級站，運行結果表明，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操控方便，取得良好的排水處理效果，污水處理后回用于站區(qū)綠化及澆灑道路等，既降低了污染又節(jié)約了水資源，可為小型高鐵客運站的污水處理自動控制系統(tǒng)設計提供參考。

參考文獻：

[1]呂夢怡，于海明，龐 磊，等.脈沖進水對兩級厭氧接觸氧化法處理小型火車站污水的影響[J].環(huán)境工程學報，2017（6）：3357-3362.

[2]楊少武.鐵路車站污水處理工藝選擇初探[J].鐵道建筑技術，2011（8）：101-103.

[3]卿曉霞，王 誠，周 健，等.小型污水處理廠自動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].給水排水，2012（1）：103-106.

[4]張 彪.人工濕地用于鐵路車站污水處理的探討[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2014（3）：197-198.

[5]陳俊杰，付永勝，房景燕.鐵路中小站段生活污水特征及匹配處理技術研究[J].鐵道標準設計，2007（3）：88-89.

[6]董利鵬，王曉玲，謝 添，等.寒冷地區(qū)改良A～2/O工藝污水處理廠的自動控制[J].中國給水排水，2014（12）：119-123.

[7]GB/T 18920-2002，城市污水再生利用城市雜用水水質標準[S]．北京：國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2002.