基于PLC的污水處理系統(tǒng)研究

王 華，呂小納，張鳳莉，代戰(zhàn)勝

(1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 商丘 476100; 2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院,河南 鄭州 451200)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是制造業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)用水量急劇增加，隨之工業(yè)污水也大量的產(chǎn)生.隨著人們生活水平的日益提高，人均生活廢水的產(chǎn)生也越來越多[1]1-10.我國的水資源總量雖然不算匱乏，但人均的淡水量比較少，還達(dá)不到全世界人均淡水量的1/4.國內(nèi)淡水的分布很不均勻，進(jìn)一步加劇了缺水區(qū)的用水負(fù)擔(dān)，特別是缺水地區(qū)的工業(yè)制造業(yè)，其淡水資源的匱乏往往限制了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[2]1-24.除上述因素之外，在水資源的使用上，節(jié)約意識并不是很強(qiáng)，浪費(fèi)也比較嚴(yán)重，水資源的匱乏已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要因素.特別是極端缺水的地區(qū)，水資源問題甚至成為阻礙城市發(fā)展的最重要因素.

為了提高水資源的利用率，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)約用水的觀念，同時(shí)增強(qiáng)污水的處理能力，使處理后的污水能達(dá)到相關(guān)的用水標(biāo)準(zhǔn)，也可以降低對淡水的依賴.隨著我國制造業(yè)高度發(fā)達(dá)，不同行業(yè)不同環(huán)境下產(chǎn)生的污水，其污染物的成分都不盡相同，其污染度的高低也有很大差別，因此，污水處理的方式方法難以做到一致[3]6-10.往往不同行業(yè)、不同廠礦都有不同的污水處理方案，只有這樣才能有的放矢地降低污染物的含量.隨著水資源標(biāo)準(zhǔn)的劃分越來越細(xì)化，對污水處理的工藝要求越來越高.

污水處理的步驟比較多，工序比較繁瑣，在人工處理過程中其效果往往難以達(dá)到最佳.所以，污水處理過程的自動化控制越來越得到重視.通過自動化的控制，特別是加入優(yōu)化的控制算法，往往能使污水處理的效果優(yōu)于人工處理的結(jié)果.PLC控制器是工業(yè)控制領(lǐng)域中經(jīng)典的控制系統(tǒng)，在污水處理系統(tǒng)中使用PLC控制器可以簡化控制系統(tǒng)的復(fù)雜度.通過PLC的可編程技術(shù)，能夠使污水處理過程得到最優(yōu)控制.

1 污水處理基本原理

1.1 污水分類

污水一般分為3類，即工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)污水、日常生活相關(guān)污水和混合類型污水.工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的污水和工業(yè)生產(chǎn)及產(chǎn)品類型有著直接關(guān)系，各個生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生污水的有害物質(zhì)比較固定，在排入城市污水管網(wǎng)時(shí)都要做預(yù)處理，預(yù)處理的目的比較明確，處理的方法比較固定.日常生活相關(guān)污水主要來自居民生活產(chǎn)生的污水以及不同單位、餐飲、娛樂等場所產(chǎn)生的污水.污水的污染度比較低，但是污染物的種類比較繁多.混合類型污水主要是由降水沖刷地面以及建筑物外表面所形成的，這種污水的污染度和污染物種類相比于上一種污水要更復(fù)雜.

1.2 污水水質(zhì)指標(biāo)

污水的水質(zhì)指標(biāo)一般也從3個方面來考慮，分別是物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和微生物指標(biāo).物理指標(biāo)主要是物理方面的特征，例如，污水的溫度，污染物的濃度，污染物的顆粒度大小以及污染物的氣味等.通過物理指標(biāo)可以直觀地對污水進(jìn)行一定的了解.化學(xué)指標(biāo)主要是從污染物的化學(xué)成分來衡量，工業(yè)污水根據(jù)廠礦所處的行業(yè)，分為無機(jī)物和有機(jī)物.生活污水主要是指有機(jī)物.無機(jī)物污染物主要從pH酸堿度、非金屬類的氯硫磷以及金屬類污染物來進(jìn)行分析.有機(jī)物由于其種類特別多，所有有機(jī)污染物又從碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)角度來分析.由于污水中大量有機(jī)物的存在，為相關(guān)微生物提供了良好的生存環(huán)境.微生物指標(biāo)中主要分析病毒、細(xì)菌和對人有毒害的微生物.

1.3 污水處理方法

根據(jù)污水水質(zhì)指標(biāo)，污水處理的方法主要從物理、化學(xué)和微生物方面來處理.物理處理方法主要通過沉淀、過濾等相關(guān)物理方法將污水中的顆粒較大且不溶于水的污染物預(yù)先處理.化學(xué)處理方法主要是通過化學(xué)反應(yīng)方法，根據(jù)污水中的化學(xué)成分，使用相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)去平衡中和污染物，并將有機(jī)物變?yōu)楦€(wěn)定的無機(jī)物.微生物處理方法是污水處理方法中最重要的部分.其基本方法是通過微生物的降解作用，將化學(xué)處理方法中難以降解的無機(jī)物，降解為穩(wěn)定的無機(jī)物.對于有害的微生物，根據(jù)其喜氧與厭氧的特性，對其進(jìn)一步處理.

1.4 污水處理分級

一般的污水處理分為3級，第一級處理主要使用物理的處理方法，通過過濾、沉淀將污水中的懸浮顆粒以及懸浮物去除掉，為后續(xù)的處理階段降低壓力.一級的處理流程如圖1所示.

圖1 一級處理流程

污水二級處理主要使用化學(xué)和生物的處理方法，主要處理污水中的溶解性污染物.通過離子交換以及滲透膜等方法大幅度降低污水中的有機(jī)物含量.在二級處理之后基本上能夠達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn).二級處理流程如圖2所示.

圖2 二級處理流程

三級處理的要求很高，主要目的是凈化水質(zhì)并消毒殺菌等.三級處理后的水就可以回收利用.由于三級處理的成本很高，所以很多污水處理廠并沒有使用三級處理.

2 基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

污水處理的復(fù)雜性決定了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性.在諸多控制對象中既有模擬量又有0/1型的開關(guān)量，在控制的時(shí)序上既有實(shí)時(shí)控制又有順序控制等.在系統(tǒng)運(yùn)行期間有很多開關(guān)量需要檢測，而實(shí)際的污水處理設(shè)備的各個部分在空間上相距比較遠(yuǎn)，增加了檢測和控制的難度.

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

污水處理控制系統(tǒng)屬于典型的工業(yè)控制范疇.采用PC計(jì)算機(jī)加PLC控制器的結(jié)構(gòu).PC計(jì)算機(jī)以其強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲和控制能力，承擔(dān)著整個系統(tǒng)的控制、存儲和人機(jī)交互工作.PC計(jì)算機(jī)通過通信網(wǎng)絡(luò)可以方便地控制PLC，并從PLC中獲得反饋狀態(tài)及數(shù)據(jù)，根據(jù)反饋的狀態(tài)值和數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的控制及存儲.PLC通過輸入輸出接口控制潛水泵、步進(jìn)電機(jī)等相關(guān)受控設(shè)備.傳感器網(wǎng)絡(luò)通過輸入輸出接口將測量的過程量反饋給PLC控制器，并進(jìn)一步傳送到PC計(jì)算機(jī)，便可以得知當(dāng)前的狀態(tài)，為下一步的操作提供依據(jù).整個系統(tǒng)通過人機(jī)交互獲得控制模式，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得實(shí)時(shí)的檢測數(shù)據(jù)，通過檢測數(shù)據(jù)的動態(tài)對控制過程進(jìn)行調(diào)整，使控制的結(jié)果趨于最優(yōu)化.控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[4]59-61.

圖3 污水處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)的污水處理行業(yè)所選用的PLC種類很多，常用的有施耐德PLC、三菱PLC以及西門子PLC.各公司的PLC都有自身的控制優(yōu)點(diǎn)，在污水處理方面均能滿足基本要求.在大型程序的編寫，使用的靈活性，程序及數(shù)據(jù)下載的方便性能滿足日常需要.本系統(tǒng)從現(xiàn)場的實(shí)際情況和性價(jià)比的角度上選用西門子的S7-300型PLC.該款PLC屬于中小模型PLC，在污水處理上能夠滿足數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制.S7-300內(nèi)部模塊有數(shù)字量、模擬量、信號、電源和通信模塊等，這不僅能滿足控制需要也方便安裝固定.

S7-300包含的指令集豐富，程序運(yùn)行時(shí)處理的速度較快，編程較為靈活，控制結(jié)構(gòu)層次分明.西門子公司的PLC編程環(huán)境功能強(qiáng)大，編程界面直觀，簡單易學(xué)，編程語言可以使用編程語句、功能圖塊以及梯形圖，編程靈活自由.S7-300的主要功能有：通信地址配置、參數(shù)設(shè)置、硬件配置、程序存儲、網(wǎng)絡(luò)模型和軟件編程.由于其完善的平臺、較高的性價(jià)比，選用S7-300作為控制器，能夠滿足工業(yè)控制大多數(shù)情況.

2.2 液位控制

污水處理的控制過程有很多，其中關(guān)鍵的一個是沉淀池的液位控制.沉淀池的液位高低，決定了沉淀池中污水量的多少，污水量的多少決定藥劑投放量的多少、處理時(shí)間的長短等，因此，液位控制是一個關(guān)鍵的指標(biāo).液位控制是控制領(lǐng)域中的一個經(jīng)典控制，相關(guān)的控制算法非常多.由于污水屬于不可壓縮流體，無論哪種控制算法，要想保證液位的恒定，只需要保證流入與流出的體積相同即可.無論是流入還是流出，一般是通過潛水泵和閥門來控制，設(shè)進(jìn)口潛水泵的功率為pi，進(jìn)口閥門開度為θi，則進(jìn)口流入的體積為Vi=λipiθi，其中λi為固定常數(shù)，由系統(tǒng)決定.同理，出口潛水泵功率為po，出口閥門開度為θo，出口流出的體積為Vo=λopoθo.如果要保證液位恒定即Vi=Vo，λipiθi=λopoθo.可以通過調(diào)整潛水泵的功率或者閥門的開度保證液位的恒定.同理，要想實(shí)現(xiàn)液位的上升或者下降，只需要調(diào)整潛水泵的功率或者閥門的開度就可實(shí)現(xiàn).

2.3 通信設(shè)計(jì)

為了保證PC計(jì)算機(jī)與PLC控制器之間數(shù)據(jù)暢通，本系統(tǒng)選用現(xiàn)場總線PROFIBUS.現(xiàn)場總線有多種，常用的有PROFIBUS總線、RS485總線、CAN總線等.每種總線不僅包含線序還有相關(guān)的通信協(xié)議.每種總線均有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)中兼顧可靠與成本考慮，選用PROFIBUS總線.PROFIBUS總線以歐洲標(biāo)準(zhǔn)和德國標(biāo)準(zhǔn)為主，現(xiàn)已獲得多家公司的支持.同時(shí)，PROFIBUS總線的開放性，可以和滿足協(xié)議要求的標(biāo)準(zhǔn)件相連接，現(xiàn)如今全世界有很多公司都能生產(chǎn)PROFIBUS總線的接口設(shè)備.由于PLC控制器選用的是西門子的S7-300，所以現(xiàn)場總線也選用西門子的PROFIBUS-DP總線.

2.4 總體流程

根據(jù)不同污水處理場合的要求，系統(tǒng)控制過程分為手動和自動控制兩種.在手動模式下，每個PLC控制器和相關(guān)設(shè)備可以單獨(dú)控制，在自動控制異常，或者難以跟蹤到最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果時(shí)，使用手動控制.在自動控制下，通過控制模式的設(shè)置，和各個參數(shù)的閾值設(shè)置，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)置自動控制[5]20-21.

3 結(jié)語

隨著國家對環(huán)保的重視度越來越高，污水處理的社會需求也越來越大.對城市的生活污水、工業(yè)生產(chǎn)的廢水等都需要進(jìn)行相應(yīng)的處理.通過PC計(jì)算機(jī)和PLC控制器實(shí)現(xiàn)污水處理的自動化監(jiān)控，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.本系統(tǒng)使用先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了各個部分的可靠通信，解決了空間較遠(yuǎn)難以集中管理的問題，具有較高的實(shí)用性[6]7-15.