工業(yè)污水自動(dòng)化智能處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

陳孟祥，劉倍雄

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，佛山528216）

隨著工業(yè)技術(shù)水平進(jìn)程的加快，工業(yè)污水的排放問題也被提上了日程，污水排放問題直接影響著環(huán)境、人們健康及可持續(xù)發(fā)展，是工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題，也是綠色生產(chǎn)、可持續(xù)生產(chǎn)必備的環(huán)節(jié)[1]。 我國(guó)“十二五”規(guī)劃中的節(jié)能減排工作方案和污水處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，都提到了需要利用合理的污水處理工藝和先進(jìn)的控制方法策略，實(shí)現(xiàn)污水處理節(jié)能減排降耗。 因此，工業(yè)污水處理已經(jīng)成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展及科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略的重要課題之一。 目前污水處理的常規(guī)監(jiān)控方法難以做到快速、 準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，通過中央控制室不易實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)情況，使得用戶難以遠(yuǎn)程把握現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)狀況。 并且在污水處理過程中的多個(gè)底層控制中，比如格柵控制、沉砂池控制、初淀池控制、再循環(huán)控制、漿液過濾控制、泥漿濃縮控制等，難以做到統(tǒng)一控制，如果每種步驟按照一種控制方式，在多個(gè)流程的控制中，就很難做到統(tǒng)籌，且易造成生產(chǎn)成本過高[2]。 因此，目前已經(jīng)難以滿足越來越高的工業(yè)監(jiān)控要求。

基于此，本文提出基于組態(tài)WinCC 軟件的工業(yè)污水自動(dòng)化智能處理系統(tǒng)，通過中央控制室統(tǒng)一部署各個(gè)子控制站的對(duì)底層設(shè)備的控制，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與底層的通信。

1 污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文將遠(yuǎn)程控制中心與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、PLC 可編程控制器、工業(yè)生產(chǎn)用自動(dòng)化組態(tài)軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、電氣自動(dòng)化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)建了工業(yè)污水自動(dòng)化處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)污水的自動(dòng)化控制、檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳等，如圖1 所示。

圖1 工業(yè)污水處理流程Fig.1 Industrial wastewater treatment flow chart

本文設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)通過工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令， 自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括中央控制室、子控制站，通過呈分布式排列的PLC 控制站進(jìn)行控制，通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器（比如溫度傳感器、NO2傳感器、DO 傳感器、濕度傳感器、pH 傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、污泥濃度傳感器等）檢測(cè)，儀表顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，電氣控制實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程中的電氣控制[3]。 在操作時(shí)，工作站人員通過系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)控及參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)污水處理過程數(shù)據(jù)的采集，并能夠統(tǒng)計(jì)采集到的數(shù)據(jù)，下載數(shù)據(jù)報(bào)表并打印。 管理人員在服務(wù)器端，通過監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)通訊的方式接收的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并以此為參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況的分析，并根據(jù)管理要求發(fā)出控制、采集等操作指令。

如圖2 所示為污水處理的過程示意圖。 工業(yè)污水排出后， 污水通過污水排放管網(wǎng)流入進(jìn)水井，再通過進(jìn)水井將污水流入粗格柵。 通過粗格柵過濾體積比較大的固體，以及固體懸浮物，然后通過提升泵提升污水，將污水流入細(xì)格柵，進(jìn)一步過濾污水中存在的比較細(xì)的漂浮物以及污水浮渣。 該過程的控制通過西門子公司的S7-300、S7-200 系列以及歐姆龍公司的CJ1W 系列的PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)的方式將各個(gè)子控制站和中央控制室連接起來，形成完整、閉合的通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

圖2 工業(yè)污水控制系統(tǒng)Fig.2 Industrial wastewater control system

然后，再通過計(jì)量渠將經(jīng)過細(xì)格柵的污水流入曝氣沉砂池，進(jìn)一步作污砂分離，將污水中顆粒較大的沙塵過濾掉。 經(jīng)過沉砂池的污水在經(jīng)過初淀池作進(jìn)一步的沉淀。 為了更徹底處理污水中的塵垢，將經(jīng)過初淀池后的污水經(jīng)過生物處理，使得污水中的渣垢通過微生物代謝。 在該步驟中，可加入化學(xué)、生物催化劑，加速代謝[5]。 生化處理后的污水流入二沉池，在二沉池中經(jīng)由紫外線照射、消毒，最后進(jìn)行混凝沉淀、過濾，為了進(jìn)一步提高純凈度，在過濾后的污水中，利用再循環(huán)裝置再次混凝、沉淀，最后進(jìn)行消毒、出水[6]。

另一部分通過初淀池后的污水可以根據(jù)用戶需求另做處理， 比如通過漿液過濾裝置進(jìn)行過濾，經(jīng)過漿液過濾裝置后的污水通過泥漿濃縮裝置濃縮，濃縮后的污水流入固液分離裝置，然后用戶根據(jù)固體和液體的用途進(jìn)行處理[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 再循環(huán)裝置設(shè)計(jì)

再循環(huán)裝置能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行雙重過濾和超濾，降低了污水內(nèi)懸浮物的含量，便于將污水內(nèi)的細(xì)菌和有害物質(zhì)過濾，提高污水凈化的效果。 除此，還能夠清潔濾網(wǎng)，提高過濾網(wǎng)的清潔度，其整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 再循環(huán)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the overall structure of the recycling device

該裝置包括支撐板，支撐板的上端一側(cè)固定有攪拌箱，攪拌箱內(nèi)設(shè)有攪拌腔，攪拌腔內(nèi)設(shè)有攪拌裝置。 攪拌腔內(nèi)的底部固定有水泵，水泵的一端連接有連接管[8]。 支撐板的上端另一側(cè)固定有過濾罐，過濾罐內(nèi)設(shè)有空腔， 空腔內(nèi)的頂部貫穿設(shè)有套筒，套筒的下端設(shè)有初濾裝置， 空腔內(nèi)設(shè)有連接板，連接板的下端固定有多個(gè)連接桿，多個(gè)連接桿上共同包覆有超濾膜，多個(gè)連接桿的下端共同固定有錐形筒，錐形筒的一端依次貫穿空腔內(nèi)的底部和支撐板并延伸至支撐板的下端，錐形筒的下端連接有出水管，空腔內(nèi)底部?jī)A斜設(shè)置，空腔內(nèi)的一端側(cè)壁上貫穿設(shè)有出水管，過濾罐的一側(cè)固定有真空泵，真空泵上連接有真空管，真空管的一端依次貫穿過濾罐和連接板并延伸至連接板的下端。

在本技術(shù)方案中，通過攪拌裝置、水泵和初濾裝置之間的配合，便于對(duì)污水進(jìn)行過濾，解決了污水內(nèi)懸浮物較多的問題，達(dá)到了將污水內(nèi)懸浮物凝結(jié)并進(jìn)行雙重過濾的效果，有利于將污水內(nèi)懸浮物分離。 在本技術(shù)方案中，通過超濾膜、錐形筒和真空泵之間的配合，解決了污水內(nèi)小分子有害物質(zhì)不方便過濾的問題，達(dá)到了將污水內(nèi)的細(xì)菌和有害物質(zhì)過濾的效果，進(jìn)一步凈化污水[9]。

2.2 固液分離裝置設(shè)計(jì)

固液分離裝置能夠快速打撈污水的固體雜質(zhì)，通過對(duì)固體雜質(zhì)擠壓和甩干來進(jìn)行脫水，從而將固體雜質(zhì)中的污水?dāng)D出， 以更好地對(duì)污水進(jìn)行處理，其整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 固液分離裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the overall structure of the solid-liquid separation device

固液分離裝置包括污水池，污水池內(nèi)設(shè)有打撈裝置，打撈裝置上設(shè)有連接管，連接管一側(cè)設(shè)有擠壓裝置，擠壓裝置上設(shè)有輸料管，輸料管的下端貫穿設(shè)有承載箱，且承載箱的一側(cè)固定在污水池的一側(cè)，輸料管的下端設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)桿裝置上設(shè)有套管，且套管的下端延伸至承載箱的下端，套管上等間距設(shè)有多個(gè)通孔， 且通孔均位于承載箱內(nèi)，套管的下端延伸至承載箱的下端，套管上設(shè)有閉合裝置，承載箱的另一側(cè)固定有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和套管之間通過傳動(dòng)帶傳動(dòng)連接。

在本技術(shù)方案中，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸料管、螺旋輸料桿和通孔進(jìn)行配合， 能快速打撈污水池內(nèi)的固體雜質(zhì)，便于進(jìn)行后續(xù)處理，且通孔的設(shè)置便于污水回流， 從而減少打撈上來雜質(zhì)中污水的含量。 在本技術(shù)方案中，通過其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸料管、螺旋輸料桿的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)固體雜質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、擠壓，進(jìn)而有效地將雜質(zhì)中殘留的污水壓出，使污水回流，有利于對(duì)污水做進(jìn)一步的處理。 通過其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)、第一套筒、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和閉合裝置的配合，在對(duì)固體雜質(zhì)進(jìn)行擠壓的同時(shí)， 能使對(duì)其進(jìn)行甩干脫水，從而能更好地將固體雜質(zhì)中的污水?dāng)D出，進(jìn)而提高污水處理的質(zhì)量，便于收集固體雜質(zhì)，以便處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文采用上位組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)與中央控制室以及子控制站的通訊，并對(duì)多個(gè)子控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過顯示儀表顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，污水處理的控制示意圖如圖5 所示。 在啟動(dòng)軟件時(shí)，采用上位組態(tài)軟件配備WinCC 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理系統(tǒng)的組態(tài)，WinCC 具有集成的人機(jī)界面（MHI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的工業(yè)適應(yīng)性，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、報(bào)警提示、消息歸檔、報(bào)表等功能。WinCC還提供各種PLC 控制下系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件，使得PLC 非常容易地與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。

圖5 控制流程Fig.5 Flow chart of control

在進(jìn)行污水處理時(shí)，用戶通過軟件編程將污水處理的各種指令輸入到軟件。 通過上位機(jī)向底層發(fā)出控制命令而實(shí)施。 底層設(shè)備包括但不局限于格柵控制、沉砂池控制、初淀池控制、再循環(huán)控制、漿液過濾控制、泥漿濃縮控制等[11]。中央控制室接收上位機(jī)的控制指令，根據(jù)控制的類型，將命令分發(fā)給各個(gè)子控制室內(nèi)，不同的子控制室再將控制值傳遞給其范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 比如，在通過水泵將污水泵出時(shí)，通過液位計(jì)檢測(cè)水位信息，然后將檢測(cè)到的水位數(shù)據(jù)饋送至控制運(yùn)算器，PLC 可編程控制器將水位傳感器檢測(cè)的檢測(cè)值與預(yù)期的設(shè)定值之間的差來控制水泵的運(yùn)行[12]。 如果水位升高到設(shè)定的水位時(shí)，水泵根據(jù)PLC 可編程控制器根據(jù)設(shè)定的程序開始運(yùn)行；如果水位降低到設(shè)定的程度值時(shí)，啟動(dòng)程序自動(dòng)控制水泵按照設(shè)定的程序關(guān)閉。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常為電磁閥、伺服電機(jī)、電缸等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為水泵等。 當(dāng)執(zhí)行沉砂工作時(shí)，控制沉砂的子控制室將控制命令傳遞到控制沉砂的PLC 可編程控制器，則執(zhí)行沉砂操作[13]。當(dāng)需要執(zhí)行再循環(huán)工作時(shí)，控制再循環(huán)裝置的子控制室將控制命令傳遞到再循環(huán)裝置的PLC 可編程控制器，則可執(zhí)行再循環(huán)操作。 底層工作現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)軟件組態(tài)顯示工藝流程畫面[14]。 本文設(shè)計(jì)的組態(tài)軟件能夠生動(dòng)、形象地顯示污水處理情況。 比如顯示現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，通過文字、圖形的方式來顯示給用戶。 污水處理過程中的工作參數(shù)，比如溫度、濕度、液位、流量、壓力等可清楚地顯示[15]。 被控制的沉砂池、初淀池、再循環(huán)、漿液過濾、泥漿等各個(gè)模擬量參數(shù)通過趨勢(shì)曲線圖顯示給用戶使用。 根據(jù)用戶需要可進(jìn)行模擬量的數(shù)據(jù)歸檔、組態(tài)報(bào)表打印等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過設(shè)計(jì)出一套工業(yè)污水智能處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)污水自動(dòng)化沉淀、過濾，采用西門子公司的S7-300、S7-200 系列以及歐姆龍公司的CJ1W 系列的PLC 控制系統(tǒng)對(duì)各模塊進(jìn)行控制操作，實(shí)現(xiàn)了污水處理的自動(dòng)化控制過程。 并通過工業(yè)以太網(wǎng)與各個(gè)子控制站和中央控制室信息通訊，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，并配備上位組態(tài)WinCC 軟件實(shí)時(shí)顯示。 本文設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)耗能少、成本低、易實(shí)現(xiàn)。 通過在污水處理廠試運(yùn)行，大大滿足了污水自動(dòng)化處理的要求，提高了污水處理效率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。