工業(yè)污水自動化智能處理系統(tǒng)的設計與研究

陳孟祥，劉倍雄

（廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院 機電工程系，佛山528216）

隨著工業(yè)技術(shù)水平進程的加快，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“十二五”規(guī)劃中的節(jié)能減排工作方案和污水處理設施建設規(guī)劃，都提到了需要利用合理的污水處理工藝和先進的控制方法策略，實現(xiàn)污水處理節(jié)能減排降耗。 因此，工業(yè)污水處理已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展及科學發(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、 準確、動態(tài)地監(jiān)控現(xiàn)場，通過中央控制室不易實時顯示現(xiàn)場的檢測情況，使得用戶難以遠程把握現(xiàn)場的檢測狀況。 并且在污水處理過程中的多個底層控制中，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)污水自動化智能處理系統(tǒng)，通過中央控制室統(tǒng)一部署各個子控制站的對底層設備的控制，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與底層的通信。

1 污水處理系統(tǒng)設計

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

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

本文設計的污水處理系統(tǒng)通過工業(yè)控制計算機發(fā)出控制指令， 自動化控制系統(tǒng)包括中央控制室、子控制站，通過呈分布式排列的PLC 控制站進行控制，通過現(xiàn)場傳感器（比如溫度傳感器、NO2傳感器、DO 傳感器、濕度傳感器、pH 傳感器、可燃氣體傳感器、污泥濃度傳感器等）檢測，儀表顯示檢測數(shù)據(jù)，電氣控制實現(xiàn)檢測過程中的電氣控制[3]。 在操作時，工作站人員通過系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)控及參數(shù)設置，實現(xiàn)對工業(yè)污水處理過程數(shù)據(jù)的采集，并能夠統(tǒng)計采集到的數(shù)據(jù)，下載數(shù)據(jù)報表并打印。 管理人員在服務器端，通過監(jiān)控工業(yè)以太網(wǎng)通訊的方式接收的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并以此為參考，實現(xiàn)對現(xiàn)場運行情況的分析，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)流入進水井，再通過進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，將污水流入細格柵，進一步過濾污水中存在的比較細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)進行控制，并通過工業(yè)以太網(wǎng)的方式將各個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，實現(xiàn)現(xiàn)場檢測的實時監(jiān)控[4]。

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

然后，再通過計量渠將經(jīng)過細格柵的污水流入曝氣沉砂池，進一步作污砂分離，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、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，最后進行混凝沉淀、過濾，為了進一步提高純凈度，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行處理[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)設計

2.1 再循環(huán)裝置設計

再循環(huán)裝置能夠?qū)ξ鬯M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)設有攪拌腔，攪拌腔內(nèi)設有攪拌裝置。 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)設有空腔， 空腔內(nèi)的頂部貫穿設有套筒，套筒的下端設有初濾裝置， 空腔內(nèi)設有連接板，連接板的下端固定有多個連接桿，多個連接桿上共同包覆有超濾膜，多個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)底部傾斜設置，空腔內(nèi)的一端側(cè)壁上貫穿設有出水管，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，便于對污水進行過濾，解決了污水內(nèi)懸浮物較多的問題，達到了將污水內(nèi)懸浮物凝結(jié)并進行雙重過濾的效果，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，達到了將污水內(nèi)的細菌和有害物質(zhì)過濾的效果，進一步凈化污水[9]。

2.2 固液分離裝置設計

固液分離裝置能夠快速打撈污水的固體雜質(zhì)，通過對固體雜質(zhì)擠壓和甩干來進行脫水，從而將固體雜質(zhì)中的污水擠出， 以更好地對污水進行處理，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)設有打撈裝置，打撈裝置上設有連接管，連接管一側(cè)設有擠壓裝置，擠壓裝置上設有輸料管，輸料管的下端貫穿設有承載箱，且承載箱的一側(cè)固定在污水池的一側(cè)，輸料管的下端設有轉(zhuǎn)動裝置，轉(zhuǎn)動桿裝置上設有套管，且套管的下端延伸至承載箱的下端，套管上等間距設有多個通孔， 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，套管上設有閉合裝置，承載箱的另一側(cè)固定有驅(qū)動電機，驅(qū)動電機和套管之間通過傳動帶傳動連接。

在本技術(shù)方案中，通過驅(qū)動電機、輸料管、螺旋輸料桿和通孔進行配合， 能快速打撈污水池內(nèi)的固體雜質(zhì)，便于進行后續(xù)處理，且通孔的設置便于污水回流， 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)動電機、輸料管、螺旋輸料桿的配合，實現(xiàn)對固體雜質(zhì)進行轉(zhuǎn)動、擠壓，進而有效地將雜質(zhì)中殘留的污水壓出，使污水回流，有利于對污水做進一步的處理。 通過其他驅(qū)動電機、第一套筒、轉(zhuǎn)動裝置和閉合裝置的配合，在對固體雜質(zhì)進行擠壓的同時， 能使對其進行甩干脫水，從而能更好地將固體雜質(zhì)中的污水擠出，進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 軟件設計

本文采用上位組態(tài)軟件實現(xiàn)與中央控制室以及子控制站的通訊，并對多個子控制站進行實時監(jiān)控，通過顯示儀表顯示檢測數(shù)據(jù)，污水處理的控制示意圖如圖5 所示。 在啟動軟件時，采用上位組態(tài)軟件配備WinCC 軟件實現(xiàn)對污水處理系統(tǒng)的組態(tài)，WinCC 具有集成的人機界面（MHI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)[10]。該系統(tǒng)具有很強的工業(yè)適應性，能夠進行數(shù)據(jù)可視化、報警提示、消息歸檔、報表等功能。WinCC還提供各種PLC 控制下系統(tǒng)驅(qū)動軟件，使得PLC 非常容易地與上位計算機進行連接。

圖5 控制流程Fig.5 Flow chart of control

在進行污水處理時，用戶通過軟件編程將污水處理的各種指令輸入到軟件。 通過上位機向底層發(fā)出控制命令而實施。 底層設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的控制指令，根據(jù)控制的類型，將命令分發(fā)給各個子控制室內(nèi)，不同的子控制室再將控制值傳遞給其范圍內(nèi)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。 比如，在通過水泵將污水泵出時，通過液位計檢測水位信息，然后將檢測到的水位數(shù)據(jù)饋送至控制運算器，PLC 可編程控制器將水位傳感器檢測的檢測值與預期的設定值之間的差來控制水泵的運行[12]。 如果水位升高到設定的水位時，水泵根據(jù)PLC 可編程控制器根據(jù)設定的程序開始運行；如果水位降低到設定的程度值時，啟動程序自動控制水泵按照設定的程序關(guān)閉。 驅(qū)動機構(gòu)通常為電磁閥、伺服電機、電缸等，執(zhí)行機構(gòu)為水泵等。 當執(zhí)行沉砂工作時，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]。當需要執(zhí)行再循環(huán)工作時，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)場根據(jù)軟件組態(tài)顯示工藝流程畫面[14]。 本文設計的組態(tài)軟件能夠生動、形象地顯示污水處理情況。 比如顯示現(xiàn)場采集的模擬量信號和數(shù)字量信號，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、泥漿等各個模擬量參數(shù)通過趨勢曲線圖顯示給用戶使用。 根據(jù)用戶需要可進行模擬量的數(shù)據(jù)歸檔、組態(tài)報表打印等。

4 結(jié)語

本文通過設計出一套工業(yè)污水智能處理系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)污水自動化沉淀、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)對各模塊進行控制操作，實現(xiàn)了污水處理的自動化控制過程。 并通過工業(yè)以太網(wǎng)與各個子控制站和中央控制室信息通訊，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時上傳，并配備上位組態(tài)WinCC 軟件實時顯示。 本文設計的污水處理系統(tǒng)耗能少、成本低、易實現(xiàn)。 通過在污水處理廠試運行，大大滿足了污水自動化處理的要求，提高了污水處理效率，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。