污水處理控制系統(tǒng)的設計與實現

李麗榮 趙樹國 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術學院 機電工程系，河北 邯鄲 056005)

1 引言

在水資源日益短缺的今天，做好城市生活污水的再生利用，有利于保護環(huán)境、保護水資源，促進有限水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。隨著計算機技術、控制技術的突飛猛進，污水處理廠的自動化程度也在不斷提高，但是由于資金投入不足、技術力量相對薄弱等因素，很多城市中小型污水處理廠的自動控制水平還比較低，污水處理系統(tǒng)運行的可靠性也有待提高。為此，本文根據某污水處理廠處理工藝，設計和實現了一種基于PLC的城市生活污水模糊控制系統(tǒng)，實現城市生活污水處理系統(tǒng)的自動監(jiān)控，提高了污水處理的技術管理水平，降低能耗，減少運行費用，在“京津冀”協(xié)同發(fā)展背景下該系統(tǒng)具有十分重要的意義。

2 城市污水處理工藝流程

某污水處理廠的城市生活污水的處理采用CASS (Cyclic Activated Sludge System)工藝，全稱為循環(huán)式活性污泥法。CASS的整個工藝為一間歇式反應器，在此反應器中活性污泥法過程按曝氣和非曝氣階段不斷重復，將生物反應過程和泥水分離過程結合在一個池子中進行。在CASS工藝中，在反應池的首部設置生物選擇器，不僅可以快速去除進水中可溶性有機物，并且可以有效地抑制絲狀菌生長和繁殖，消除污泥膨脹。隨著電子計算機的日益普及，CASS工藝由于其投資和運行費用低、處理性能高超，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷功能而越來越得到重視。該工藝已廣泛應用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理。

3 污水處理控制系統(tǒng)的組成

根據該污水處理廠的工藝流程和要求，本控制系統(tǒng)采用上下位機兩級結構。上位機監(jiān)控系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定、抗干擾性能好的工控機，使用工控組態(tài)軟件對上位機監(jiān)控功能進行組態(tài)，設計工藝流程、記錄查詢、報警、報表、參數設定等操作畫面，實現現場設備的監(jiān)控與人機交互。下位機控制系統(tǒng)采用PLC控制技術實現對系統(tǒng)中多個泵、閥門等設備的啟/停、開/關控制，從而使該污水處理系統(tǒng)按照工藝要求完成自動控制。系統(tǒng)整個網絡采用兩層網絡拓撲結構，上位機PC之間以及上位機和下位機PLC之間采用工業(yè)以太網通訊，底層為現場總線，下位機PLC主站和兩個從站之間采用PROFIBUS-DP現場總線通訊。污水處理控制圖如圖1所示。

圖1 污水處理控制系統(tǒng)圖

1#PLC柜位于提升泵房內，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對粗格柵環(huán)節(jié)的液位差計，提升泵房的液位計，細格柵環(huán)節(jié)的PH分析儀、懸浮物在線分析儀、COD在線分析儀、氨氮在線分析儀、1#液位計、2#液位計、出水流量計等各類儀表、執(zhí)行設備的數據采集和控制。2#PLC柜位于變配電間內，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對CASS池A1內溶解氧分析儀、懸浮物分析儀、液位計，CASS池A2內懸浮物分析儀、液位計，CASS池A進氣管流量計、CASS池B進氣管流量計，鼓風機出口總管流量計等各類儀表、執(zhí)行設備的數據采集和控制，電氣控制原理圖如圖2所示。3#PLC柜位于污泥脫水間，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對中間提升泵房的液位計，儲泥池內的液位計、懸浮物分析儀、進泥管道流量計，接觸池內硝氮在線分析儀、出水管道流量計、COD在線分析儀、懸浮物分析儀等各類儀表、執(zhí)行設備的數據采集和控制。

圖2 2#PLC工作站系統(tǒng)配置圖

2#PLC工作站為主站，位于變配電間內，CPU具體型號選擇S7-300系列中應用廣泛的CPU315-2DP。CPU315-2DP具有大中規(guī)模的程序容量，對二進制和浮點數有較高的處理性能，它有兩個PROFIBUS-DP主站/從站接口，可用于建立分布式1/0結構和大規(guī)模I/O配置，并且可以通過CP通信卡來擴展其DP接口。2#PLC工作站I/O點統(tǒng)計表如表1所示。

CPU315-2DP帶有128KB集成式RAM，不能擴展。 FB、FC、DB、OB的最大容量都為16KB，FB、FC最大模塊數為2048，DB最大塊數為1023，可以處理的最大模擬量I/O總數為1024個，最大數字量I/0總數為16384個。

表1 2#PLC工作站I/O點統(tǒng)計表

CPU315-2DP需要配置電源，這里選擇了PS307-5A。

4 軟件設計

本污水處理系統(tǒng)下位機PLC編程軟件設計選用的是西門子編程軟件STEP 7，STEP 7 對 PLC 進行編程采用結構化程序，把程序分成多個模塊，各模塊完成相應的功能。每個模塊實際上就是一個子程序，用相應子程序實現特定的功能，再通過主程序來調用子程序，然后再結合起來從而就可以實現復雜的污水處理控制。

本次程序設計中所用到的各個邏輯塊，如圖 3所示。S7-300 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。所有的 FC 邏輯塊均放在OB 塊中進行循環(huán)。OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在啟動完成后，不斷地循環(huán)調用 OB1，在 OB1 中可以調用其他邏輯塊(FB、SFB、FC 或 SFC)。

圖3 創(chuàng)建功能塊

CASS池自動控制，CASS生物池運行周期為4個階段： 進水、曝氣、沉淀、潷水，每個階段由相應的一組設備動作完成。CASS生物池運行周期為 4h，其中進水1h、曝氣2h、沉淀0.5h、潷水0.5h。其控制流程圖如圖4所示。

污水處理控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定、抗干擾性能好的工控機，使用工控組態(tài)軟件KingView6.53對上位機監(jiān)控功能進行組態(tài)，進行工藝流程、記錄查詢、報警、報表、參數設定等操作畫面設計，實現現場設備的監(jiān)控。

圖4 CASS池控制流程圖

該污水處理自動控制系統(tǒng)的整個通信網絡采用兩層網絡拓撲結構，上層為工業(yè)以太網，用于上位機PC之間以及上位機和下位機PLC之間的通訊，底層為PROFIBUS-DP現場總線，用于下位機PLC主站和從站之間的通訊。

5 結束語

基于PLC 控制的生活污水處理控制系統(tǒng)實現了系統(tǒng)中多個泵及閥門的啟/停、開/關控制，實現了生活污水處理過程的自動化操作；同時，采用組態(tài)王軟件對上位機監(jiān)控功能進行組態(tài)，設計了多個監(jiān)控操作畫面，實現了現場設備的監(jiān)控。通過測試，達到了預期要求。