鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉甘霖 胡 智 王俊亞

(湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 十堰：442000)

隨著人們對環(huán)境質(zhì)量要求的提高，對污水處理排放要求也越來越高。城市大型污水處理廠技術(shù)成熟，自動化程度較高，可以滿足污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求。而鄉(xiāng)鎮(zhèn)小型污水處理廠面臨資金有限，管理未到位等情況，導(dǎo)致部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠自動化生產(chǎn)水平不高，設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，影響污水處理效率及排放效果。本文以某市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠改造項(xiàng)目為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理PLC自動控制系統(tǒng)，分別從工藝流程、總體設(shè)計(jì)、自控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)來闡述該控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對分散的各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備的集中控制。

1 小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠工藝流程

小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠一般采用BL水循環(huán)處理工藝、CASS污水處理工藝、A2O污水處理工藝[1-2]。本文采用A2O(厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷)污水處理工藝，該工藝在厭氧、缺氧、好氧三種不同環(huán)境條件和不同種類微生物菌群的有機(jī)配合，能同時(shí)具有除去有機(jī)物、脫氮除磷的功能，該工藝流程最為簡單，總的水力停留時(shí)間也少于同類其他工藝[3-4]。根據(jù)廠區(qū)實(shí)際的工藝流程繪制的整體工藝流程圖如圖1所示。

圖1 小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠工藝流程

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本控制系統(tǒng)適用于小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠，采用計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控污水處理過程參數(shù)，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)場設(shè)立小型控制柜直接控制設(shè)備運(yùn)行，由普通電纜及工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行信號傳輸與控制，控制系統(tǒng)按功能包含格柵控制、提升泵控制、生物池控制、加藥機(jī)控制、沉淀池監(jiān)控、濾布濾池狀態(tài)檢測等?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

其中濾布濾池和加藥機(jī)為第三方設(shè)備產(chǎn)品，濾布濾池是由smart200PLC控制的整機(jī)設(shè)備，工藝要求上位機(jī)顯示其內(nèi)部液位。加藥機(jī)由計(jì)量泵及簡單控制電路組成，PLC主系統(tǒng)需控制其工作時(shí)間。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采用西門子1500PLC作為控制器，WinCC開發(fā)人機(jī)交互界面，硬件按功能不同分為水泵控制系統(tǒng)、儀表信息采集系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)、與其他廠商設(shè)備通信系統(tǒng)，其PLC部分在博途15上的硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖3所示。

圖3 PLC硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)連接圖

水泵控制系統(tǒng)主要由提升泵及潛水排污泵組成，根據(jù)工藝要求放置在不同的位置，水泵均由變頻器直接控制，通過PLC給變頻器控制信號控制水泵啟停及轉(zhuǎn)速控制及頻率反饋；儀表信息采集系統(tǒng)主要由各工藝環(huán)節(jié)的測量儀表組成，有液位計(jì)、液位差計(jì)、污泥濃度計(jì)、PH計(jì)、污泥界面儀、溶解氧、流量計(jì)、風(fēng)機(jī)壓力儀表，各儀表通過4-20mA信號連接至PLC模擬量模塊；風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要為三臺羅茨風(fēng)機(jī)，由于單臺風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間不宜過長，需要按設(shè)定時(shí)間循環(huán)依次啟動工作，同一時(shí)間段只需一臺風(fēng)機(jī)工作即可產(chǎn)生足夠管道壓力，進(jìn)行曝氣作業(yè)；閥門控制主要為開關(guān)控制，閥門硬件支持開關(guān)到位自動停止，PLC提供開關(guān)信號，由上位機(jī)顯示閥門開關(guān)狀態(tài)；通信系統(tǒng)主要與第三方設(shè)備濾布濾池進(jìn)行通信，上位機(jī)需要顯示濾布濾池中的液位狀態(tài)，濾布濾池控制器為西門子smart200PLC，通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信連接。

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)污水處理工藝要求，主要閥門與水泵要求時(shí)間控制和液位控制。其中，提升泵及潛水排污泵均以液位控制；加藥機(jī)需要按規(guī)定時(shí)間定量進(jìn)行加藥操作，因加藥機(jī)為整體設(shè)備具有定量控制功能，PLC只需定時(shí)提供開啟信號即可；羅茨風(fēng)機(jī)因壓縮空氣對生物池進(jìn)行曝氣，而壓縮機(jī)不能長時(shí)間工作，工藝要求三臺羅茨風(fēng)機(jī)輪流工作，單機(jī)每次工作時(shí)長不超過二小時(shí)。整個系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件控制流程圖

對于濾布濾池由第三方設(shè)備廠家提供，其主控制器為西門子smart200ST30，工藝要求上位機(jī)能夠顯示其內(nèi)部液位信息，采用PUT/GET指令進(jìn)行通信，只需在smart200端編程即可，在1500主站CPU中的連接機(jī)制中，選擇允許來自遠(yuǎn)程對象的PUT/GET通信訪問，其在smart端通信設(shè)置及指令如圖5所示。

圖5 smartCPU通信設(shè)置及指令

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)操作界面由 WinCC進(jìn)行開發(fā)，主要由工藝流程、粗格柵及沙水分離、細(xì)格柵、排污泵及加藥機(jī)、生物池、沉淀池、濾布濾池、紫外線及排江、設(shè)備控制、報(bào)警記錄組成，工藝流程界面顯示整個處理過程參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，分界面進(jìn)行各環(huán)節(jié)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及狀態(tài)顯示，工藝流程主界面如圖6所示。

圖6 工藝流程主界面

5 結(jié)束語

本文根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)小型污水處理廠工藝要求，設(shè)計(jì)了以西門子S7-1500 PLC為核心控制器的通用控制系統(tǒng)，采用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)組態(tài)界面，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控整個污水處理過程，實(shí)現(xiàn)對全部廠區(qū)獨(dú)立設(shè)備的集中自動控制，具有操作簡單、使用維護(hù)成本低、穩(wěn)定性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，選用的西門子1500控制器具有較強(qiáng)的通信功能，可以為后期多廠區(qū)聯(lián)網(wǎng)集中控制提供冗余設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行表明，各參數(shù)控制均符合相關(guān)工藝控制要求，自動化程度高，可以有效降低污水處理廠運(yùn)行成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。