污水處理自動控制系統(tǒng)的設計研究

陳暉

（中興軟件技術(shù)（濟南）有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

污水處理就是對污水進行凈化處理的過程，通過特定的技術(shù)或方法將污水中含有的污染物分離或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，污染物包括有機污染物、固體懸浮物、氨氮、磷、細菌等。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)自動化程度低，且處理效果差強人意，因此研究如何提高污水處理效果及效率的問題具有重要的現(xiàn)實意義。

1 污水處理原理及基本流程

目前針對要求不是太高的生活污水的處理，最常用的方法就是厭氧–缺氧–好氧處理，也稱為A2/O處理法，整個污水處理控制流程主要有三個環(huán)節(jié)，即預處理、污水處理及污泥處理等，其中污水預處理是污水處理的第一道工序，主要是利用物理方法將污水中的污染物質(zhì)分離出來，物理方法處理設備包括粗格柵、污水提升泵房、細格柵、曝氣沉砂池及初沉池等。經(jīng)過預處理可以將污水中的雜物初步分離出來，各污水處理環(huán)節(jié)輸送較為純凈的污水。污水處理是整個污水處理控制過程的核心環(huán)節(jié)，其包括生物反應池、二沉池、?？萍拔勰嗷亓鞅梅?、接觸消毒池等，污水經(jīng)過初沉池的沉淀后再通過生物反應池進行脫氮除磷處理，經(jīng)過處理的污水進入二次沉淀池進行沉淀、澄清，再輸送至混合反應池；經(jīng)過處理的清潔水在接觸消毒池進行消毒、過濾處理，再經(jīng)過出水提升泵房排出。污水處理過程中所產(chǎn)生的污泥會經(jīng)過壓縮及脫水處理，以提高后續(xù)運輸?shù)谋憷訹1-2]。

2 污水處理自動控制系統(tǒng)硬件設計

本研究提出的污水處理自動控制系統(tǒng)硬件設計如下：

2.1 上位機選擇

在污水處理自動控制系統(tǒng)中，上位機主要對整個工藝流程進行監(jiān)控，并存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)信息，上位機設置于中央控制室，會對系統(tǒng)的整體性能指標及設備運行情況起到?jīng)Q定性作用，因此要根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)條件及其他實際情況選擇安全性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的上位機。上位機包括工控機、液晶顯示器、交換機等，本研究中的監(jiān)控主機選擇某品牌IPC-610H型號，4u高上架式機箱支持14個卡，電源250W，雙前置帶過濾冷風扇，前置USB、PS接口，內(nèi)存2G DDRII 800，可擴展至4G，硬盤內(nèi)存500G。液晶顯示器采用AOC C27B1H，為保證畫面的完整性，減少邊緣損失，采用27英寸1700R中心曲率大屏，178°全景廣視角。交換機采用非管理型N-TRON7018FX2千兆容量工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

2.2 下位機選擇

下位機主要是PLC，即可編程邏輯控制器，為滿足污水處理自動控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制需求，本研究的控制中心選擇西門子公司的S7-300PLC，其支持污水處理過程的全程監(jiān)控，能夠?qū)Ω魃a(chǎn)設備實現(xiàn)準確控制，保證生產(chǎn)調(diào)度的合理性及系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。該型號PLC的模塊擴展功能有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的分布式配置，縮短了循環(huán)周期，指令集功能更強大。S7-300PLC包括中央控制器及各種模塊部件，電源模塊與接口模塊可選，每個機架上功能模塊與信號模塊數(shù)量控制在8個以內(nèi)。該PLC可根據(jù)現(xiàn)場需要搭配CPU，根據(jù)系統(tǒng)控制設備輸入與輸出的點數(shù)確定PLC模塊型號與數(shù)量，本研究中整個污水處理控制系統(tǒng)需要SM331/8模擬量輸入通道AI模塊11個，輸入通道AO模塊1個，SM321/32數(shù)字量輸入通道DI模塊13個，輸出通道DO模塊5個[3]。

2.3 傳感器的選擇

傳感器的主要作用是采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中所用的傳感器包括超聲波液位傳感器、懸浮物濃度傳感器、COD傳感器、pH與氧化還原電位組合傳感器、溶解氧傳感器、電磁流量傳感器等。其中超聲波液位傳感器由換能器發(fā)出高頻超聲波脈沖，接收部分遇到被測介質(zhì)表面被反射回來的反射回波，將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至系統(tǒng)中。本研究根據(jù)污水處理中液體渾濁程度、反應池大小選擇FDU96-RG4AA探頭，該型號探頭為非接觸式，可用于檢測各種液體及固體，包括侵蝕性介質(zhì)及變介電常數(shù)。懸浮物濃度傳感器是利用紅外光實現(xiàn)被測物質(zhì)的濃度檢測，本研究采用SS傳感器，型號CUS51DAAC1B2。COD傳感器主要檢測采集到的樣品，COD是指利用化學氧化劑將水中還原性物質(zhì)氧化分解所需要的氧量，反映的是水體受有機物污染的程度，是評價水體污染的重要指標，本研究COD傳感器采用CA71COD-B10C2A4。pH值與氧化還原電位組合傳感器包括兩個測量電極，其中玻璃電極測量pH值，金屬電極測量氧化還原電閏，本研究中采用CPS12D-2BA5GSA組合傳感器。溶解氧傳感器主要檢測溶解于水溶液內(nèi)氧氣的含量，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)節(jié)溶解氧參數(shù)，提高污水處理生物反應過程的高效性。本研究中采用COS61D-AAA1B2溶解氧傳感器。電磁流量傳感器主要測量導電液體瞬間流量與體積流量，其包括電磁流量計與電磁流量變送器，本研究采用53W-1HHC0B1AC分體式電磁流量傳感器[4]。

3 污水處理自動控制系統(tǒng)軟件設計

污水處理自動控制系統(tǒng)中，中央控制站與現(xiàn)場PLC通訊，獲取數(shù)據(jù)趨勢、報警狀態(tài)、報表情況及連接數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)處理、工藝設備監(jiān)控及管理的作用。

3.1 WinCC組狀軟件

WinCC組態(tài)軟件主要作用是提供圖形顯示、消息歸檔、生成報表等，并能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的過程耦合，實現(xiàn)高效的畫面更新，保證數(shù)據(jù)的可靠性。該軟件組態(tài)是一個集成的人機交互界面與監(jiān)控管理系統(tǒng)，為提供一個開放性界面，具有極強的便利性與靈活性。上位機軟件創(chuàng)建了污水處理控制過程的監(jiān)控畫面，并根據(jù)監(jiān)控檢測結(jié)果生成報警記錄、歷史趨勢分析報表等資料。

3.2 PLC控制系統(tǒng)軟件

根據(jù)污水處理自動控制系統(tǒng)的硬件選型完成PLC硬件組態(tài)設計，其中系統(tǒng)組態(tài)主要采用多機架系統(tǒng)，通過接口模塊互相連接，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)生成網(wǎng)絡與網(wǎng)絡站點。CPU如無特殊要求可使用默認參數(shù)，如有特殊要求則根據(jù)實際需求設置CPU模態(tài)的啟動特性、掃描監(jiān)視時間等。設置模塊的可調(diào)參數(shù)，CPU在下載組態(tài)參數(shù)后自動保存PLC啟動后CPU會向其他模塊自動傳送設置參數(shù)，其他模塊被更換也無需重新下載組態(tài)信息[5]。

3.3 污水處理過程控制方案設計

首先，粗格柵過程控制。系統(tǒng)設置兩套粗格柵，每套對應設置一臺格柵除污機，粗格柵前后設置的手動電動方閘門，實現(xiàn)污水流量與流向的控制，兩側(cè)設置超聲波液位差傳感器，再將液位差數(shù)據(jù)通過變送器傳送至PLC，液位差大于設定值格柵除污機自動啟動。其次，經(jīng)過粗格柵流出的污水通過污水提升泵輸送至細格柵，系統(tǒng)根據(jù)流入提各泵污水的液位監(jiān)控潛污泵的啟停及運行，超聲波液位傳感器監(jiān)測污水提升泵的液位數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測結(jié)果傳送至PLC控制器中，實現(xiàn)潛污泵運行狀態(tài)的控制。流入提升泵房的污水液位決定了三個潛污泵的運行狀態(tài)，實際運行過程中，為避免潛污泵液位值降至較低值導致反復啟停，需設置提升泵房的啟動液位值高于低水位停止液位值，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設置氣泵位高度。再次，細格柵過程控制。經(jīng)過提升泵房后污水會流至細格柵，細格柵同樣要設置兩套，各對應一臺除污機，細格柵兩側(cè)設置有超聲波液位傳感器，一旦污水的液位達到傳感器的設定值，系統(tǒng)會自動啟動除污機，將雜物去作后再由螺旋輸送機進行壓榨處理。最后，污泥脫水控制。污泥經(jīng)過前面工序處理后被送入儲泥池，池中所設置的超聲波傳感器及污泥濃度計會對污泥的基本情況進行檢測，污泥先由濃縮機進行處理，再流至均質(zhì)池，均質(zhì)池可以實現(xiàn)對石灰加藥系統(tǒng)的控制，根據(jù)污泥的濃度控制加藥量，對污泥進行再次處理。污泥經(jīng)過處理后由低壓進泥螺桿泵輸送至加藥系統(tǒng)，再經(jīng)過高壓進泥螺桿泵送至壓榨機進行脫水處理，最終形成泥餅。污泥脫水系統(tǒng)可以實時控制脫水機的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)設定為自動模式時，空壓機啟動并定時運行，到達定時時間后，皮帶輸送機、高壓進泥螺桿泵啟動，并定時運行；到達定時時間后，加藥系統(tǒng)開始啟動并定時運行，最后污泥脫水機進行脫水處理。

4 結(jié)語

總之，隨著社會物質(zhì)水平的不斷提升，人們對于環(huán)境的質(zhì)量要求也越來越高，污水處理作為保護環(huán)境、改善人們生活質(zhì)量的重要措施，其處理效果的好壞有著重要的現(xiàn)實意義。A2/O處理法是最常用的生活污水處理法，其由初沉池處理的污水及回流污泥流入首端厭氧池，其通過氨化作用、曝氣等維持水中的溶解氧濃度，達到去除化學需氧量、硝化及吸收磷的目的，最終達到更好的污水處理效果。本研究以該方法為基礎，提出一種基于S7-300PLC核心控制器的污水處理自動控制系統(tǒng)，提高了污水處理的自動化程度，改善了污水處理效果。