基于PLC和物聯網的分散式污水處理設備自動化控制系統研究

摘?要：本文以MBR分散式污水處理設備為例，結合污水處理工藝介紹一種農村污水處理設備控制方案，詳細描述相關的電氣原理、設備選型及控制程序等。將PLC控制技術與物聯網技術相結合，提出一種實現設備全自動化、無人值守的控制方法，提高系統運行穩(wěn)定性和運維效率。

關鍵詞：污水處理；膜生物反應器；自動控制；控制系統；物聯網

隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，生態(tài)環(huán)境部等五部門聯合印發(fā)了《農業(yè)農村污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案（2021—2025年）》，農村生活污水垃圾治理作為主要舉措之一備受重視，至2025年，農村生活污水治理率需達到40%［1］。國內農村地區(qū)具有人口密度較低，排出污水量少、濃度高等特點，其次因基礎建設不足，缺乏系統性的輸送生活污水的管道裝置，傳統的遠距離輸送、集中處理的方式［2］會加大投資成本且管道系統易出現堵、漏現象。分散式污水治理技術因其投資成本低、能耗小，占地面積小、管網收水率高、除污率高等優(yōu)點適用于農村生活污水處理中。

膜生物反應器（Membrane?Bioreactor，MBR）一體化污水處理是生物處理技術與膜分離技術相結合的污水處理技術［3］。因其容積負荷大、占地面積小、出水水質好等優(yōu)點被廣泛應用于分散式農村污水處理中。近年來，物聯網技術已廣泛應用于水資源、土壤、病蟲害等領域監(jiān)測中，取得良好的經濟效益［56］。同時，將PLC控制與物聯網相結合的技術手段在農業(yè)［7］、機器人控制［8］等領域中多有應用。因此，圍繞MBR一體化污水處理設備，本文介紹了一套實現設備工藝，農村生活污水達標排放的自動化控制系統。從控制系統的硬件設計、程序開發(fā)、遠程監(jiān)控配置等方面進行闡述控制系統設計方案。控制系統以可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller，PLC）為控制核心［4］，綜合利用水泵、風機、閥門以及各類傳感器實現污水處理系統的自動化運行。結合物聯網技術，將MBR污水處理控制系統接入遠程監(jiān)控系統，實現設備運行狀態(tài)的云端監(jiān)控，提高設備運行穩(wěn)定性、研發(fā)和運維人員工作效率，降低人力成本。

1?MBR污水處理設施介紹

MBR農村污水處理設施由設備間和污水處理設備組成。設備間內設控制柜、曝氣風機、自吸泵、反洗泵、加藥桶等。污水處理設備包含調節(jié)池、污泥池、缺氧池、好氧池、膜池以及清水池。

設備運行時，調節(jié)池內經過預處理的生活污水通過管道進入缺氧池進行反硝化反應，控制系統控制計量泵外加碳源并運行攪拌器，使缺氧池藥液混合均勻。缺氧池處理后的污水通過潛污泵泵入好氧池，同時計量泵外加PAC藥劑進行硝化反應。好氧池內污水自流入MBR膜池，控制系統檢測膜池液位、膜壓，當達到啟泵液位時，調整出水閥門開度，并在膜壓限值以下啟動自吸泵進行抽吸，使得含泥污水透過膜組件進行過濾出水，同時膜池內通曝氣系統，對膜組件進行擦洗，使得微小顆粒難以在膜絲上吸附凝聚。MBR污水處理系統長期運行后，膜通量會緩慢下降，需定期進行化學清洗，通過反洗自吸泵泵入清洗藥劑，去除膜組件內吸附的污染物質，恢復膜通量。MBR膜池設有排泥管路，定期開啟電磁閥，通過氣提的方式將沉降的污泥排至污泥槽。

2?控制系統設計

為使MBR污水處理設備按設定的工藝穩(wěn)定運行，設備控制系統采用PLC為控制核心，同時為滿足現場設備運行狀態(tài)的可視化、控制器參數的可編輯，控制系統采用人機交互界面HMI連接PLC。

2.1?硬件設計

為提高控制系統防護等級，防止電氣元件因溫濕度因素發(fā)生腐蝕生銹等故障，控制系統電控柜設有軸流風機和智能溫濕度控制器。軸流風機通過不斷更換柜內空氣，降低柜內溫度；當濕度過高時，通過加熱器降低柜內濕度，使得控制系統在最佳溫濕度下工作，保證設備的運行性能。

圖2中，電控柜總體采用從上至下、從左到右依次排列的布局。斷路器、控制器、物聯網關、控制回路從上至下依次排開，電氣元件均為軌道安裝，元器件間連接線纜通過線槽進行防護并設有標識，利于檢修和維護；控制器與各儀器儀表之間的通信線均采用屏蔽線，以避免信號干擾；控制柜所有進出線均采用端子連接，便于連接和檢查。

控制柜門板上設有電表、觸摸屏、急停按鈕，系統手/自動切換旋鈕、設備啟/停切換旋鈕、設備狀態(tài)指示燈、故障指示燈等。緊急情況下，按下急停按鈕切斷設備電源，保護生命財產安全；系統手/自動切換旋鈕用于切換整個污水處理設施的運行模式，手動模式下，通過設備啟/停切換旋鈕實現泵、風機等設備的啟停，即可避免因觸摸屏或控制器損壞導致設備無法臨時啟停；系統自動模式下，可通過觸摸屏觀察設備運行狀態(tài)、設置運行參數，設備自動運行；設備狀態(tài)指示燈用于顯示設備運行狀態(tài)，設備運行則點亮，停止則熄滅；故障指示燈用于設備故障報警，當控制器檢測到設備跳閘、電流異常、膜壓超限、液位異常等故障，則信號點亮故障指示燈；電表用于監(jiān)控設備實時電耗狀態(tài)，檢測電壓、電流以及能耗。

2.2?程序設計

控制系統采用西門子S7200?SMART系列PLC，HMI為昆侖通態(tài)觸摸屏，分別基于STEP?7MicroWIN?SMART和McgsPro組態(tài)軟件實現控制程序的整體設計，PLC與觸摸屏通過以太網在同一網段下進行通信。

為使控制程序后期維護簡明易懂，PLC程序采用主程序+子程序的設計思路，將進水系統、曝氣系統、加藥系統等作為子程序用于主程序調用。

2.2.1?進水系統

常規(guī)基于時間的進水系統易受到液位變化、水泵功率變化等因素影響，導致設備的進水量時高時低，影響污水處理設備的處理效率。而本文采用的是基于時間+流量+液位的精準進水。自動模式下，可通過HMI預設日進水總量，PLC根據預設總量和設備日工作時長計算出每小時內單次進水總量。

Q單=Q總T

當進水系統啟動時，PLC與電磁流量計通過RS485通信讀取并記錄MBR污水處理設備當前累計流量值q1，PLC不斷讀取進水流量累計值qx，并與記錄的累計流量計相減，得到當前單次進水總量q，當單次進水流量達到預設值Q單時則停止進水。此外，當調節(jié)池液位過低時，停止進水，防止水泵空轉損壞。

Q單q=qx-q1

2.2.2?曝氣系統

PLC與負壓變送器通過模擬量信號（4～20mA）進行通信并實時讀取膜壓力值，當膜壓超出預設的限定值時則停止膜曝氣風機和自吸泵出水，節(jié)約能耗。PLC與在線溶氧儀、pH儀通過RS485協議通信，實時監(jiān)測設備的溶氧量和酸堿度，當測定的溶氧值和酸堿度離開設定的正常區(qū)間范圍時，則輸出報警信號。

2.2.3?加藥系統

加藥系統采用的電磁隔膜式計量泵，通過模擬量信號（4～20mA）與PLC之間實現數據交互，PLC輸出模擬量信號控制計量泵的加藥流量。加藥系統通過時間控制結合液位控制的方式進行，當PLC檢測到啟泵液位時，按照時間和預設的加藥流量啟動計量泵，控制加藥時間與加藥量，當液位過低時，停止計量泵運行，避免計量泵空轉損壞。

2.2.4?出水系統

控制系統中出水系統設計有正常出水模式以及排澇模式。膜池內設有電極式液位計，相較于浮子的液位計，電極式液位計可以有效避免曝氣產生的氣泡對液位監(jiān)測精度的影響。正常模式下，控制器打開出水閥門，關閉排澇閥門，實時監(jiān)測膜池液位，達到出水液位時，自吸泵啟動出水，開始按設定參數排水；低于停泵液位時，停止自吸泵出水。當控制器通過雨水感應傳感器檢測到大量雨水，同時前端調節(jié)池監(jiān)測到排澇液位時，啟動排澇模式，控制器關閉出水自吸泵和出水閥門后，打開調節(jié)池內的排澇泵和排澇閥，將雨水直接排出，避免雨水直入污水處理設施。

2.2.5?觸摸屏程序

觸摸屏畫面如圖3所示，觸摸屏程序設置不同的窗口畫面，具有不同功能，主要有主畫面、設備管理、設備配置、設備參數、儀器儀表、系統時間、報警記錄、用戶權限、數據報表、設備信息等。

主畫面為待機畫面，顯示公司信息、設施工藝圖等；設備管理畫面用于顯示設備運行狀態(tài)、設備模式切換等；設備配置畫面用于配置污水處理設施的處理規(guī)模、設備數量等；設備參數畫面為各負載的啟停時間、膜壓限值、閥門開度等參數設置；儀器儀表畫面用于實時顯示進出水流量、設備用電、溶氧值、pH值等各類儀器儀表監(jiān)控數據；系統時間用于校準和顯示系統實時時間；報警記錄畫面分為實時故障報警與歷史報警報表，便于現場運維人員及時發(fā)現問題以及為后續(xù)程序優(yōu)化提供數據；用戶權限畫面用于切換使用者賬戶，分為管理員、運維人員以及游客等，不同賬戶對應不同的設置和查看權限；數據報表畫面用于顯示各負載每天的運行時長；設備信息畫面用于展示控制器程序和觸摸屏程序的運行版本、版本更替說明以及設備運維常見問題的基本處理方法。

2.3?遠程監(jiān)控系統

分散式農村生活污水處理設施由于位置分散、運維人力、資金等無法得到保證，無法第一時間發(fā)現污水處理設施運行故障并及時到場處理，使得農村污水處理設施在實際運行中的處理效果不理想。

為解決上述設備運行過程中的難題，MBR污水處理設備控制系統采用物聯網技術和網絡通信技術構建遠程監(jiān)控系統，通過以太網實現控制器、物聯網關、觸摸屏間的數據交互。根據PLC型號完成物聯網關通信配置，利用PLC采集現場設備狀態(tài)量，基于控制器數據點表，物聯網關將采集的數據通過無線網絡上傳至云端服務器，實現設備運行狀態(tài)及參數的遠程查看，同時能夠顯示設備位置信息，為運維人員提供定位導航服務。

遠程監(jiān)控系統配置豐富的報警邏輯，包括液位異常、設備跳閘、電流異常、膜壓超限、流量異常、溶氧量異常、溫濕度異常等，實時遠程監(jiān)控污水處理設備的異常狀態(tài)，并自動形成運維工單通過語音或微信派發(fā)運維人員及時現場檢修。豐富的報警機制能夠降低運維人員現場日常巡檢次數，提高設備運行穩(wěn)定性。

不同于觸摸屏的數據報表，遠程監(jiān)控系統因其具有較大的數據存儲量和較強的處理性能，其具備豐富的報表功能，能夠長期監(jiān)測設備進水流量、溫濕度變化以及不同腔室的溶氧量等數據，并形成可導出的數據曲線供研發(fā)人員進一步開展工藝研究，優(yōu)化設備開發(fā)。

遠程監(jiān)控系統能直接遠程設定和修改設備參數，控制如風機、水泵的啟停。通過透傳功能與現場物聯網關遠程連接，實現控制器程序的遠程更新，減少研發(fā)人員現場維護頻次，節(jié)約時間和人力成本。

結語

本文以膜生物反應器（MBR）農村生活污水處理設施為例，介紹了一種基于控制器+觸摸屏+物聯網的自動化的無人值守控制系統，該系統能夠基于PLC采集的流量、液位等傳感器信號，將設備的控制方式參數化，因地制宜地設置設備運行參數，提高設備控制的靈活性和污水處理設備的出水達標率。結合物聯網技術，實現農村污水處理設備運行數據的云端監(jiān)控，加強設備監(jiān)管，設備故障及時處理，提高設備運行穩(wěn)定性，同時為后續(xù)研發(fā)提供數據基礎。

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作者簡介：嚴晨（1995—?），男，漢族，江蘇泰興人，碩士研究生，助理電氣工程師，研究方向：環(huán)保設備。