摘要：在水資源短缺日益突出的今天，加快推進(jìn)節(jié)水技術(shù)改造，發(fā)展污水處理回用，提高城市污水處理回用比例已成共識(shí)。本文通過(guò)對(duì)某城市污水處理工藝進(jìn)行分析，提出以PLC為核心，構(gòu)建格柵過(guò)濾、酸堿中和、泥水分離等多設(shè)備、多環(huán)節(jié)綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水自動(dòng)處理。

　　關(guān)鍵詞：可編程控制器,污水處理,系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，當(dāng)前我國(guó)水資源面臨的形勢(shì)十分嚴(yán)峻，水資源短缺、水污染嚴(yán)重等問(wèn)題日益突出，已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的因素之一，為了保持污水處理過(guò)程的穩(wěn)定性、可靠性和及時(shí)性，社會(huì)對(duì)污水處理特別是城市污水處理控制提出了更高的要求。[1]本文以鄂東某城市污水處理為例，對(duì)基于可編程控制器的城市污水處理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　1.城市污水處理要求

　　某城市位于鄂東南地區(qū)，城市中心區(qū)設(shè)計(jì)人口5.2萬(wàn)人，經(jīng)前期調(diào)查、收集、計(jì)算得到的部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為：日均污水量85792m2, 混合污水水質(zhì)SS=160.1mg/L, BOD5=179.8mg/L。根據(jù)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB1978—1996)可知：懸浮物為30mg/L，BOD5為30mg/L，該結(jié)果符合國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)要求。要求處理后出水水質(zhì)取：懸浮物11.6mg/L，BOD5 10.0mg/L。

　　2. 處理工藝流程的選擇與確定

　　2.1工作流程選擇 由于與工業(yè)污水相比，城市污水的水質(zhì)變化相對(duì)的較少，基于水質(zhì)檢測(cè)情況，確定對(duì)該城市污水處理采用SBR-CAST(Sequencing Batch Reactor —Cyclic Activated sludge Technology)處理工藝，即：一級(jí)預(yù)處理(物理法)，二級(jí)生化處理(生物法)，三級(jí)污泥處理。處理工藝流程見(jiàn)圖1。[2]

 

　　2.2工藝環(huán)節(jié)分析 上圖中的城市污水處理是一個(gè)復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，它主要包括進(jìn)水、中和反應(yīng)、曝氣、沉淀以及排水等環(huán)節(jié)。具體處理過(guò)程是：將進(jìn)水閥打開(kāi)，先對(duì)污水進(jìn)行粗細(xì)格柵過(guò)濾后進(jìn)入集水池(包括初沉池、曝氣池和二沉池等);當(dāng)集水池中的污水達(dá)到一定量時(shí)，停止進(jìn)水，并對(duì)其進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)。同時(shí)打開(kāi)空氣閥門、啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，開(kāi)始曝氣，在潛水?dāng)嚢杵髋c回流泥水泵的共同作用下，對(duì)集水池中的污水進(jìn)行均勻攪拌，使其反應(yīng)完全;然后關(guān)閉以上設(shè)備開(kāi)關(guān)，開(kāi)始重力沉淀和泥水分離;當(dāng)沉淀一段時(shí)間后，將上層的清夜緩緩排出集水池，最后將沉淀的污泥排入污泥池。

　　3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 基本要求 根據(jù)工藝要求，系統(tǒng)配置在滿足上述工藝要求的前提下，避免華而不實(shí)的過(guò)高配置，同時(shí)提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，減少定員數(shù)量，減少系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，提高污水處理廠經(jīng)濟(jì)效益，提出如下基本思路：

　　(1)根據(jù)工藝要求將系統(tǒng)分泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)、污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)和污泥處理自動(dòng)控制系統(tǒng)三部分組成，并采用基于PLC的現(xiàn)場(chǎng)總線型集散控制系統(tǒng)，遵循集中管理、分散控制、資源共享原則。

　　(2)監(jiān)控室內(nèi)設(shè)二臺(tái)冗余的監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)，兩套計(jì)算機(jī)可分擔(dān)不同功能，故障時(shí)可互為熱備，計(jì)算機(jī)配有彩色顯示器，打印機(jī)，鍵盤等。

　　(3)將系統(tǒng)分生產(chǎn)管理層、監(jiān)控管理層和現(xiàn)場(chǎng)控制層等三級(jí)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖2。現(xiàn)場(chǎng)控制PLC與監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)間采用10/100bit/s工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

　　(4)根據(jù)工藝要求，合理設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)、壓力測(cè)量、流量計(jì)量、熔解氧檢測(cè)、液位檢測(cè)等儀表位置和數(shù)量，并能對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)和主要設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

 

　　3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 根據(jù)處理工藝要求，結(jié)合污水處理過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)和被控制對(duì)象，確定系統(tǒng)框架，如圖3所示。

　　3.2.2系統(tǒng)硬件配置 在系統(tǒng)硬件構(gòu)成中，PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，PLC硬件選擇西門子的S7-300系列PLC CPU 315-2DP。CPU 315-2DP是帶現(xiàn)場(chǎng)總線SINEC L2-DP接口的CPU模板，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)容量最大到512KB，最大擴(kuò)展1024點(diǎn)數(shù)字量或128個(gè)模擬量，可滿足本系統(tǒng)要求。[3]

　　同時(shí)，系統(tǒng)還有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)輸入、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成。系統(tǒng)的基本輸入單元是系統(tǒng)的啟動(dòng)、集水池高低液、曝氣池的高低液位以及循環(huán)工作按鈕等輸入信號(hào);基本輸出單元是粗格柵、細(xì)格柵、皮帶運(yùn)輸機(jī)、抽水泵、攪拌機(jī)、酸堿閥，進(jìn)水閥、鼓風(fēng)機(jī)、回流污泥泵、污泥泵等輸出信號(hào)，系統(tǒng)是通過(guò)PLC和系統(tǒng)的I/o點(diǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的。具體I/O點(diǎn)數(shù)見(jiàn)表一，表中點(diǎn)數(shù)多少也可根據(jù)污水處理廠規(guī)模和設(shè)備數(shù)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

　　對(duì)于電磁流量計(jì)、PH/T分析儀、懸浮物濃度計(jì)、溶氧儀、COD分析儀、壓力變送器、泥位檢測(cè)儀、污泥濃度計(jì)、超聲波液位計(jì)等自控儀表選擇具有免維護(hù)特性、有自動(dòng)清潔、清洗功能、能現(xiàn)場(chǎng)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的設(shè)備，降低其運(yùn)行維護(hù)工作量和費(fèi)用，為系統(tǒng)特別在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行提供了技術(shù)保證。例如：電磁流量計(jì)選擇江蘇順通儀表有限公司ST-LDE型設(shè)備。

　　耗能設(shè)備如鼓風(fēng)機(jī)、動(dòng)力泵等設(shè)備選高效產(chǎn)品，為節(jié)能創(chuàng)造有利條件。

　　3.2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)PLC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水處理系各個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)備進(jìn)行控制，并上傳數(shù)據(jù)。按照城市污水處理工藝流程，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、泵站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和污泥處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主是實(shí)現(xiàn)污水處理水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示，泵站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括粗、細(xì)格柵與皮帶運(yùn)輸機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、集水池控制程序設(shè)計(jì)、SBR生化反應(yīng)池控制程序設(shè)計(jì)、脫水與剩余污泥泵控制程序設(shè)計(jì)等。

　　(1)以污泥泵控制為例介紹設(shè)備控制及工藝處理過(guò)程

　　為保證集水池中活性污泥濃度在工藝生產(chǎn)要求的范圍內(nèi)，采用比例控制的方式進(jìn)行工藝控制。根據(jù)集水池的進(jìn)水量運(yùn)行計(jì)算回流污泥時(shí)間，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水量與回流污泥量的合理配比，保證生物處理的質(zhì)量。剩余污泥由剩余污泥泵控制。控制程序流程圖見(jiàn)圖5。

 

　　(2)利用組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和污水處理過(guò)程

　　系統(tǒng)采用工控機(jī)控制、監(jiān)視和管理，現(xiàn)場(chǎng)采用PLC將過(guò)程控制信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線通信方式與工控機(jī)連接，工控機(jī)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。系統(tǒng)利用組態(tài)王軟件中內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)程序，在組態(tài)軟件中構(gòu)建一個(gè)虛擬PLC等設(shè)備，并使虛擬設(shè)備的型號(hào)與實(shí)際使用中的SIEMENS PLC等設(shè)備型號(hào)一致。系統(tǒng)通過(guò)組態(tài)軟件映射真實(shí)動(dòng)力泵設(shè)備、監(jiān)測(cè)儀表之間的通信協(xié)議，通過(guò)軟件顯示通信暢通與否，監(jiān)控污水處理。

　　(3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需注意的幾個(gè)控制條件

　　一是系統(tǒng)中的粗細(xì)格柵是用來(lái)去除污水中懸浮物的，格柵除污機(jī)是由時(shí)間間隔來(lái)控制的，將格柵過(guò)濾出來(lái)的懸浮物通過(guò)皮帶運(yùn)走。

　　二是集水池水位上升至高液位，將水泵關(guān)閉，由PH/T分析儀檢測(cè)并按設(shè)定條件控制酸、堿閥門。

　　三是利用溶氧儀對(duì)污水中的溶解氧濃度進(jìn)行在線檢測(cè)，并按設(shè)定條件控制鼓風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量實(shí)現(xiàn)精確曝氣，并節(jié)約動(dòng)力消耗。

　　四是曝氣池中的液位達(dá)到低液位時(shí)，由超聲波液位計(jì)的液位信號(hào)控制污泥泵啟動(dòng)，排除污泥。

　　本系統(tǒng)是基于PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的城市污水處理系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)踐證明不但運(yùn)行可靠、污水處理效果明顯，污水處理效率和速度高，實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化、精細(xì)化和智能化，而且大大降低了人工操作的工作量，在城市污水處理控制中可借鑒和推廣。

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