清洗地膜污水處理自動控制系統(tǒng)的研究

郭 亮， 鹿 劍

（1.新疆產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

由于新疆維吾爾自治區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本實現(xiàn)了機械化以及新疆自身的氣候原因，所以地膜在新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。以前對于使用后地膜的處理方法通常為直接翻入土中，近年來地膜的白色污染問題逐漸被重視，政府規(guī)定地膜必須強制回收處理，其處理途徑通常為經(jīng)過清洗后進行再融化造粒從而用來生產(chǎn)塑料制品。

經(jīng)過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)新疆的地膜清洗企業(yè)現(xiàn)在的工作方式全部為人工清水直接清洗，清洗后的污水直接排放，生產(chǎn)率很低并耗費大量水資源，由于回收的地膜中含有大量農(nóng)藥殘留，清洗后的污水經(jīng)排放對環(huán)境造成了嚴重的污染。針對這種情況，該文提出了在地膜清洗廠增設(shè)一套水處理自動控制系統(tǒng)，將地膜清洗污水經(jīng)過凈化處理反復(fù)使用，盡量做到零排放，從而起到節(jié)能減排同時降低成本的效果。

在清洗廠的水處理系統(tǒng)中采用自動控制技術(shù)，不僅可以提高系統(tǒng)的性能、生產(chǎn)率、可靠性，而且還可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低操作成本、加快啟動過程等。由于水處理過程是較復(fù)雜的連續(xù)批量生產(chǎn)過程，既有現(xiàn)場設(shè)備的運行協(xié)調(diào)，又有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理，同時各功能單元地理位置分散，相互間由管道或管網(wǎng)互連。針對控制要求，該文提出了基于DCS控制技術(shù)，以下位機PLC為控制中心，利用變頻控制技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)代化水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計思想[1-2]。

1 污水處理過程控制要求

污水處理設(shè)備的首要任務(wù)就是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定、合格，達到二次洗滌使用的標準，同時降低噸位水處理成本。在污水處理設(shè)備設(shè)計和操作運行過程中需要考慮以下4點：

（1）生產(chǎn)率。改進操作方式，提高單元過程污水處理量的能力。

（2）可靠性。降低過程故障發(fā)生率，特別是保證干擾事件（干旱、暴雨）情況下污水處理設(shè)備正常運行。

（3）穩(wěn)定性。當(dāng)過程出現(xiàn)高度穩(wěn)定性時，偶爾的干擾可能會對出水水質(zhì)產(chǎn)生嚴重影響，但通過控制技術(shù)可以避免干旱、暴雨等事件的影響。

（4）操作費用。減少能源損耗，降低生產(chǎn)成本。考慮收納水體的動態(tài)特性，施加控制，匹配收納水體的同化能力。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)污水處理過程的工藝特點及控制要求，針對該清洗廠投資小、占地少等特點，系統(tǒng)采用了PC+PLC分級分布式控制形式。通過主從PLC相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)低成本通信，并且提高系統(tǒng)安全性和可靠性，實現(xiàn)分布式控制的目的。把整個自動控制系統(tǒng)按照分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3層：中央控制層（操作站或上位機)、現(xiàn)場控制層（下位機)和現(xiàn)場執(zhí)行層，系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 中央控制層

基于組態(tài)軟件的中央控制室計算機監(jiān)控系統(tǒng)。上位機與PLC之間采用組態(tài)軟件的驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)督及控制功能。

2.1.2 中間控制層

采用一臺西門子S7-300PLC作為中央控制單元主PLC，通過MPI卡與中央控制層PC機聯(lián)系，每一個驅(qū)動程序都是一個COM對象。通信程序與組態(tài)軟件之間組成一個完整的系統(tǒng)，與現(xiàn)場儀表通過RS485通信口直接通信，傳輸距離可達50m，滿足現(xiàn)場需要，保證系統(tǒng)高效運行。

2.1.3 現(xiàn)場執(zhí)行層

分布在污水處理現(xiàn)場的就地分控站，其現(xiàn)場控制單元PLC負責(zé)采集各設(shè)備的工作狀態(tài)信號，并通過現(xiàn)場CAN總線送給主PLC。主PLC完成對各分站信息的采集、運算、控制等功能并向分站發(fā)出控制命令，同時與中央控制層交換工藝數(shù)據(jù)及控制指令，控制命令送至各分站以后，通過各輸出模塊完成對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括以下3個方面：

（1）數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。數(shù)據(jù)采集主要完成對現(xiàn)場各種工藝參數(shù)的檢測，如pH值、電機狀態(tài)、污水濃度、液位、加藥量等并將其傳送至控制層，設(shè)備控制主要完成對現(xiàn)場各種工作設(shè)備如水泵、排泥機、加藥泵等的各種控制。

（2）過程控制。過程控制回路主要完成污水提升泵站自整定PID控制技術(shù)、浮選、加藥控制以及液位自動控制。

（3）工藝過程監(jiān)視。該監(jiān)控系統(tǒng)采用北京亞控科技有限公司的組態(tài)王6.0組態(tài)軟件，該軟件采用了多線程、COM組件等新技術(shù)，實現(xiàn)了實時多任務(wù)，軟件運行穩(wěn)定可靠。

監(jiān)控操作畫面分多屏，包括方便工人操作的監(jiān)控畫面、為軟件工程師提供接口的整定畫面、形象直觀的模擬畫面、易于統(tǒng)計的參數(shù)畫面、便于追查事故原因的歷史趨勢畫面、提供技術(shù)分析信息的實時曲線畫面以及報警窗口，此外，還可以實現(xiàn)歷史記錄的儲存和報表的打印。

3 關(guān)鍵控制技術(shù)

污水處理的特點要求控制系統(tǒng)必須能夠兼顧流程和單元控制。流程控制與系統(tǒng)的工藝流程相關(guān)，而計算機控制的基礎(chǔ)是單元控制，是實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制的條件。根據(jù)工藝要求，重點研究了污水提升泵站和浮選加藥環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。

3.1 污水提升泵站PID控制技術(shù)

泵站工藝要求：

（1）污水提升泵啟動速度快，保證污水全部進入處理系統(tǒng)；

（2）泵房集水井水位可在一定范圍內(nèi)變化；

（3）3臺提升泵負荷平均分配，在閑時可關(guān)閉1～2臺。

近年來基于PID算法的泵站控制方式得到了廣泛關(guān)注，該方法結(jié)構(gòu)簡單，使用時不需要確定精確的系統(tǒng)模型，控制精度高，響應(yīng)速度快，適合用于控制系統(tǒng)負荷變化大、容量滯后大、對控制質(zhì)量要求又比較高的場合。該系統(tǒng)采用PID變頻調(diào)速方法對泵站進行控制[4]，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 泵站控制系統(tǒng)框圖

3臺水泵由1臺小污水提升泵和2臺大污水提升泵組成，利用1臺變頻器控制2臺大水泵（2#、3#水泵），小水泵（1#泵）始終處于工頻電源運行狀態(tài)。系統(tǒng)工作時首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻工作狀態(tài)，隨著集水井水位的變化可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以保證水位不超過警戒水位。當(dāng)水位超高時，2#泵自動切換到工頻電源運行，并向PLC發(fā)出信號，繼而變頻啟動3#泵，對水位進行調(diào)節(jié)。

3.2 浮選加藥自整定PID控制技術(shù)

浮選加藥是污水處理系統(tǒng)工藝控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到污水處理效果和處理成本。

根據(jù)處理設(shè)備具體需要，該系統(tǒng)采用了藥劑流量、出口濁度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用PID控制調(diào)節(jié)加藥量，從而提高控制質(zhì)量[5]。該部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 浮選加藥控制系統(tǒng)框圖

PID控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器，工作原理可用式（1）表示

式中：u（t）——控制器輸出；

e（t）——控制器輸入，即偏差信號；

kp，Ti，Td——控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

該系統(tǒng)采用S7-300PLC內(nèi)部的SFB41“CONT_C”連續(xù)控制功能模塊，利用FC105功能模塊接受一個IN，并將其轉(zhuǎn)化為介于LO_LIM與HI_LIM之間的實型值，通過模擬量輸入輸出模塊持續(xù)接受輸入變量并發(fā)出輸出變量對過程進行控制。可使用Matlab提供的Simulink可以對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，其子模型庫中的功能模塊可以直觀地設(shè)計系統(tǒng)模型，仿真時可以選擇仿真步長、各種數(shù)值算法等參數(shù)，并可以將仿真結(jié)果動態(tài)顯示。

針對式（1）描述的偏差控制藥劑流量過程的PID控制規(guī)則使用Matlab的m語言進行編程，表達為Simulink可以調(diào)用的S函數(shù)，并對其進行封裝，使其成為圖形化的控制模塊（具體方法可參見文獻[6]和文獻[7]）。最后確定，流量環(huán) kp=18.4，Ti=0，Td=13.2，濁度環(huán)kp=55.4，Ti=0.7，Td=0，基本可使系統(tǒng)達到理想的控制效果。

同時，應(yīng)注意在啟動階段，各電機不能進行PID調(diào)節(jié)，以防出現(xiàn)震蕩。

4 結(jié)束語

實現(xiàn)水處理自動化的目的是節(jié)能減排、提高工作人員的勞動生產(chǎn)率，該系統(tǒng)采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術(shù)，以PLC控制的自動控制系統(tǒng)代替原有的人工控制以及繼電器控制，具有較高的自動化程度，運行可靠，可維護性好，兼具一定的靈活性，可以極大地降低投資成本，減小勞動強度。

經(jīng)過試驗統(tǒng)計得出，使用自動控制的水處理系統(tǒng)后的每噸地膜清洗成本可以降至原生產(chǎn)成本的60%左右，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的市場競爭力。

[1] 溫盛軍.基于PLC的水廠源水處理自動控制系統(tǒng)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，10（1）：69-72.

[2] 江琳，李宏.基于PLC的電解電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009，17（2）：75-76.

[3] 毛慧歐.城市污水處理計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2001，5（2）：32-36.

[4] 周志敏.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與維護[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]郭照新.PLC在一體化反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2006（5）：29-33.

[6] 姚俊，馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[7] 吳曉莉，林哲輝.Matlab輔助模糊控制系統(tǒng)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.