清洗地膜污水處理自動控制系統的研究

郭 亮， 鹿 劍

（1.新疆產品質量監督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

由于新疆維吾爾自治區的農業生產基本實現了機械化以及新疆自身的氣候原因，所以地膜在新疆農業生產中被廣泛使用。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，政府規定地膜必須強制回收處理，其處理途徑通常為經過清洗后進行再融化造粒從而用來生產塑料制品。

經過調查，發現新疆的地膜清洗企業現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，生產率很低并耗費大量水資源，由于回收的地膜中含有大量農藥殘留，清洗后的污水經排放對環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一套水處理自動控制系統，將地膜清洗污水經過凈化處理反復使用，盡量做到零排放，從而起到節能減排同時降低成本的效果。

在清洗廠的水處理系統中采用自動控制技術，不僅可以提高系統的性能、生產率、可靠性，而且還可以增加系統的穩定性、降低操作成本、加快啟動過程等。由于水處理過程是較復雜的連續批量生產過程，既有現場設備的運行協調，又有大量的現場數據采集和處理，同時各功能單元地理位置分散，相互間由管道或管網互連。針對控制要求，該文提出了基于DCS控制技術，以下位機PLC為控制中心，利用變頻控制技術與現場總線技術構建現代化水處理控制系統的設計思想[1-2]。

1 污水處理過程控制要求

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

（1）生產率。改進操作方式，提高單元過程污水處理量的能力。

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

（3）穩定性。當過程出現高度穩定性時，偶爾的干擾可能會對出水水質產生嚴重影響，但通過控制技術可以避免干旱、暴雨等事件的影響。

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

2 系統結構及功能

2.1 系統結構

根據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，系統采用了PC+PLC分級分布式控制形式。通過主從PLC相結合的控制結構，通過現場總線實現低成本通信，并且提高系統安全性和可靠性，實現分布式控制的目的。把整個自動控制系統按照分布式系統結構分為3層：中央控制層（操作站或上位機)、現場控制層（下位機)和現場執行層，系統基本結構如圖1所示[3]。

圖1 系統基本結構圖

2.1.1 中央控制層

基于組態軟件的中央控制室計算機監控系統。上位機與PLC之間采用組態軟件的驅動程序進行數據通信，完成數據采集、處理、監督及控制功能。

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機聯系，每一個驅動程序都是一個COM對象。通信程序與組態軟件之間組成一個完整的系統，與現場儀表通過RS485通信口直接通信，傳輸距離可達50m，滿足現場需要，保證系統高效運行。

2.1.3 現場執行層

分布在污水處理現場的就地分控站，其現場控制單元PLC負責采集各設備的工作狀態信號，并通過現場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出控制命令，同時與中央控制層交換工藝數據及控制指令，控制命令送至各分站以后，通過各輸出模塊完成對現場設備的控制。

2.2 系統功能

系統功能主要包括以下3個方面：

（1）數據采集和設備控制。數據采集主要完成對現場各種工藝參數的檢測，如pH值、電機狀態、污水濃度、液位、加藥量等并將其傳送至控制層，設備控制主要完成對現場各種工作設備如水泵、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、浮選、加藥控制以及液位自動控制。

（3）工藝過程監視。該監控系統采用北京亞控科技有限公司的組態王6.0組態軟件，該軟件采用了多線程、COM組件等新技術，實現了實時多任務，軟件運行穩定可靠。

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

3 關鍵控制技術

污水處理的特點要求控制系統必須能夠兼顧流程和單元控制。流程控制與系統的工藝流程相關，而計算機控制的基礎是單元控制，是實現系統優化控制的條件。根據工藝要求，重點研究了污水提升泵站和浮選加藥環節的控制系統。

3.1 污水提升泵站PID控制技術

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；

（2）泵房集水井水位可在一定范圍內變化；

（3）3臺提升泵負荷平均分配，在閑時可關閉1～2臺。

近年來基于PID算法的泵站控制方式得到了廣泛關注，該方法結構簡單，使用時不需要確定精確的系統模型，控制精度高，響應速度快，適合用于控制系統負荷變化大、容量滯后大、對控制質量要求又比較高的場合。該系統采用PID變頻調速方法對泵站進行控制[4]，結構框圖如圖2所示。

圖2 泵站控制系統框圖

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。系統工作時首先投入1#泵和2#泵，2#泵工作在變頻工作狀態，隨著集水井水位的變化可調節變頻器輸出頻率以保證水位不超過警戒水位。當水位超高時，2#泵自動切換到工頻電源運行，并向PLC發出信號，繼而變頻啟動3#泵，對水位進行調節。

3.2 浮選加藥自整定PID控制技術

浮選加藥是污水處理系統工藝控制的關鍵，直接關系到污水處理效果和處理成本。

根據處理設備具體需要，該系統采用了藥劑流量、出口濁度雙閉環控制系統，利用PID控制調節加藥量，從而提高控制質量[5]。該部分結構框圖如圖3所示。

圖3 浮選加藥控制系統框圖

PID控制器是一種比例、積分、微分并聯控制器，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、積分系數、微分系數。

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

針對式（1）描述的偏差控制藥劑流量過程的PID控制規則使用Matlab的m語言進行編程，表達為Simulink可以調用的S函數，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 kp=18.4，Ti=0，Td=13.2，濁度環kp=55.4，Ti=0.7，Td=0，基本可使系統達到理想的控制效果。

同時，應注意在啟動階段，各電機不能進行PID調節，以防出現震蕩。

4 結束語

實現水處理自動化的目的是節能減排、提高工作人員的勞動生產率，該系統采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術，以PLC控制的自動控制系統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。

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

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

[2] 江琳，李宏.基于PLC的電解電源監控系統設計[J].電子設計工程，2009，17（2）：75-76.

[3] 毛慧歐.城市污水處理計算機控制系統的應用研究[J].環境污染治理技術與設備，2001，5（2）：32-36.

[4] 周志敏.變頻調速系統設計與維護[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]郭照新.PLC在一體化反應器污水處理系統中的應用[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:西安電子科技大學出版社，2002.

[7] 吳曉莉，林哲輝.Matlab輔助模糊控制系統設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.