S7-300PLC在BAF法污水處理控制系統的應用

李茜

（西安航空職業技術學院 電子工程系，陜西 西安 710089）

伴隨社會經濟的發展，現代城市污水量不斷增加，工業廢水所占比重呈上升趨勢。為了改善生態環境，充分進行廢物利用，創建節約型、生態型城市。陜西省某縣城通過對污水量的預測，結合城市發展前景，確定新建一規模為2×104m3/d污水處理廠。選用BAF工藝[1]，利用PLC自動化技術進行污水處理。

1 BAF污水處理工藝簡介

BAF 即生物曝氣濾池（Biological Aerated Filter），是上世紀80年代法國OTV公司于研究成功的一種新型淹沒式生物濾池[2]。污水經格柵去除粗大漂浮、懸浮物后，進入出沉池或水解酸化池進行沉砂、除油和沉淀同時去除部分SS、化學需氧量、BOD等物質，經預處理的污水進入第一級BAF-C/N濾池，絕大部分化學需氧量、BOD在此進行降解，部分氨氮進行硝化，接著污水進入第二級BAF-N濾池（或C/N濾池），進行氨氮的徹底硝化及化學需氧量，BOD地進一步降解，同時進行化學除磷，以保證出水總磷≤0.5 mg/L，NH3-N≤5 mg/L，TN≤10 mg/L運行過程中，在一二級BAF底部進行供氧濾池運行一段時間后需對濾池進行反沖洗；反沖洗采用氣水聯合反沖洗，反沖洗污水通過排水緩沖池返回初沉池或水解酸化池，與原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥進行脫水處理，泥餅外運處置。若選用DN濾池+C/N濾池的脫氮工藝，則需將C/N濾池的出水回流。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 BAF工藝流程圖Fig.1 BAF process method flow diagram

2 基于BAF工藝的污水處理控制系統設計

鑒于該污水廠污水處理規模和BAF工藝的特點，本著技術先進，性價比高，實用可靠的原則，采用“集中管理、分散控制”的理念進行污水處理控制系統設計[3]。系統結構如圖2所示，包括上位機管理層、下位機控制層和現場設備層。

1）上位機管理層

圖2 基于BAF工藝的污水處理控制系統結構圖Fig.2 Control system structure based on the BAF process of sewage treatment

該層設置在中央控制室，包括兩臺工程師站，主要完成對廠內各設備和儀器儀表的工況進行監測和遠程控制，主要設備如格柵機、提升泵、鼓風機、閥門等，并對其信號進行采集顯示。儀表工況如生產過程參數（流量、液位等）、水質參數（pH值、SS、DO等）。為了給用戶提供一個科學合理的設備檢修時間，上位機及時完成對所采集的數據進行處理、儲存、顯示和打印；并對污水廠重要設備（如提升泵、鼓風機、閥門等）的開/關次數和運行時間進行累計，生成設備管理報表。以上的設備和儀器儀表的監測與遠控主要借助于WinCC V6.2組態軟件開發的生產工藝流程圖和各工藝單元流程圖，各種過程參數、水質參數、電氣參數的趨勢圖和生產統計報表。另外，通過界面設置了信號報警和聯鎖等功能，保證了生產的正常運行。

2）下位機控制層

該層選用代表當今潮流的西門子SIMATIC工業自動化產品S7-300PLC為控制核心，設計為軟冗余系統。系統以S7-315-2DP CPU作為主站，與上位機管理層計算機采用以太網通信，并以以太網作為冗余網絡為基礎。與從站分布式I/O之間數據傳輸采用PROFIBUS-DP協議通訊方式，以確保高實時性和高動態響應要求。

3）現場設備層

該層主要為BAF工藝流程各階段的現場設備和分布式ET200I/O從站，粗細格柵機、運輸機、螺旋壓渣機、提升泵、鼓風機、刮泥機、排泥泵、閥門等和PH/T、電容式液位計。

該層根據需要，設置了3個從站，分別完成預處理控制、BAF生物濾池處理、污泥脫水系統處理，主要設備有手動控制、遙控控制、自動控制3種方式，主要通過在控制層PLC中的用戶程序實現。

3 系統硬件集成

1）上位機管理層 上位機管理層設兩臺研華工控機監控計算機（互為熱備）、打印機等。兩臺ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/120Gb/512Mb/19’LCD互為熱備。安裝西門子STEP7 V5.4編程軟件和西門子WinCC V6.2工業組態軟件。

2）冗余PLC控制層及分布式控制子站 冗余PLC控制層中，PLC采用模塊化結構設計的西門子CPU315-2DP可編程控制器。

①處理子站（ET200） 本站主要負責粗格柵、細格柵、旋留沉砂池、反應沉淀池的監測控制。

②BAF生物濾池子站（ET200） BAF生物濾池是本污水處理廠的關鍵，根據工藝要求對濾池的進水調節閥、出水閘門、氣沖閥、水沖閥、排水閥、泄氣閥及鼓風機、反沖水泵進行監控，來控制濾池的正常過濾和反沖洗這兩個過程。實現過程控制可通過手動和自動兩種方式。

③污泥脫水系統處理（ET200） 根據生產工藝要求，實現對污泥投加絮凝劑、混合、濃縮、脫水功能，最后生成污泥餅外運。

污水處理控制系統使用PROFIBUS-DP現場總線[3]，冗余了2個從站的分布式I/O，每個冗余的從站有2個PROFIBUS接口，一個是主接口，一個是備用接口。工作中，當主要從站出現故障時，后備從站接管它的功能。該系統從站在兩條冗余的PROFIBUS總線上運行。

根據現場不同測控信號的分析，冗余控制系統模塊配置如表1所示。

表1 S7-PLC冗余系統模塊配置清單Tab.1 S7-PLC redundant system module configuration list

4 控制系統軟件開發

根據BAF工藝要求，用戶程序以西門子StepV5.2為下位機開發環境，運用模塊化、面向對象（主要設備）的設計思想，對現場電動閥門、曝氣機、鼓風機和水泵等電氣設備開關實施順序控制、時限控制和條件控制[4]。為了提高系統的可靠性，控制程序必須寫入冗余段程序[5-6]。用戶程序的設計流程如圖3所示。

圖3 BAF污水處理主程序流程圖Fig.3 BAF sewage treatment main program flow chart

5 結束語

系統以PLC為核心，利用BAF工藝和冗余、現場總線技術實現了對整個縣城的污水處理[7]。本系統投入運行以來，運行穩定可靠，自動化程度高，經系統處理后的污水達到了國家污水排放標準，完全達到了預期的目標。

[1]徐亞明，蔣彬．曝氣生物濾池的原理及工藝[J]．工業水處理，2002，22（5）：l-5．XU Ya-ming，JIANG Bin.Working principle and technology of biological aerated filter[J].Industrial Water Treatment，2002，22（5）：l-5．

[2]Jepsen S-E，Laursen K，Jansen J C，et al.Denitrification in Submerged Filters of Nitrified Wastewater and Chemical Preprecipitated Wastewater[M].Springor Verlag，1992.

[3]郭冀峰，王榮昌，夏四清.氣浮／BAF／MBR組合處理洗浴廢水回用工藝的自控設計[J].電氣應用，2007，26（3）:75-78.GUO Ji-feng，WANG Rong-chang，XIA Si-qing.Auto-control design of air-floatation/BAF/MBR bathing wastewater treatment process[J].Electrotechnical Application，2007，26 （3）:75-78.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社，2005:334-350.

[5]SIMATIC S7-300/S7-400的軟冗余功能手冊[EB/OL]．http://support.automation.siemens.com//cn/view/zh/1137637．

[6]陳國章.污水處理自動監控系統設計與研究[D].山東：山東大學，2011.

[7]金萌時，魏中青，苗曉剛，等.基于PLC的自動分籠機控制系統研究與開發[J].工業儀表與自動化裝置，2012（1）：35-37，60.JIN Meng-shi，WEI Zhong-qing，MIAO Xiao-gang，et al.Research and development on control system of automatic crate destacking machine based on PLC[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（1）：35-37，60.