污水處理自動控制系統(tǒng)的設(shè)計研究

（中鋼集團(tuán)武漢安全環(huán)保研究院有限公司華安分公司，湖北 武漢 430081）

環(huán)境污染問題關(guān)系到人們的生產(chǎn)生活，在污水處理過程中，隨著人們對污水處理要求的逐漸提高，傳統(tǒng)的污水處理控制方法難以達(dá)到控制要求，使得污水處理的現(xiàn)狀不容樂觀，還存在諸多亟待解決的問題。在新形勢下，污水處理自動控制系統(tǒng)的設(shè)計，運用現(xiàn)代化自動化控制處理污水滿足了污水處理的要求，在污水處理過程中發(fā)揮著重要的作用。如何進(jìn)行污水處理自動控制系統(tǒng)的設(shè)計是當(dāng)前污水處理關(guān)注的焦點。因此，研究污水處理自動控制系統(tǒng)的設(shè)計具有十分重要的現(xiàn)實意義。鑒于此，筆者對污水處理自動控制系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了初步探討。

1 污水處理工藝流程。近年來，從污水處理的實際需求的環(huán)境出發(fā)，污水處理的工藝過程也日趨復(fù)雜，污水處理工藝流程按處理程度的不同，分為不同的處理階段。具體說來，污水處理一般可分為五個階段，即預(yù)處理、一級處理、二級處理、深度處理和污泥處理及處置。其中，預(yù)處理主要包括:粗格柵、細(xì)格柵、沉砂池;一級處理主要包括:初沉池;二級處理主要包括:生物濾池、曝氣池和二沉池;深度處理:常用的工藝有混凝沉淀和過濾。污泥處理主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或衛(wèi)生填埋。通過對需求進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研，決定污水處理工藝流程應(yīng)包括粗格柵、沉砂池、細(xì)格柵、初沉池、生物濾池、提升泵房、曝氣池、二沉池等，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示:

圖1 污水處理工藝流程圖

2 污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計要求

污水處理自動控制系統(tǒng)，在設(shè)計過程中，必須按照一定的要求來進(jìn)行設(shè)計，其具體內(nèi)容如下：(1)所有的電氣和機(jī)械設(shè)備能夠自動或手動操作，控制系統(tǒng)需包括報警、聯(lián)鎖和控制回路。并且上述設(shè)備傳送的信息應(yīng)能夠在控制面板和過程控制計算機(jī)顯示器上顯示。（2）所有的設(shè)定值（液位、流量、溫度、PH 值、溶解氧量）和計時器可以在控制系統(tǒng)中通過操作面板或鍵盤更改。（3）通常，過程聯(lián)鎖的設(shè)定值不能被未授權(quán)的人員通過操作面板修改，只有在輸入正確的密碼之后，才能進(jìn)行操作。（4）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)自動化運行的監(jiān)管，能實現(xiàn)24h 全天候連續(xù)運轉(zhuǎn)，并按工藝要求進(jìn)行自動操作。（5）利用工藝參數(shù)的反饋，實現(xiàn)過程的穩(wěn)定控制（液位、溫度、流量、PH 值和溶解氧），提高反應(yīng)效率、節(jié)約能源，并提高系統(tǒng)的抗沖擊性能。（6）實現(xiàn)厭氧處理過程集水井液位與2 臺入水泵、初沉池液位與2 臺冷卻塔進(jìn)料泵、均衡池液位與2 臺調(diào)制池進(jìn)水泵、2 臺淺液式攪拌機(jī)之間的連鎖控制。（7）實現(xiàn)冷卻塔溫度與冷卻塔2 臺風(fēng)扇、調(diào)制池回流管溫度與進(jìn)料閥門XV-401A/B、堿液投加泵、鹽酸投加泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵之間的聯(lián)鎖控制。（8）實現(xiàn)2 臺初沉池污泥泵、進(jìn)料閥門XV-401A/B、厭氧污泥泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵的時間控制。（9）實現(xiàn)調(diào)制池回流管流量開關(guān)與進(jìn)料閥門XV-401A/B、厭氧污泥泵、堿液投加泵、鹽酸投加泵、磷酸投加泵以及尿素投加泵之間的聯(lián)鎖控制。（10）實現(xiàn)好氧處理過程集水井液位與提升泵的聯(lián)鎖控制。（11）實現(xiàn)曝氣池溶解氧（DO）與4 臺羅茨鼓風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖控制。（12）實現(xiàn)液位、溫度、流量、PH 值和溶解氧（DO）的高低限報警。（13）實現(xiàn)好氧處理過程加藥設(shè)備的控制。（14）實現(xiàn)脫水機(jī)房相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)顯示及故障報警顯示。（15）對所有帶控制點的電機(jī)和泵實現(xiàn)啟停控制。（16）實現(xiàn)模擬量的歷史趨勢及趨勢圖表顯示。（17）實現(xiàn)必要的流量累計功能。（18）實現(xiàn)整個污水處理系統(tǒng)所有電機(jī)、泵的故障報警。

3 污水處理自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計是污水處理的重要組成部分，污水處理自動控制系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。在污水處理系統(tǒng)中，關(guān)于污水處理自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，以下將從污水處理系統(tǒng)控制和PLC控制系統(tǒng)硬件的介紹來闡述，其具體內(nèi)容如下：

3.1 污水處理系統(tǒng)控制介紹。污水處理系統(tǒng)控制對象既有開關(guān)量又有模擬量，污水處理過程的共同特點就是開關(guān)量多，模擬量少；與此同時，既有開環(huán)控制又有閉環(huán)控制，具體在污水處理系統(tǒng)控制中，以邏輯控制為主，閉環(huán)控制為輔。污水處理系統(tǒng)控制的控制系統(tǒng)包括兩套CPU412 控制器，三條通訊鏈路，三個ET200M 從站。工程師站通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實現(xiàn)對全廠設(shè)備的監(jiān)控、水質(zhì)數(shù)據(jù)記錄、生產(chǎn)報表等功能。其中，自動控制柜是整個自動控制系統(tǒng)的核心部分，自動控制系統(tǒng)的功能主要是由PLC按照實現(xiàn)編好的程序進(jìn)行控制。

3.2 PLC控制系統(tǒng)硬件介紹。可編程邏輯控制器，簡稱PLC。PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計需要考慮的PLC產(chǎn)品種類。從PLC的定義上看，PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，它采用了可編程序的存儲器，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，取代了繼電器控制裝置的要求，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC控制系統(tǒng)硬件，根據(jù)對控制系統(tǒng)工藝特點和現(xiàn)場生產(chǎn)的條件，適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要，例如采用了S7-400 PLC作為主站，從站采用有源底板總線的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來，每塊信號模塊都帶有總線連接器。安裝時先將有源底板裝入導(dǎo)軌，然后依次將各模塊插入，最后將這組模塊固定在導(dǎo)軌上。

4 污水處理自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。目前污水處理的PLC控制系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在污水處理系統(tǒng)中，關(guān)于污水處理自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。以下將從PLC控制程序的開發(fā)和上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)兩個方面進(jìn)行深入探討，下文將逐一進(jìn)行分析。

4.1 PLC控制程序的開發(fā)。PLC控制程序的開發(fā)要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，按PLC的工作原理，PLC控制程序的開發(fā)可分為建立I/0 映像區(qū)、循環(huán)掃描。I/O 映像區(qū)的大小由用戶程序確定，對于系統(tǒng)的每一個輸入或輸出點總有輸入或輸出映像區(qū)的某一位與之對應(yīng)，PLC在執(zhí)行用戶程序時所需要的外部信息取自于I/O 映像區(qū)而不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。I/O 映像區(qū)的建立，使PLC工作時只和有關(guān)地址單元內(nèi)所存信息狀態(tài)發(fā)生關(guān)系，系統(tǒng)輸出也是只給內(nèi)存某一地址單元設(shè)定一個狀態(tài)。 PLC控制程序開發(fā)下位機(jī)是整個控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)完成所有的控制功能和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)。上位機(jī)監(jiān)控界面采用組態(tài)軟件WinCC 進(jìn)行開發(fā)，完成對系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及控制工藝流程的實時監(jiān)控。西門子視窗控制中心SIEMENS WinCC 是一個集成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)。WinCC 提供各種PLC驅(qū)動程序，因此使PLC與上位機(jī)聯(lián)接變得非常容易。由于監(jiān)控系統(tǒng)要求覆蓋幾乎整個工藝流程，因此在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時緊緊圍繞合理地安排信息反映形式，既要實現(xiàn)所有的功能模塊又要保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠運行。根據(jù)污水處理廠的自身工藝和控制系統(tǒng)對上位機(jī)軟件的要求，上位機(jī)監(jiān)控軟件主要由登錄管理模塊、預(yù)測模塊、監(jiān)控界面、趨勢、報警、報表、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)幫助等模塊組成。

結(jié)語

總之，當(dāng)前污水處理任務(wù)十分緊迫，污水處理自動控制系統(tǒng)是一項綜合的系統(tǒng)工程，具有長期性和復(fù)雜性，利用自動控制系統(tǒng)處理好污水，在一定程度上可以避免環(huán)境惡化和經(jīng)濟(jì)資源的損失。關(guān)于污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)符合國家相關(guān)部門的電氣設(shè)計基本要求，并結(jié)合具體情況綜合考慮，選取設(shè)計成本較低，維護(hù)費用較少，可靠性較較強(qiáng)的污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計，只有這樣，才能保證水資源的持續(xù)再生功能的發(fā)揮，進(jìn)而改善水環(huán)境污染的現(xiàn)狀。

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