BDP污水處理工藝控制系統的研究

陳曉東，楊 俠，高 遠，康 昊，劉根戰

（1.武漢工程大學 機電工程學院，武漢430205；2.西安航空發動機有限公司，西安710100）

近些年來， 隨著人口的增長和經濟的快速發展，產生了很多的生活污水和工業廢水。其中這些廢水中含有很多有害的物質，如果對這些廢水不進行處理就直接排放到河流湖泊中，會對生態環境造成毀滅性的破壞。要積極響應國家的節能環保政策，所以要對污水進行嚴格的處理，使其完全達到排放標準[1-2]后才可以排出。現在主要的污水處理工藝有SBR、A/O、及氧化溝等。生物倍增污水處理工藝的特點是將整個污水處理過程巧妙地安排在一個反應池內進行，優點十分突出：①低溶氧條件下完成同步硝化反硝化反應；②低污泥產出；③低溶氧的條件下良好的除磷效果；④運行高效。它是一項高效生物污水處理技術，通過一體化（QSYB）系統大大提高了微生物的處理效率，降低了污水處理能耗，減少了占地面積，同時它的操作管理及維護維修過程簡便，可靠性高。通過PLC 控制系統，可以實現整個工藝的自動化[3]，大大提高了處理污水的效率，降低了工人的勞動強度，其操作簡便，控制精度準確，所以實現其自動化控制系統的意義重大[4]。表1為其工藝對比圖。

表1 BDP 工藝和傳統工藝的對比Tab.1 Comparison between BDP process and traditional process

1 BDP 處理工藝流程

1.1 工藝流程

根據污水情況，本次選用預處理+生化+深度處理工藝進行處理。污水首先由格柵攔截大顆粒雜質，然后進入到調節池進行水質、水量均衡作用，再以污水泵提升至一體化設備進行生化處理，經過一系列處理，達到排放標準后排放。污泥通過污泥泵進入污泥池，進行濃縮后定期抽吸。污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

由于污水可能含有較多的懸浮物，且水量和水質不穩定，污水在進入生物處理之前都必須進行預處理，以保證后續處理工段的運行。根據現場狀況，預處理系統采用格柵和調節池。格柵的主要作用為攔截污水中的較大懸浮物，防止堵塞后續處理設施。調節池用于調節水質水量，保證水質水量穩定。二級生化處理采用一體化（QSYB）工藝，即清水源生物強化技術。

1.2 電氣控制的整體要求

要實現自動和手動控制， 采用1 個整體控制箱，箱外采用觸摸屏式一體化控制。設有故障報警和清渣維護等報警蜂鳴器報警，整套系統設置急停按鈕[5]。利用工控機對其運行狀態進行監控，在顯示屏上能實時看到設備的運行狀態[6]。

2 控制系統的硬件設計

2.1 控制系統組成

本控制系統采用西門子PLC 來實現自動控制，通過PLC 來控制加藥計量泵、鼓風機、潛污泵、空氣電動閥、反洗泵、閥門的運行狀態，然后各個液位傳感器把當前的液位信號轉化成電流信號傳輸給A/D轉換模塊， 然后將模擬量轉換為數字信號傳輸給PLC，然后根據收到的信號，迅速地做出判斷，來控制各個工件[7]。用網線把PLC 和工控機連接起來，通過顯示屏來對其進行監控，這樣就可以看到整個工藝流程和各個設備的工作狀態。在控制柜上用組態軟件通過顯示屏顯示出來，能更加直觀地了解系統的運行狀態。

2.2 硬件選擇

上位機的監控系統采用的是研祥公司的IPC-810E 工控機，采用MCGS 組態軟件。下位機采用昆侖通態MCGS TPC1061Hn[8]，它是以Cortex-A8 CPU為核心（主頻1 GHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。它采用了10.2 英寸高亮度TFT 液晶顯示屏，分辨率達到了1024×768，是鋁合金結構，防撞擊，具有強大的圖像顯示和數據處理功能[9]。電氣控制系統選用的PLC 是西門子S7-1200 （1214C），S7-1200 的可擴展性強、靈活度高，支持PROFIBUS 主站從站通信，RS485 和RS232 通信模塊為點對點的串行提供連接及I/O 連接主站。其系統控制框圖如圖2所示。

圖2 系統控制框圖Fig.2 System control block diagram

3 控制系統的軟件設計

3.1 控制程序設計

本控制程序采用西門子的編程軟件進行TIA V13 SP1 進行編寫。編好完成后用通信網線下載到PLC 中。本程序包括1 個主程序和4 個子程序。

因為本系統在投入使用后，后期需要進行定時維修檢查，所以本系統有自動和手動模式。自動模式下，按照輸入到PLC 的程序進行運轉，來實現污水的自動化處理； 手動模式下用戶可以對所有電機、閥門和泵的工作狀態進行控制，手動和自動模式之間可以根據現場的實際情況進行自由切換。為了方便對現場設備的管理，操作員可以通過使用觸摸屏來控制各個工件的工作狀態。觸摸屏人機界面上的虛擬按鈕和上位機程序中的控制按鈕一樣，通過軟元件與梯形圖程序中使用的中間繼電器M 相連接，前者通過硬件實現連接，后者通過程序設置實現連接，互不干擾，確保系統穩定性。

子程序除了自動和手動模式以外，還有警報模式。警報模式，當系統故障時，需要采取系統停車處理，顯示故障，蜂鳴器報警。根據指示燈的狀態，就可以知道當下設備的工作情況。輸出模式的輸出是對加藥計量泵、鼓風機、加藥計量泵、潛污泵、反洗泵、出水閥、進水閥、排污水閥和清水進水閥等的精準和高效的控制。在系統正常運行模式下，能看到各設備的運行狀態。圖3所示為程序控制流程。

圖3 程序控制流程Fig.3 Program control flow chart

3.2 控制程序的實現

主程序本控制系統是由一套PLC 控制系統組成[10]，選用的是西門子S7-1200（1214C）。本系列的PLC 同時擁有模擬量和數字量的輸出輸入功能，可同時擴展多個模塊，還有很強大的指令功能，能滿足對設備的控制。對自動模式、手動模式、警報模式和輸出模式進行控制。其在顯示屏上就可以看到各個工件的工作狀態，其工作狀態圖如圖4所示。

圖4 工作狀況圖Fig.4 Working status diagram

自動程序系統切換到自動模式下，首先啟動清洗程序。出水閥、潛污泵、加藥計量泵、空氣電動閥按照設定程序進行運轉。潛污泵的運行狀態及液位采用浮球自動控制，高開低停操作。潛污泵停止工作后，啟動反洗程序，上述設備停止工作。反洗泵、清水閥、空氣電動閥按順序依次進行工作。到達預定時間后，清洗程序和反洗程序關閉。打開排污口，排出污泥廢渣。完成上述所以動作后，系統回到初始狀態，繼續重復上述動作。

手動控制當系統的自動程序正常運轉時，手動系統是處于預備狀態； 當自動程序出現故障時，可以代替自動模式對設備進行控制。這樣可以讓控制系統能對設備實現實時的控制，同時也能保證系統的穩定性和完整性。其自動模式和手動模式在人機交換界面顯示屏上的顯示如圖5所示。

圖5 自動控制和手動控制界面Fig.5 Interface of automatic control and manual control

警報模式系統設備按設定程序運轉時，綠燈會亮起。在系統設備出現運轉故障時，這時紅燈亮起和蜂鳴器發出聲音，可以實時地判斷設備的運轉狀態。根據指示燈和蜂鳴器的狀態，就可以迅速準確知道當下設備的工作情況。

4 結語

本污水處理工藝比傳統工藝無論是在占地面積，運行成本、處理效率都有優勢。經過該系統處理過的污水，可以滿足國家對污水的排放標準而且處理效率高。該系統有監控系統和人機交換界面，大大提高了系統的精確度，同時自動化程度高，節約了人力，方便管理，質量穩定，是一種高效的污水處理系統。