基于PLC的中小城鎮(zhèn)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

梁海龍，白峭峰，梅小龍

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

1 污水處理工藝

中小城鎮(zhèn)污水主要為居民生活污水，包含少量工業(yè)廢水。污水中含有固體懸浮物、微生物、氮、磷、難降解有機(jī)物、重金屬等，且水質(zhì)和水量不穩(wěn)定。與大城市對比，中小城鎮(zhèn)污水處理廠存在資金來源缺乏和管理技術(shù)水平低等缺陷。因此，本文采用鼓風(fēng)曝氣氧化溝污水處理工藝進(jìn)行污水處理。污水處理工藝過程主要包括預(yù)處理單元、二級處理單元、污泥處理單元。具體處理工藝如圖1所示。

圖1 污水處理工藝

污水通過地下管道進(jìn)入中小城鎮(zhèn)污水處理廠，在粗格柵功能塊中去除較大的懸浮、漂浮物，然后在提升泵房中將污水提升到一定高度，以滿足污水處理流程的總體勢能要求。接著污水進(jìn)入細(xì)格柵功能塊中，過濾掉較小的懸浮、漂浮物，經(jīng)過前面的物理處理后，送入?yún)捬醭刂羞M(jìn)行化學(xué)處理，調(diào)節(jié)水質(zhì)，最后送入氧化溝反應(yīng)池中進(jìn)行污水的徹底處理。

污水在厭氧池中能充分除磷，其特殊的工藝結(jié)構(gòu)適于聚磷菌生活，且具有足夠的空間和時間使聚磷菌充分釋放磷，達(dá)到污水處理的除磷效果；厭氧池中的潛水?dāng)嚢杵髂苁钩貎?nèi)的污泥保持懸浮狀態(tài)而不沉積，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

污水通過厭氧池除磷處理后，經(jīng)過進(jìn)水閥門進(jìn)入鼓風(fēng)曝氣氧化溝的缺氧段，在缺氧段內(nèi)與循環(huán)液充分混合，利用推進(jìn)器和曝氣器提供的驅(qū)動動力在氧化溝溝道內(nèi)循環(huán)運(yùn)動，且在氧化溝內(nèi)間隔布置的推進(jìn)器的推動下，使溝內(nèi)循環(huán)液流動狀態(tài)良好，溶解氧能夠呈分區(qū)變化，在遠(yuǎn)離曝氣器的溝道內(nèi)出現(xiàn)缺氧區(qū)。該工藝結(jié)構(gòu)使氧化溝溝道內(nèi)的有機(jī)物、溶解氧等的濃度呈梯度分布，為活性污泥的生物絮凝和生物脫氮提供了良好的環(huán)境。在好氧段內(nèi)，污水中的氮通過硝化菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時有機(jī)物氧化分解；而在缺氧段內(nèi)，硝態(tài)氮在反硝化菌的作用下被轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓欧诺酱髿庵?，達(dá)到除氮、除有機(jī)物的目的。

反應(yīng)完成后，有些沉降性較差的細(xì)小絮狀體甚至是解絮后的游離細(xì)菌可隨出水外漂，在終沉池中，處于上層的清液經(jīng)過潷水器后供用戶使用；下層的污泥分為兩部分處理，一部分輸送到污泥儲存池中，制作成泥餅，另一部分在剩余污泥泵的作用下返回厭氧池重新處理。

2 污水處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文將污水處理的3大環(huán)節(jié)細(xì)分為如下的狀態(tài)：預(yù)處理單元分為粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池；二級處理單元分為厭氧池、氧化溝、終沉池；污泥處理單元完成污泥的分類處理和污泥的運(yùn)輸?shù)?。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

選用S7－300PLC搭建整個控制系統(tǒng)。建立包括上位機(jī)計算機(jī)、S7－300PLC以及遠(yuǎn)程控制模塊和現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器等設(shè)備的控制系統(tǒng)。由于設(shè)備布局分散，因此采用S7－300PLC的遠(yuǎn)程模塊ETM200完成現(xiàn)場控制設(shè)備、傳感器等與PLC的鏈接。選用PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場I／O站與各單元級站點(diǎn)的通訊。本文設(shè)計的控制結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通訊量小，PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)完全能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，且系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時可靠。

圖2 系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)框圖

PLC與現(xiàn)場控制設(shè)備和傳感器之間的通訊通過PROFIBUS—DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)計算機(jī)與PLC的通訊通過MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。MPI網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)傳輸速率要求低且便宜，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)并行傳輸，且MPI通訊口在每個計算機(jī)CPU上都有，因此經(jīng)濟(jì)性好，節(jié)約成本。通過ETM200的使用，可以大大減少現(xiàn)場的線路布置數(shù)，同時能避免因數(shù)據(jù)傳輸線路的多而產(chǎn)生的信號的衰減和干擾，PLC與ETM200通過電纜連接。

選用西門子的7ML5211－1DAll液位傳感器、PH2100－PA的PH傳感器、K型熱電偶，通過溫度補(bǔ)償導(dǎo)線連接變送器實(shí)現(xiàn)將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入PLC遠(yuǎn)程模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 S7－300PLC設(shè)計

選用西門子STEP7進(jìn)行軟件編程，設(shè)計PLC程序塊由1個OB組織塊和2個功能FC塊組成。其中，OB塊是主程序塊，在運(yùn)行過程中調(diào)用其他2個FC塊來完成控制功能。FC1塊為預(yù)處理單元塊，F(xiàn)C2塊為二級處理和污泥處理單元塊。根據(jù)污水處理總體結(jié)構(gòu)框圖，確定輸入、輸出控制點(diǎn)數(shù)，分配內(nèi)存單元，變量地址。整體結(jié)構(gòu)分為手動控制和自動控制，鼓風(fēng)曝氣氧化溝為最重要的結(jié)構(gòu)，其工藝流程圖如圖3所示。

在氧化溝內(nèi)，污水與內(nèi)部的混合液充分混合稀釋后，在溝道內(nèi)循環(huán)流動。采用手動和自動同時存在的控制工作方式，出于安全角度考慮，優(yōu)先采用手動控制。具體控制功能為：在潛水推進(jìn)器的作用下，污水順著氧化溝的溝道前進(jìn)；根據(jù)PH的變化，控制加藥機(jī)的工作與否；根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)水流，以使溝道內(nèi)反應(yīng)溫度合適。

在編制流程圖的基礎(chǔ)上，給S7－300PLC分配地址、定義符號表、分功能，采用梯形圖在各塊內(nèi)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)軟件控制，最后離線模擬，檢驗(yàn)程序的邏輯功能，最后編譯、下載入PLC中。

圖3 氧化溝工藝流程圖

3.2 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)界面的設(shè)計采用組態(tài)王工控軟件。監(jiān)控畫面包括預(yù)處理單元、二級處理及污泥處理單元和實(shí)時趨勢圖。預(yù)處理單元監(jiān)控畫面如圖4所示，二級處理及污泥處理單元畫面如圖5所示。

圖4 預(yù)處理單元監(jiān)控畫面

圖5 二級處理及污泥處理單元畫面

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，包括現(xiàn)場各功能模塊運(yùn)行情況、數(shù)據(jù)采集、報警、過程監(jiān)控等。組態(tài)王是在基于C語言的腳本程序命令中編輯腳本，實(shí)現(xiàn)動畫的。

4 結(jié)束語

本文采用的污水處理系統(tǒng)，工藝流程簡單，構(gòu)筑物少，運(yùn)行管理方便，處理效果穩(wěn)定，工人勞動強(qiáng)度低，完全能滿足中小城鎮(zhèn)污水處理的要求。

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