BDP污水處理工藝控制系統(tǒng)的研究

陳曉東，楊 俠，高 遠(yuǎn)，康 昊，劉根戰(zhàn)

（1.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢430205；2.西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710100）

近些年來(lái)， 隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了很多的生活污水和工業(yè)廢水。其中這些廢水中含有很多有害的物質(zhì)，如果對(duì)這些廢水不進(jìn)行處理就直接排放到河流湖泊中，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成毀滅性的破壞。要積極響應(yīng)國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策，所以要對(duì)污水進(jìn)行嚴(yán)格的處理，使其完全達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]后才可以排出。現(xiàn)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(diǎn)是將整個(gè)污水處理過(guò)程巧妙地安排在一個(gè)反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行，優(yōu)點(diǎn)十分突出：①低溶氧條件下完成同步硝化反硝化反應(yīng)；②低污泥產(chǎn)出；③低溶氧的條件下良好的除磷效果；④運(yùn)行高效。它是一項(xiàng)高效生物污水處理技術(shù)，通過(guò)一體化（QSYB）系統(tǒng)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(shí)它的操作管理及維護(hù)維修過(guò)程簡(jiǎn)便，可靠性高。通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝的自動(dòng)化[3]，大大提高了處理污水的效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，其操作簡(jiǎn)便，控制精度準(zhǔn)確，所以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制系統(tǒng)的意義重大[4]。表1為其工藝對(duì)比圖。

表1 BDP 工藝和傳統(tǒng)工藝的對(duì)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(jù)污水情況，本次選用預(yù)處理+生化+深度處理工藝進(jìn)行處理。污水首先由格柵攔截大顆粒雜質(zhì)，然后進(jìn)入到調(diào)節(jié)池進(jìn)行水質(zhì)、水量均衡作用，再以污水泵提升至一體化設(shè)備進(jìn)行生化處理，經(jīng)過(guò)一系列處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。污泥通過(guò)污泥泵進(jìn)入污泥池，進(jìn)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(zhì)不穩(wěn)定，污水在進(jìn)入生物處理之前都必須進(jìn)行預(yù)處理，以保證后續(xù)處理工段的運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，預(yù)處理系統(tǒng)采用格柵和調(diào)節(jié)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(xù)處理設(shè)施。調(diào)節(jié)池用于調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，保證水質(zhì)水量穩(wěn)定。二級(jí)生化處理采用一體化（QSYB）工藝，即清水源生物強(qiáng)化技術(shù)。

1.2 電氣控制的整體要求

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制， 采用1 個(gè)整體控制箱，箱外采用觸摸屏式一體化控制。設(shè)有故障報(bào)警和清渣維護(hù)等報(bào)警蜂鳴器報(bào)警，整套系統(tǒng)設(shè)置急停按鈕[5]。利用工控機(jī)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在顯示屏上能實(shí)時(shí)看到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)采用西門(mén)子PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，通過(guò)PLC 來(lái)控制加藥計(jì)量泵、鼓風(fēng)機(jī)、潛污泵、空氣電動(dòng)閥、反洗泵、閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)，然后各個(gè)液位傳感器把當(dāng)前的液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)傳輸給A/D轉(zhuǎn)換模塊， 然后將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給PLC，然后根據(jù)收到的信號(hào)，迅速地做出判斷，來(lái)控制各個(gè)工件[7]。用網(wǎng)線把PLC 和工控機(jī)連接起來(lái)，通過(guò)顯示屏來(lái)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，這樣就可以看到整個(gè)工藝流程和各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)。在控制柜上用組態(tài)軟件通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)，能更加直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 硬件選擇

上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是研祥公司的IPC-810E 工控機(jī)，采用MCGS 組態(tài)軟件。下位機(jī)采用昆侖通態(tài)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(dá)到了1024×768，是鋁合金結(jié)構(gòu)，防撞擊，具有強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能[9]。電氣控制系統(tǒng)選用的PLC 是西門(mén)子S7-1200 （1214C），S7-1200 的可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活度高，支持PROFIBUS 主站從站通信，RS485 和RS232 通信模塊為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行提供連接及I/O 連接主站。其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control block diagram

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制程序設(shè)計(jì)

本控制程序采用西門(mén)子的編程軟件進(jìn)行TIA V13 SP1 進(jìn)行編寫(xiě)。編好完成后用通信網(wǎng)線下載到PLC 中。本程序包括1 個(gè)主程序和4 個(gè)子程序。

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)在投入使用后，后期需要進(jìn)行定時(shí)維修檢查，所以本系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，按照輸入到PLC 的程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)污水的自動(dòng)化處理； 手動(dòng)模式下用戶可以對(duì)所有電機(jī)、閥門(mén)和泵的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，手動(dòng)和自動(dòng)模式之間可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行自由切換。為了方便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理，操作員可以通過(guò)使用觸摸屏來(lái)控制各個(gè)工件的工作狀態(tài)。觸摸屏人機(jī)界面上的虛擬按鈕和上位機(jī)程序中的控制按鈕一樣，通過(guò)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(guò)硬件實(shí)現(xiàn)連接，后者通過(guò)程序設(shè)置實(shí)現(xiàn)連接，互不干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

子程序除了自動(dòng)和手動(dòng)模式以外，還有警報(bào)模式。警報(bào)模式，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，需要采取系統(tǒng)停車(chē)處理，顯示故障，蜂鳴器報(bào)警。根據(jù)指示燈的狀態(tài)，就可以知道當(dāng)下設(shè)備的工作情況。輸出模式的輸出是對(duì)加藥計(jì)量泵、鼓風(fēng)機(jī)、加藥計(jì)量泵、潛污泵、反洗泵、出水閥、進(jìn)水閥、排污水閥和清水進(jìn)水閥等的精準(zhǔn)和高效的控制。在系統(tǒng)正常運(yùn)行模式下，能看到各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。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(shí)現(xiàn)

主程序本控制系統(tǒng)是由一套PLC 控制系統(tǒng)組成[10]，選用的是西門(mén)子S7-1200（1214C）。本系列的PLC 同時(shí)擁有模擬量和數(shù)字量的輸出輸入功能，可同時(shí)擴(kuò)展多個(gè)模塊，還有很強(qiáng)大的指令功能，能滿足對(duì)設(shè)備的控制。對(duì)自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、警報(bào)模式和輸出模式進(jìn)行控制。其在顯示屏上就可以看到各個(gè)工件的工作狀態(tài)，其工作狀態(tài)圖如圖4所示。

圖4 工作狀況圖Fig.4 Working status diagram

自動(dòng)程序系統(tǒng)切換到自動(dòng)模式下，首先啟動(dòng)清洗程序。出水閥、潛污泵、加藥計(jì)量泵、空氣電動(dòng)閥按照設(shè)定程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。潛污泵的運(yùn)行狀態(tài)及液位采用浮球自動(dòng)控制，高開(kāi)低停操作。潛污泵停止工作后，啟動(dòng)反洗程序，上述設(shè)備停止工作。反洗泵、清水閥、空氣電動(dòng)閥按順序依次進(jìn)行工作。到達(dá)預(yù)定時(shí)間后，清洗程序和反洗程序關(guān)閉。打開(kāi)排污口，排出污泥廢渣。完成上述所以動(dòng)作后，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，繼續(xù)重復(fù)上述動(dòng)作。

手動(dòng)控制當(dāng)系統(tǒng)的自動(dòng)程序正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，手動(dòng)系統(tǒng)是處于預(yù)備狀態(tài)； 當(dāng)自動(dòng)程序出現(xiàn)故障時(shí)，可以代替自動(dòng)模式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。這樣可以讓控制系統(tǒng)能對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的控制，同時(shí)也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整性。其自動(dòng)模式和手動(dòng)模式在人機(jī)交換界面顯示屏上的顯示如圖5所示。

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

警報(bào)模式系統(tǒng)設(shè)備按設(shè)定程序運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，綠燈會(huì)亮起。在系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)故障時(shí)，這時(shí)紅燈亮起和蜂鳴器發(fā)出聲音，可以實(shí)時(shí)地判斷設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)指示燈和蜂鳴器的狀態(tài)，就可以迅速準(zhǔn)確知道當(dāng)下設(shè)備的工作情況。

4 結(jié)語(yǔ)

本污水處理工藝比傳統(tǒng)工藝無(wú)論是在占地面積，運(yùn)行成本、處理效率都有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)處理過(guò)的污水，可以滿足國(guó)家對(duì)污水的排放標(biāo)準(zhǔn)而且處理效率高。該系統(tǒng)有監(jiān)控系統(tǒng)和人機(jī)交換界面，大大提高了系統(tǒng)的精確度，同時(shí)自動(dòng)化程度高，節(jié)約了人力，方便管理，質(zhì)量穩(wěn)定，是一種高效的污水處理系統(tǒng)。