基于PASG污水處理工藝的智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范永勝 張 波 張克輝 賈 濱 吉高卿

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引言

在近幾年扎實(shí)推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的過(guò)程中，隨著城鎮(zhèn)化以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境遭受到較為嚴(yán)重的破壞.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)必須保護(hù)好我們的生態(tài)環(huán)境，而生態(tài)環(huán)境保護(hù)中最重要的就是水資源保護(hù).綜上所述，村鎮(zhèn)的污水處理工程如何合理化建設(shè)是一個(gè)至關(guān)重要的研究課題.因此，針對(duì)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展，設(shè)計(jì)建設(shè)小型污水處理廠(chǎng)是很有必要的.

1 處理工藝的選擇

本設(shè)計(jì)是針對(duì)河北省張家口市萬(wàn)全縣某村的污水進(jìn)行處理.村鎮(zhèn)污水處理應(yīng)該按其所處自然環(huán)境條件、人口多少、集聚程度、排水特點(diǎn)及去向、經(jīng)濟(jì)承受能力等諸多因素來(lái)確定系統(tǒng)的工藝路線(xiàn).根據(jù)河北省北方村鎮(zhèn)生活污水的水質(zhì)特點(diǎn)及污水處理工藝選擇的基本原則，可供選擇的污水處理工藝有人工快滲系統(tǒng)(CRI)、改良式氧化溝、地埋式園藝化高效污水處理系統(tǒng)(PASG)和連續(xù)流間歇生物反應(yīng)器(IBR)等.

圖1 PASG工藝流程圖

考慮到PASG(P:地埋式，A:以厭氧處理為主體，S:以綜合生物濾池為輔助措施，G:園林式)技術(shù)能夠?qū)⑽鬯幚砼c景觀園林工程協(xié)調(diào)建設(shè)，其具有去污率高、基本無(wú)剩余污泥和投資小、運(yùn)維成本低等優(yōu)勢(shì)，故該工程采用了PASG工藝，該工藝流程見(jiàn)圖1-1所示.

2 電氣系統(tǒng)主要硬件

2.1 主要控制對(duì)象

根據(jù)該村常住人口數(shù)量并考慮到該村現(xiàn)有一個(gè)集聚現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的規(guī)模，計(jì)算出該污水處理系統(tǒng)日需要處理的污水量，選擇的主要控制對(duì)象見(jiàn)表1所示.

表1 主要設(shè)備情況

2.2 控制器

為了減少運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，控制器采用了可靠性極高的西門(mén)子可編程控制器S7-200 SMART.S7-200 SMART是西門(mén)子公司于2012年推出的替代S7-200系列PLC的產(chǎn)品，由于其緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)等特點(diǎn)在各領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用.考慮到系統(tǒng)需要處理的信號(hào)數(shù)量以及布水器中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，此處選用的是標(biāo)準(zhǔn)型晶體管輸出方式的CPU ST60基本控制模塊.該系統(tǒng)PLC的I/O接線(xiàn)見(jiàn)圖2所示.

圖2 CPU ST60接線(xiàn)圖

CPU ST60有3個(gè)高速脈沖串輸出PTO發(fā)生器，可以通過(guò)數(shù)字量輸出點(diǎn)Q0.0、Q0.1或Q0.3輸出占空比50%的100 kHz高速脈沖串.此處通過(guò)Q0.0輸出的高速脈沖對(duì)等角度恒力矩細(xì)分型高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器YKC3277MA進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)布水器中步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定位控制，起到了節(jié)能控制的目的.

由于PASG工藝整套設(shè)施埋于地下,即使在較為寒冷的冬季也不必?fù)?dān)心結(jié)冰影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，但是近些年極端天氣越來(lái)越多，地處我國(guó)北方的張家口冬季極寒天氣越來(lái)越頻繁，為此設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)及加熱系統(tǒng).由于污水水質(zhì)成分相對(duì)比較固定，為了做到無(wú)人值守，設(shè)計(jì)了自動(dòng)定時(shí)定量的加藥裝置.

2.3 布水器

布水器就是在一定的工作面積上均勻布水，在水處理中有著至關(guān)重要的作用.考慮污水處理能力后續(xù)可能的擴(kuò)容和升級(jí)改造，系統(tǒng)采用了有十孔均勻分布的旋轉(zhuǎn)布水器，六個(gè)正常出水口至綜合生化池，1個(gè)反沖洗，其余3個(gè)封堵暫時(shí)封堵未使用.由于相鄰3個(gè)出口封堵，其余7個(gè)出口均勻布水，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定難度.布水器自帶兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置，當(dāng)布水器旋轉(zhuǎn)部分旋轉(zhuǎn)到某個(gè)孔附近時(shí)，對(duì)應(yīng)的接近開(kāi)關(guān)黃色指示燈或紅色指示燈亮.如圖2-1所示，兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)接于PLC的數(shù)字量輸入端Q0.2和Q0.3.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制對(duì)象的規(guī)律性強(qiáng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了SFC設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)出基本框架，后轉(zhuǎn)換為直觀的梯形圖程序.系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，當(dāng)需要系統(tǒng)調(diào)試時(shí)可以設(shè)置為手動(dòng)工作方式，此時(shí)利用控制柜上的相應(yīng)按鈕可對(duì)每個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)控制.

在自動(dòng)控制模式下，污水提升泵根據(jù)污水隔渣池內(nèi)的液位變速運(yùn)行，抽水至加熱池后自流入?yún)捬醭?，?dāng)厭氧池液位至高位時(shí)污水提升泵停止，軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖3(a).

厭氧池內(nèi)的工藝泵除了在低液位至高液位之間變頻運(yùn)行外，工藝泵和分水布水器聯(lián)鎖，只有工藝泵工作布水器才工作，且在布水器配水管旋轉(zhuǎn)期間工藝泵以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)行以減輕水路壓力，節(jié)能且安全，軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖3(b).

圖3 軟件流程圖

集水池提升泵和清水池內(nèi)的清水泵控制理念類(lèi)同工藝泵，只是集水池液位至高液位時(shí)工藝泵停止工作，而清水池液位至高位時(shí)集水池提升泵停止工作.集水池內(nèi)的回流泵和沉淀池內(nèi)的污泥泵以及風(fēng)機(jī)根據(jù)工藝及水質(zhì)情況定時(shí)間隔運(yùn)行即可.

在系統(tǒng)上電初始化后，布水器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不論原來(lái)在何位置，首先旋轉(zhuǎn)尋找布水器的原點(diǎn)位置，而原點(diǎn)位置是根據(jù)布水器旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)10個(gè)出水口時(shí)的紅色或黃色布水器傳感器感應(yīng)情況加以綜合設(shè)定.設(shè)計(jì)過(guò)程中確定原點(diǎn)位置后，再由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角算出可編程控制器在布水器各個(gè)停留位置應(yīng)該發(fā)出的脈沖數(shù)，最后根據(jù)工藝情況調(diào)試出布水器在各個(gè)停留位置應(yīng)停留的時(shí)間.為了徹底消除周期靜態(tài)誤差，布水器工作過(guò)程中每周都檢測(cè)原點(diǎn)位置，然后按照上述思路確定停留位置及停留時(shí)間.

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盡管該污水處理系統(tǒng)的規(guī)模不大，平時(shí)無(wú)人值守，但偶爾巡檢的是村委干部而非專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，為此本文以西門(mén)子公司的WINCC組態(tài)軟件為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng).具體是在選用SMART 700 IE V3觸摸屏的基礎(chǔ)上采用WINCC FLEXIBLE SMART V3 SP1組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì).該軟件具有良好的開(kāi)放性和靈活性，有著功能強(qiáng)大、通信穩(wěn)定及開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于各行各業(yè)的控制系統(tǒng).

所設(shè)計(jì)的污水處理運(yùn)行監(jiān)控主要由兩個(gè)界面組成.第一界面用以顯示各池中的液位和各電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，包括污水隔渣池、厭氧池、集水池和清水池的液位情況以及池中水泵的啟停狀態(tài)，另一個(gè)界面是布水器、回流泵、風(fēng)機(jī)和污泥泵的運(yùn)行狀態(tài)，并有統(tǒng)計(jì)回流泵和污泥泵的年運(yùn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì)及清零的功能，兩個(gè)界面可以相互切換.所設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有運(yùn)行情況顯示、設(shè)備故障提示、故障自診斷及控制等功能，受到用戶(hù)的認(rèn)可.

5 總 結(jié)

在推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的過(guò)程中，社會(huì)對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，人們對(duì)污水處理的方法及其設(shè)備也提出了更高的要求.本文結(jié)合PASG污水處理工藝，針對(duì)河北省張家口市某鄉(xiāng)村設(shè)計(jì)了一套完整的電氣控制系統(tǒng).系統(tǒng)使用西門(mén)子性?xún)r(jià)比高的最新產(chǎn)品S7-200 SMART PLC作為控制器，軟硬件設(shè)計(jì)體現(xiàn)了節(jié)能、可靠、智能化程度高的特點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行2年多以來(lái)控制狀況良好，滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的全自動(dòng)控制功能，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.