李茜

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，陜西 西安 710089）

伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代城市污水量不斷增加，工業(yè)廢水所占比重呈上升趨勢(shì)。為了改善生態(tài)環(huán)境，充分進(jìn)行廢物利用，創(chuàng)建節(jié)約型、生態(tài)型城市。陜西省某縣城通過(guò)對(duì)污水量的預(yù)測(cè)，結(jié)合城市發(fā)展前景，確定新建一規(guī)模為2×104m3/d污水處理廠。選用BAF工藝[1]，利用PLC自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行污水處理。

1 BAF污水處理工藝簡(jiǎn)介

BAF 即生物曝氣濾池（Biological Aerated Filter），是上世紀(jì)80年代法國(guó)OTV公司于研究成功的一種新型淹沒(méi)式生物濾池[2]。污水經(jīng)格柵去除粗大漂浮、懸浮物后，進(jìn)入出沉池或水解酸化池進(jìn)行沉砂、除油和沉淀同時(shí)去除部分SS、化學(xué)需氧量、BOD等物質(zhì)，經(jīng)預(yù)處理的污水進(jìn)入第一級(jí)BAF-C/N濾池，絕大部分化學(xué)需氧量、BOD在此進(jìn)行降解，部分氨氮進(jìn)行硝化，接著污水進(jìn)入第二級(jí)BAF-N濾池（或C/N濾池），進(jìn)行氨氮的徹底硝化及化學(xué)需氧量，BOD地進(jìn)一步降解，同時(shí)進(jìn)行化學(xué)除磷，以保證出水總磷≤0.5 mg/L，NH3-N≤5 mg/L，TN≤10 mg/L運(yùn)行過(guò)程中，在一二級(jí)BAF底部進(jìn)行供氧濾池運(yùn)行一段時(shí)間后需對(duì)濾池進(jìn)行反沖洗；反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖洗，反沖洗污水通過(guò)排水緩沖池返回初沉池或水解酸化池，與原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥進(jìn)行脫水處理，泥餅外運(yùn)處置。若選用DN濾池+C/N濾池的脫氮工藝，則需將C/N濾池的出水回流。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 BAF工藝流程圖Fig.1 BAF process method flow diagram

2 基于BAF工藝的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于該污水廠污水處理規(guī)模和BAF工藝的特點(diǎn)，本著技術(shù)先進(jìn)，性價(jià)比高，實(shí)用可靠的原則，采用“集中管理、分散控制”的理念進(jìn)行污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括上位機(jī)管理層、下位機(jī)控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。

1）上位機(jī)管理層

圖2 基于BAF工藝的污水處理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system structure based on the BAF process of sewage treatment

該層設(shè)置在中央控制室，包括兩臺(tái)工程師站，主要完成對(duì)廠內(nèi)各設(shè)備和儀器儀表的工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，主要設(shè)備如格柵機(jī)、提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行采集顯示。儀表工況如生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)（流量、液位等）、水質(zhì)參數(shù)（pH值、SS、DO等）。為了給用戶提供一個(gè)科學(xué)合理的設(shè)備檢修時(shí)間，上位機(jī)及時(shí)完成對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存、顯示和打??；并對(duì)污水廠重要設(shè)備（如提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、閥門等）的開(kāi)/關(guān)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，生成設(shè)備管理報(bào)表。以上的設(shè)備和儀器儀表的監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)控主要借助于WinCC V6.2組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)工藝流程圖和各工藝單元流程圖，各種過(guò)程參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、電氣參數(shù)的趨勢(shì)圖和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表。另外，通過(guò)界面設(shè)置了信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖等功能，保證了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2）下位機(jī)控制層

該層選用代表當(dāng)今潮流的西門子SIMATIC工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品S7-300PLC為控制核心，設(shè)計(jì)為軟冗余系統(tǒng)。系統(tǒng)以S7-315-2DP CPU作為主站，與上位機(jī)管理層計(jì)算機(jī)采用以太網(wǎng)通信，并以以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。與從站分布式I/O之間數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP協(xié)議通訊方式，以確保高實(shí)時(shí)性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

該層主要為BAF工藝流程各階段的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和分布式ET200I/O從站，粗細(xì)格柵機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、螺旋壓渣機(jī)、提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、刮泥機(jī)、排泥泵、閥門等和PH/T、電容式液位計(jì)。

該層根據(jù)需要，設(shè)置了3個(gè)從站，分別完成預(yù)處理控制、BAF生物濾池處理、污泥脫水系統(tǒng)處理，主要設(shè)備有手動(dòng)控制、遙控控制、自動(dòng)控制3種方式，主要通過(guò)在控制層PLC中的用戶程序?qū)崿F(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件集成

1）上位機(jī)管理層 上位機(jī)管理層設(shè)兩臺(tái)研華工控機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)（互為熱備）、打印機(jī)等。兩臺(tái)ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/120Gb/512Mb/19’LCD互為熱備。安裝西門子STEP7 V5.4編程軟件和西門子WinCC V6.2工業(yè)組態(tài)軟件。

2）冗余PLC控制層及分布式控制子站 冗余PLC控制層中，PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的西門子CPU315-2DP可編程控制器。

①處理子站（ET200） 本站主要負(fù)責(zé)粗格柵、細(xì)格柵、旋留沉砂池、反應(yīng)沉淀池的監(jiān)測(cè)控制。

②BAF生物濾池子站（ET200） BAF生物濾池是本污水處理廠的關(guān)鍵，根據(jù)工藝要求對(duì)濾池的進(jìn)水調(diào)節(jié)閥、出水閘門、氣沖閥、水沖閥、排水閥、泄氣閥及鼓風(fēng)機(jī)、反沖水泵進(jìn)行監(jiān)控，來(lái)控制濾池的正常過(guò)濾和反沖洗這兩個(gè)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制可通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。

③污泥脫水系統(tǒng)處理（ET200） 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥投加絮凝劑、混合、濃縮、脫水功能，最后生成污泥餅外運(yùn)。

污水處理控制系統(tǒng)使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線[3]，冗余了2個(gè)從站的分布式I/O，每個(gè)冗余的從站有2個(gè)PROFIBUS接口，一個(gè)是主接口，一個(gè)是備用接口。工作中，當(dāng)主要從站出現(xiàn)故障時(shí)，后備從站接管它的功能。該系統(tǒng)從站在兩條冗余的PROFIBUS總線上運(yùn)行。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同測(cè)控信號(hào)的分析，冗余控制系統(tǒng)模塊配置如表1所示。

表1 S7-PLC冗余系統(tǒng)模塊配置清單Tab.1 S7-PLC redundant system module configuration list

4 控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)BAF工藝要求，用戶程序以西門子StepV5.2為下位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用模塊化、面向?qū)ο螅ㄖ饕O(shè)備）的設(shè)計(jì)思想，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)閥門、曝氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和水泵等電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)實(shí)施順序控制、時(shí)限控制和條件控制[4]。為了提高系統(tǒng)的可靠性，控制程序必須寫(xiě)入冗余段程序[5-6]。用戶程序的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 BAF污水處理主程序流程圖Fig.3 BAF sewage treatment main program flow chart

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以PLC為核心，利用BAF工藝和冗余、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)縣城的污水處理[7]。本系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，經(jīng)系統(tǒng)處理后的污水達(dá)到了國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，完全達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

[1]徐亞明，蔣彬．曝氣生物濾池的原理及工藝[J]．工業(yè)水處理，2002，22（5）：l-5．XU Ya-ming，JIANG Bin.Working principle and technology of biological aerated filter[J].Industrial Water Treatment，2002，22（5）：l-5．

[2]Jepsen S-E，Laursen K，Jansen J C，et al.Denitrification in Submerged Filters of Nitrified Wastewater and Chemical Preprecipitated Wastewater[M].Springor Verlag，1992.

[3]郭冀峰，王榮昌，夏四清.氣?。疊AF／MBR組合處理洗浴廢水回用工藝的自控設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2007，26（3）:75-78.GUO Ji-feng，WANG Rong-chang，XIA Si-qing.Auto-control design of air-floatation/BAF/MBR bathing wastewater treatment process[J].Electrotechnical Application，2007，26 （3）:75-78.

[4]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:334-350.

[5]SIMATIC S7-300/S7-400的軟冗余功能手冊(cè)[EB/OL]．http://support.automation.siemens.com//cn/view/zh/1137637．

[6]陳國(guó)章.污水處理自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].山東：山東大學(xué)，2011.

[7]金萌時(shí)，魏中青，苗曉剛，等.基于PLC的自動(dòng)分籠機(jī)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2012（1）：35-37，60.JIN Meng-shi，WEI Zhong-qing，MIAO Xiao-gang，et al.Research and development on control system of automatic crate destacking machine based on PLC[J].Industrial Instrumentation&Automation，2012（1）：35-37，60.