陳曉東，楊 俠，高 遠(yuǎn)，康 昊，劉根戰(zhàn)

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

近些年來， 隨著人口的增長和經(jīng)濟的快速發(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)，如果對這些廢水不進行處理就直接排放到河流湖泊中，會對生態(tài)環(huán)境造成毀滅性的破壞。要積極響應(yīng)國家的節(jié)能環(huán)保政策，所以要對污水進行嚴(yán)格的處理，使其完全達到排放標(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是將整個污水處理過程巧妙地安排在一個反應(yīng)池內(nèi)進行，優(yōu)點十分突出：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運行高效。它是一項高效生物污水處理技術(shù)，通過一體化（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(tǒng)，可以實現(xiàn)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(zhǔn)確，所以實現(xiàn)其自動化控制系統(tǒng)的意義重大[4]。表1為其工藝對比圖。

表1 BDP 工藝和傳統(tǒng)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(jù)污水情況，本次選用預(yù)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(zhì)，然后進入到調(diào)節(jié)池進行水質(zhì)、水量均衡作用，再以污水泵提升至一體化設(shè)備進行生化處理，經(jīng)過一系列處理，達到排放標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)不穩(wěn)定，污水在進入生物處理之前都必須進行預(yù)處理，以保證后續(xù)處理工段的運行。根據(jù)現(xiàn)場狀況，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。二級生化處理采用一體化（QSYB）工藝，即清水源生物強化技術(shù)。

1.2 電氣控制的整體要求

要實現(xiàn)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(shè)有故障報警和清渣維護等報警蜂鳴器報警，整套系統(tǒng)設(shè)置急停按鈕[5]。利用工控機對其運行狀態(tài)進行監(jiān)控，在顯示屏上能實時看到設(shè)備的運行狀態(tài)[6]。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

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

2.2 硬件選擇

上位機的監(jiān)控系統(tǒng)采用的是研祥公司的IPC-810E 工控機，采用MCGS 組態(tài)軟件。下位機采用昆侖通態(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，分辨率達到了1024×768，是鋁合金結(jié)構(gòu)，防撞擊，具有強大的圖像顯示和數(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(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

3.1 控制程序設(shè)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(wǎng)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(tǒng)在投入使用后，后期需要進行定時維修檢查，所以本系統(tǒng)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(zhuǎn)，來實現(xiàn)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(tài)進行控制，手動和自動模式之間可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行自由切換。為了方便對現(xiàn)場設(shè)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(tài)。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(xiàn)連接，后者通過程序設(shè)置實現(xiàn)連接，互不干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)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(dāng)系統(tǒng)故障時，需要采取系統(tǒng)停車處理，顯示故障，蜂鳴器報警。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加藥計量泵、鼓風(fēng)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(zhǔn)和高效的控制。在系統(tǒng)正常運行模式下，能看到各設(shè)備的運行狀態(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]，選用的是西門子S7-1200（1214C）。本系列的PLC 同時擁有模擬量和數(shù)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(shè)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(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

自動程序系統(tǒng)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(shè)定程序進行運轉(zhuǎn)。潛污泵的運行狀態(tài)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(shè)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(yù)定時間后，清洗程序和反洗程序關(guān)閉。打開排污口，排出污泥廢渣。完成上述所以動作后，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，繼續(xù)重復(fù)上述動作。

手動控制當(dāng)系統(tǒng)的自動程序正常運轉(zhuǎn)時，手動系統(tǒng)是處于預(yù)備狀態(tài)； 當(dāng)自動程序出現(xiàn)故障時，可以代替自動模式對設(shè)備進行控制。這樣可以讓控制系統(tǒng)能對設(shè)備實現(xiàn)實時的控制，同時也能保證系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)設(shè)備按設(shè)定程序運轉(zhuǎn)時，綠燈會亮起。在系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)運轉(zhuǎn)故障時，這時紅燈亮起和蜂鳴器發(fā)出聲音，可以實時地判斷設(shè)備的運轉(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

本污水處理工藝比傳統(tǒng)工藝無論是在占地面積，運行成本、處理效率都有優(yōu)勢。經(jīng)過該系統(tǒng)處理過的污水，可以滿足國家對污水的排放標(biāo)準(zhǔn)而且處理效率高。該系統(tǒng)有監(jiān)控系統(tǒng)和人機交換界面，大大提高了系統(tǒng)的精確度，同時自動化程度高，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)。