李麗榮 趙樹(shù)國(guó) 程金霞

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 邯鄲 056005)

1 引言

在水資源日益短缺的今天，做好城市生活污水的再生利用，有利于保護(hù)環(huán)境、保護(hù)水資源，促進(jìn)有限水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化程度也在不斷提高，但是由于資金投入不足、技術(shù)力量相對(duì)薄弱等因素，很多城市中小型污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)控制水平還比較低，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也有待提高。為此，本文根據(jù)某污水處理廠(chǎng)處理工藝，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于PLC的城市生活污水模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市生活污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控，提高了污水處理的技術(shù)管理水平，降低能耗，減少運(yùn)行費(fèi)用，在“京津冀”協(xié)同發(fā)展背景下該系統(tǒng)具有十分重要的意義。

2 城市污水處理工藝流程

某污水處理廠(chǎng)的城市生活污水的處理采用CASS (Cyclic Activated Sludge System)工藝，全稱(chēng)為循環(huán)式活性污泥法。CASS的整個(gè)工藝為一間歇式反應(yīng)器，在此反應(yīng)器中活性污泥法過(guò)程按曝氣和非曝氣階段不斷重復(fù)，將生物反應(yīng)過(guò)程和泥水分離過(guò)程結(jié)合在一個(gè)池子中進(jìn)行。在CASS工藝中，在反應(yīng)池的首部設(shè)置生物選擇器，不僅可以快速去除進(jìn)水中可溶性有機(jī)物，并且可以有效地抑制絲狀菌生長(zhǎng)和繁殖，消除污泥膨脹。隨著電子計(jì)算機(jī)的日益普及，CASS工藝由于其投資和運(yùn)行費(fèi)用低、處理性能高超，尤其是優(yōu)異的脫氮除磷功能而越來(lái)越得到重視。該工藝已廣泛應(yīng)用于城市污水和各種工業(yè)廢水的處理。

3 污水處理控制系統(tǒng)的組成

根據(jù)該污水處理廠(chǎng)的工藝流程和要求，本控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)兩級(jí)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定、抗干擾性能好的工控機(jī)，使用工控組態(tài)軟件對(duì)上位機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行組態(tài)，設(shè)計(jì)工藝流程、記錄查詢(xún)、報(bào)警、報(bào)表、參數(shù)設(shè)定等操作畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控與人機(jī)交互。下位機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中多個(gè)泵、閥門(mén)等設(shè)備的啟/停、開(kāi)/關(guān)控制，從而使該污水處理系統(tǒng)按照工藝要求完成自動(dòng)控制。系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上位機(jī)PC之間以及上位機(jī)和下位機(jī)PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，底層為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，下位機(jī)PLC主站和兩個(gè)從站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊。污水處理控制圖如圖1所示。

圖1 污水處理控制系統(tǒng)圖

1#PLC柜位于提升泵房?jī)?nèi)，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對(duì)粗格柵環(huán)節(jié)的液位差計(jì)，提升泵房的液位計(jì)，細(xì)格柵環(huán)節(jié)的PH分析儀、懸浮物在線(xiàn)分析儀、COD在線(xiàn)分析儀、氨氮在線(xiàn)分析儀、1#液位計(jì)、2#液位計(jì)、出水流量計(jì)等各類(lèi)儀表、執(zhí)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。2#PLC柜位于變配電間內(nèi)，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對(duì)CASS池A1內(nèi)溶解氧分析儀、懸浮物分析儀、液位計(jì)，CASS池A2內(nèi)懸浮物分析儀、液位計(jì)，CASS池A進(jìn)氣管流量計(jì)、CASS池B進(jìn)氣管流量計(jì)，鼓風(fēng)機(jī)出口總管流量計(jì)等各類(lèi)儀表、執(zhí)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，電氣控制原理圖如圖2所示。3#PLC柜位于污泥脫水間，其電氣控制系統(tǒng)主要完成對(duì)中間提升泵房的液位計(jì)，儲(chǔ)泥池內(nèi)的液位計(jì)、懸浮物分析儀、進(jìn)泥管道流量計(jì)，接觸池內(nèi)硝氮在線(xiàn)分析儀、出水管道流量計(jì)、COD在線(xiàn)分析儀、懸浮物分析儀等各類(lèi)儀表、執(zhí)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。

圖2 2#PLC工作站系統(tǒng)配置圖

2#PLC工作站為主站，位于變配電間內(nèi)，CPU具體型號(hào)選擇S7-300系列中應(yīng)用廣泛的CPU315-2DP。CPU315-2DP具有大中規(guī)模的程序容量，對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)有較高的處理性能，它有兩個(gè)PROFIBUS-DP主站/從站接口，可用于建立分布式1/0結(jié)構(gòu)和大規(guī)模I/O配置，并且可以通過(guò)CP通信卡來(lái)擴(kuò)展其DP接口。2#PLC工作站I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

CPU315-2DP帶有128KB集成式RAM，不能擴(kuò)展。 FB、FC、DB、OB的最大容量都為16KB，F(xiàn)B、FC最大模塊數(shù)為2048，DB最大塊數(shù)為1023，可以處理的最大模擬量I/O總數(shù)為1024個(gè)，最大數(shù)字量I/0總數(shù)為16384個(gè)。

表1 2#PLC工作站I/O點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

CPU315-2DP需要配置電源，這里選擇了PS307-5A。

4 軟件設(shè)計(jì)

本污水處理系統(tǒng)下位機(jī)PLC編程軟件設(shè)計(jì)選用的是西門(mén)子編程軟件STEP 7，STEP 7 對(duì) PLC 進(jìn)行編程采用結(jié)構(gòu)化程序，把程序分成多個(gè)模塊，各模塊完成相應(yīng)的功能。每個(gè)模塊實(shí)際上就是一個(gè)子程序，用相應(yīng)子程序?qū)崿F(xiàn)特定的功能，再通過(guò)主程序來(lái)調(diào)用子程序，然后再結(jié)合起來(lái)從而就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的污水處理控制。

本次程序設(shè)計(jì)中所用到的各個(gè)邏輯塊，如圖 3所示。S7-300 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶(hù)程序的方式。所有的 FC 邏輯塊均放在OB 塊中進(jìn)行循環(huán)。OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在啟動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用 OB1，在 OB1 中可以調(diào)用其他邏輯塊(FB、SFB、FC 或 SFC)。

圖3 創(chuàng)建功能塊

CASS池自動(dòng)控制，CASS生物池運(yùn)行周期為4個(gè)階段： 進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水，每個(gè)階段由相應(yīng)的一組設(shè)備動(dòng)作完成。CASS生物池運(yùn)行周期為 4h，其中進(jìn)水1h、曝氣2h、沉淀0.5h、潷水0.5h。其控制流程圖如圖4所示。

污水處理控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用性能穩(wěn)定、抗干擾性能好的工控機(jī)，使用工控組態(tài)軟件KingView6.53對(duì)上位機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行組態(tài)，進(jìn)行工藝流程、記錄查詢(xún)、報(bào)警、報(bào)表、參數(shù)設(shè)定等操作畫(huà)面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

圖4 CASS池控制流程圖

該污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)采用兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上層為工業(yè)以太網(wǎng)，用于上位機(jī)PC之間以及上位機(jī)和下位機(jī)PLC之間的通訊，底層為PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，用于下位機(jī)PLC主站和從站之間的通訊。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC 控制的生活污水處理控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中多個(gè)泵及閥門(mén)的啟/停、開(kāi)/關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)了生活污水處理過(guò)程的自動(dòng)化操作；同時(shí)，采用組態(tài)王軟件對(duì)上位機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行組態(tài)，設(shè)計(jì)了多個(gè)監(jiān)控操作畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。通過(guò)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期要求。