摘?要：本文以MBR分散式污水處理設(shè)備為例，結(jié)合污水處理工藝介紹一種農(nóng)村污水處理設(shè)備控制方案，詳細描述相關(guān)的電氣原理、設(shè)備選型及控制程序等。將PLC控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，提出一種實現(xiàn)設(shè)備全自動化、無人值守的控制方法，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和運維效率。

關(guān)鍵詞：污水處理；膜生物反應(yīng)器；自動控制；控制系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施，生態(tài)環(huán)境部等五部門聯(lián)合印發(fā)了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)行動方案（2021—2025年）》，農(nóng)村生活污水垃圾治理作為主要舉措之一備受重視，至2025年，農(nóng)村生活污水治理率需達到40%［1］。國內(nèi)農(nóng)村地區(qū)具有人口密度較低，排出污水量少、濃度高等特點，其次因基礎(chǔ)建設(shè)不足，缺乏系統(tǒng)性的輸送生活污水的管道裝置，傳統(tǒng)的遠距離輸送、集中處理的方式［2］會加大投資成本且管道系統(tǒng)易出現(xiàn)堵、漏現(xiàn)象。分散式污水治理技術(shù)因其投資成本低、能耗小，占地面積小、管網(wǎng)收水率高、除污率高等優(yōu)點適用于農(nóng)村生活污水處理中。

膜生物反應(yīng)器（Membrane?Bioreactor，MBR）一體化污水處理是生物處理技術(shù)與膜分離技術(shù)相結(jié)合的污水處理技術(shù)［3］。因其容積負荷大、占地面積小、出水水質(zhì)好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于分散式農(nóng)村污水處理中。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水資源、土壤、病蟲害等領(lǐng)域監(jiān)測中，取得良好的經(jīng)濟效益［56］。同時，將PLC控制與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)手段在農(nóng)業(yè)［7］、機器人控制［8］等領(lǐng)域中多有應(yīng)用。因此，圍繞MBR一體化污水處理設(shè)備，本文介紹了一套實現(xiàn)設(shè)備工藝，農(nóng)村生活污水達標排放的自動化控制系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、程序開發(fā)、遠程監(jiān)控配置等方面進行闡述控制系統(tǒng)設(shè)計方案?？刂葡到y(tǒng)以可編程邏輯控制器（Programmable?Logic?Controller，PLC）為控制核心［4］，綜合利用水泵、風(fēng)機、閥門以及各類傳感器實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的自動化運行。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將MBR污水處理控制系統(tǒng)接入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)的云端監(jiān)控，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性、研發(fā)和運維人員工作效率，降低人力成本。

1?MBR污水處理設(shè)施介紹

MBR農(nóng)村污水處理設(shè)施由設(shè)備間和污水處理設(shè)備組成。設(shè)備間內(nèi)設(shè)控制柜、曝氣風(fēng)機、自吸泵、反洗泵、加藥桶等。污水處理設(shè)備包含調(diào)節(jié)池、污泥池、缺氧池、好氧池、膜池以及清水池。

設(shè)備運行時，調(diào)節(jié)池內(nèi)經(jīng)過預(yù)處理的生活污水通過管道進入缺氧池進行反硝化反應(yīng)，控制系統(tǒng)控制計量泵外加碳源并運行攪拌器，使缺氧池藥液混合均勻。缺氧池處理后的污水通過潛污泵泵入好氧池，同時計量泵外加PAC藥劑進行硝化反應(yīng)。好氧池內(nèi)污水自流入MBR膜池，控制系統(tǒng)檢測膜池液位、膜壓，當(dāng)達到啟泵液位時，調(diào)整出水閥門開度，并在膜壓限值以下啟動自吸泵進行抽吸，使得含泥污水透過膜組件進行過濾出水，同時膜池內(nèi)通曝氣系統(tǒng)，對膜組件進行擦洗，使得微小顆粒難以在膜絲上吸附凝聚。MBR污水處理系統(tǒng)長期運行后，膜通量會緩慢下降，需定期進行化學(xué)清洗，通過反洗自吸泵泵入清洗藥劑，去除膜組件內(nèi)吸附的污染物質(zhì)，恢復(fù)膜通量。MBR膜池設(shè)有排泥管路，定期開啟電磁閥，通過氣提的方式將沉降的污泥排至污泥槽。

2?控制系統(tǒng)設(shè)計

為使MBR污水處理設(shè)備按設(shè)定的工藝穩(wěn)定運行，設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC為控制核心，同時為滿足現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)的可視化、控制器參數(shù)的可編輯，控制系統(tǒng)采用人機交互界面HMI連接PLC。

2.1?硬件設(shè)計

為提高控制系統(tǒng)防護等級，防止電氣元件因溫濕度因素發(fā)生腐蝕生銹等故障，控制系統(tǒng)電控柜設(shè)有軸流風(fēng)機和智能溫濕度控制器。軸流風(fēng)機通過不斷更換柜內(nèi)空氣，降低柜內(nèi)溫度；當(dāng)濕度過高時，通過加熱器降低柜內(nèi)濕度，使得控制系統(tǒng)在最佳溫濕度下工作，保證設(shè)備的運行性能。

圖2中，電控柜總體采用從上至下、從左到右依次排列的布局。斷路器、控制器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、控制回路從上至下依次排開，電氣元件均為軌道安裝，元器件間連接線纜通過線槽進行防護并設(shè)有標識，利于檢修和維護；控制器與各儀器儀表之間的通信線均采用屏蔽線，以避免信號干擾；控制柜所有進出線均采用端子連接，便于連接和檢查。

控制柜門板上設(shè)有電表、觸摸屏、急停按鈕，系統(tǒng)手/自動切換旋鈕、設(shè)備啟/停切換旋鈕、設(shè)備狀態(tài)指示燈、故障指示燈等。緊急情況下，按下急停按鈕切斷設(shè)備電源，保護生命財產(chǎn)安全；系統(tǒng)手/自動切換旋鈕用于切換整個污水處理設(shè)施的運行模式，手動模式下，通過設(shè)備啟/停切換旋鈕實現(xiàn)泵、風(fēng)機等設(shè)備的啟停，即可避免因觸摸屏或控制器損壞導(dǎo)致設(shè)備無法臨時啟停；系統(tǒng)自動模式下，可通過觸摸屏觀察設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)置運行參數(shù)，設(shè)備自動運行；設(shè)備狀態(tài)指示燈用于顯示設(shè)備運行狀態(tài)，設(shè)備運行則點亮，停止則熄滅；故障指示燈用于設(shè)備故障報警，當(dāng)控制器檢測到設(shè)備跳閘、電流異常、膜壓超限、液位異常等故障，則信號點亮故障指示燈；電表用于監(jiān)控設(shè)備實時電耗狀態(tài)，檢測電壓、電流以及能耗。

2.2?程序設(shè)計

控制系統(tǒng)采用西門子S7200?SMART系列PLC，HMI為昆侖通態(tài)觸摸屏，分別基于STEP?7MicroWIN?SMART和McgsPro組態(tài)軟件實現(xiàn)控制程序的整體設(shè)計，PLC與觸摸屏通過以太網(wǎng)在同一網(wǎng)段下進行通信。

為使控制程序后期維護簡明易懂，PLC程序采用主程序+子程序的設(shè)計思路，將進水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等作為子程序用于主程序調(diào)用。

2.2.1?進水系統(tǒng)

常規(guī)基于時間的進水系統(tǒng)易受到液位變化、水泵功率變化等因素影響，導(dǎo)致設(shè)備的進水量時高時低，影響污水處理設(shè)備的處理效率。而本文采用的是基于時間+流量+液位的精準進水。自動模式下，可通過HMI預(yù)設(shè)日進水總量，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)總量和設(shè)備日工作時長計算出每小時內(nèi)單次進水總量。

Q單=Q總T

當(dāng)進水系統(tǒng)啟動時，PLC與電磁流量計通過RS485通信讀取并記錄MBR污水處理設(shè)備當(dāng)前累計流量值q1，PLC不斷讀取進水流量累計值qx，并與記錄的累計流量計相減，得到當(dāng)前單次進水總量q，當(dāng)單次進水流量達到預(yù)設(shè)值Q單時則停止進水。此外，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位過低時，停止進水，防止水泵空轉(zhuǎn)損壞。

Q單q=qx-q1

2.2.2?曝氣系統(tǒng)

PLC與負壓變送器通過模擬量信號（4～20mA）進行通信并實時讀取膜壓力值，當(dāng)膜壓超出預(yù)設(shè)的限定值時則停止膜曝氣風(fēng)機和自吸泵出水，節(jié)約能耗。PLC與在線溶氧儀、pH儀通過RS485協(xié)議通信，實時監(jiān)測設(shè)備的溶氧量和酸堿度，當(dāng)測定的溶氧值和酸堿度離開設(shè)定的正常區(qū)間范圍時，則輸出報警信號。

2.2.3?加藥系統(tǒng)

加藥系統(tǒng)采用的電磁隔膜式計量泵，通過模擬量信號（4～20mA）與PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，PLC輸出模擬量信號控制計量泵的加藥流量。加藥系統(tǒng)通過時間控制結(jié)合液位控制的方式進行，當(dāng)PLC檢測到啟泵液位時，按照時間和預(yù)設(shè)的加藥流量啟動計量泵，控制加藥時間與加藥量，當(dāng)液位過低時，停止計量泵運行，避免計量泵空轉(zhuǎn)損壞。

2.2.4?出水系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中出水系統(tǒng)設(shè)計有正常出水模式以及排澇模式。膜池內(nèi)設(shè)有電極式液位計，相較于浮子的液位計，電極式液位計可以有效避免曝氣產(chǎn)生的氣泡對液位監(jiān)測精度的影響。正常模式下，控制器打開出水閥門，關(guān)閉排澇閥門，實時監(jiān)測膜池液位，達到出水液位時，自吸泵啟動出水，開始按設(shè)定參數(shù)排水；低于停泵液位時，停止自吸泵出水。當(dāng)控制器通過雨水感應(yīng)傳感器檢測到大量雨水，同時前端調(diào)節(jié)池監(jiān)測到排澇液位時，啟動排澇模式，控制器關(guān)閉出水自吸泵和出水閥門后，打開調(diào)節(jié)池內(nèi)的排澇泵和排澇閥，將雨水直接排出，避免雨水直入污水處理設(shè)施。

2.2.5?觸摸屏程序

觸摸屏畫面如圖3所示，觸摸屏程序設(shè)置不同的窗口畫面，具有不同功能，主要有主畫面、設(shè)備管理、設(shè)備配置、設(shè)備參數(shù)、儀器儀表、系統(tǒng)時間、報警記錄、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)報表、設(shè)備信息等。

主畫面為待機畫面，顯示公司信息、設(shè)施工藝圖等；設(shè)備管理畫面用于顯示設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備模式切換等；設(shè)備配置畫面用于配置污水處理設(shè)施的處理規(guī)模、設(shè)備數(shù)量等；設(shè)備參數(shù)畫面為各負載的啟停時間、膜壓限值、閥門開度等參數(shù)設(shè)置；儀器儀表畫面用于實時顯示進出水流量、設(shè)備用電、溶氧值、pH值等各類儀器儀表監(jiān)控數(shù)據(jù)；系統(tǒng)時間用于校準和顯示系統(tǒng)實時時間；報警記錄畫面分為實時故障報警與歷史報警報表，便于現(xiàn)場運維人員及時發(fā)現(xiàn)問題以及為后續(xù)程序優(yōu)化提供數(shù)據(jù)；用戶權(quán)限畫面用于切換使用者賬戶，分為管理員、運維人員以及游客等，不同賬戶對應(yīng)不同的設(shè)置和查看權(quán)限；數(shù)據(jù)報表畫面用于顯示各負載每天的運行時長；設(shè)備信息畫面用于展示控制器程序和觸摸屏程序的運行版本、版本更替說明以及設(shè)備運維常見問題的基本處理方法。

2.3?遠程監(jiān)控系統(tǒng)

分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施由于位置分散、運維人力、資金等無法得到保證，無法第一時間發(fā)現(xiàn)污水處理設(shè)施運行故障并及時到場處理，使得農(nóng)村污水處理設(shè)施在實際運行中的處理效果不理想。

為解決上述設(shè)備運行過程中的難題，MBR污水處理設(shè)備控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)建遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)控制器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、觸摸屏間的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)PLC型號完成物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信配置，利用PLC采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)量，基于控制器數(shù)據(jù)點表，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器，實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)的遠程查看，同時能夠顯示設(shè)備位置信息，為運維人員提供定位導(dǎo)航服務(wù)。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)配置豐富的報警邏輯，包括液位異常、設(shè)備跳閘、電流異常、膜壓超限、流量異常、溶氧量異常、溫濕度異常等，實時遠程監(jiān)控污水處理設(shè)備的異常狀態(tài)，并自動形成運維工單通過語音或微信派發(fā)運維人員及時現(xiàn)場檢修。豐富的報警機制能夠降低運維人員現(xiàn)場日常巡檢次數(shù)，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性。

不同于觸摸屏的數(shù)據(jù)報表，遠程監(jiān)控系統(tǒng)因其具有較大的數(shù)據(jù)存儲量和較強的處理性能，其具備豐富的報表功能，能夠長期監(jiān)測設(shè)備進水流量、溫濕度變化以及不同腔室的溶氧量等數(shù)據(jù)，并形成可導(dǎo)出的數(shù)據(jù)曲線供研發(fā)人員進一步開展工藝研究，優(yōu)化設(shè)備開發(fā)。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)能直接遠程設(shè)定和修改設(shè)備參數(shù)，控制如風(fēng)機、水泵的啟停。通過透傳功能與現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)關(guān)遠程連接，實現(xiàn)控制器程序的遠程更新，減少研發(fā)人員現(xiàn)場維護頻次，節(jié)約時間和人力成本。

結(jié)語

本文以膜生物反應(yīng)器（MBR）農(nóng)村生活污水處理設(shè)施為例，介紹了一種基于控制器+觸摸屏+物聯(lián)網(wǎng)的自動化的無人值守控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠基于PLC采集的流量、液位等傳感器信號，將設(shè)備的控制方式參數(shù)化，因地制宜地設(shè)置設(shè)備運行參數(shù)，提高設(shè)備控制的靈活性和污水處理設(shè)備的出水達標率。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)村污水處理設(shè)備運行數(shù)據(jù)的云端監(jiān)控，加強設(shè)備監(jiān)管，設(shè)備故障及時處理，提高設(shè)備運行穩(wěn)定性，同時為后續(xù)研發(fā)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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作者簡介：嚴晨（1995—?），男，漢族，江蘇泰興人，碩士研究生，助理電氣工程師，研究方向：環(huán)保設(shè)備。