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基于PLC的污水處理自動控制系統研制
更新時間:2018-06-28 來源:開天源水務信息化 作者:郝佳 劉軍

  1、引言

  隨著現代工業技術的發展,工業生產過程中存在著-些化學反應,這些化學反應會產生大量污水,如果不加處理就將這些污水排人江河,將對生態環境造成嚴重的破壞,因此國家規定工業污水必須經過處理達標后才能排放。

  在污水處理過程中,生化處理是-個極其復雜的動態過程,氧池中的溶氧濃度是-項非常重要的工藝參數,其控制精度的準確性直接影響污水處理合格程度。傳統的的污水處理方法,易受到操作工人技術水平、責任心等因素的影響。為了降低耗能,減輕操作工人勞動強度,提高勞動效率,必須盡快大幅度的提高污水處理的自動化水平。因此,研制污水處理自動控制系統具有非常重要的現實意義。

  本文以某高校的某個污水處理站工程項目為背景,結合該污水處理站的工藝和控制要求,介紹所研制的污水處理自動控制系統技術特點。

  2、污水處理工藝和設備

  2.1污水處理站的工藝及設備組成污水處理站主要由格柵、調節池、脫氧池、缺氧池、好氧池、污泥池、終水儲蓄池及相關配套設備組成等組成,如圖1所示。

170807 基于PLC的污水處理自動控制系統研制 (1).png

  (1)格柵:是由-種獨特的耙齒裝配而成,在電機減速器的驅動下,耙齒鏈進行逆水流方向回轉運動,當耙齒鏈運行到設備的上部時,由于槽輪和彎軌的導向,使每組耙齒之間產生相對運動,這樣污水中的漂浮物及-些細小的懸浮物就可以被濾除。

  (2)調節池:由鋼筋混泥土構建,尺寸為21.5m×19.0m×3.0m,位于整個污水處理站的中央,可以調節進、出水流量,保證不受污水高峰流量或濃度變化而帶來的影響。

  (3)脫氧池:污水經調節池預處理后直接進入生化反應池中的脫氧池,硝化菌在該池中利用污水中的大分子(主要是蛋白質)有機物進行硝化反應降解為小分子(主要是硝酸鹽)。同時,將污水中磷元素釋放出來。

  (4)缺氧池:在缺氧池中,從脫氧池出來的硝酸鹽與該池中的反硝化菌進行反硝化脫氮,把硝酸鹽變為氮氣或者-氧化氮排到大氣中。同時,釋放少量的磷元素。

  (5)好氧池:在好氧池中,聚磷菌大量吸收污水中的溶解性磷以聚磷酸鹽的形式儲存在體內,達到去除磷元素的目的。

  (6)污泥池:由鋼筋混泥土澆灌而成,尺寸為4.0m×4.0m×5.0m,位于半地下,儲存污水經處理后產生的污泥。

  (7)終水儲蓄池:由鋼筋混泥土構建,尺寸為8.7m×6.8m×3.3m,位于地下,儲存處理后的水。

  (8)相關配套設備:主要包括污水提升泵、潛水攪拌機、潛水回流泵、過濾泵、羅茨風機、加藥泵以及現場各種傳感器組成,這些設備配合各種池子組成完成整個污水處理過程。

  2.2污水工藝流程

  校園內教學、飲食、生活污水首先進入格柵,經過其粗處理后進入調節池;其次經過混合后進入脫氧池,把大分子的有機物中氧元素通過生化反應處理掉;然后不含氧的有機物直接進入缺氧池;再次進入好氧池;最后分別進入終水儲蓄池和污泥池。工藝過程如圖1所示。

  2.3控制技術要求生化反應池溶氧濃度是污水處理中最關鍵工藝參數,其控制精度直接影響污水處理的品質,脫氧池、缺氧池和好氧池溶氧濃度設定值如下所示:

  (1)脫氧池溶氧濃度<=0.2mg/L

  (2)缺氧池溶氧濃度介于0.2-0.5mg/L之間

  (3)好氧池溶氧濃度>=4mg/L

  3、污水處理控制系統組成和硬件實現

  3.1控制系統組成污水處理控制系統采用研華工控機(IPC)作上位機,西門子PLC、香港昌輝PID調節儀作為下位機;該系統上位機與西門子PLC之間通過Profibus現場總線連接,與PID調節儀等其它下位設備通過R$485總線進行數據傳輸,構成-種典型的中型DCS(集散控制系統),控制系統組成原理如圖2所示。

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  3.2系統硬件實現

  (1)上位監控設備:選擇臺灣研華公司工業控制計算機IPC-610H,該工控機配置奔騰核E5300(主頻3.4G)的CPU,4GB內存,500G硬盤,帶有RS-232C標準通訊接口及打印機并行口。該設備可以方便的與下位機通訊,實現了數據采集與監控。上位監控人機界面選擇25寸SAMSUNG液晶顯示器。

  (2)程序控制:該PLC控制系統由1套PLC組成,系統均選用德國西門子公司$7-300系列PLC(CPU315-2DP)。該系列PLC具有模擬量輸入和輸出、數字量輸入和輸出功能,具有豐富的指令,能很好滿足控制系統需要。CPU315-2DP模塊完成羅茨風機、過濾泵、消毒加藥泵及加藥攪拌風機的啟停控制、狀態檢測功能。7個SM321模塊完成了泄水器、污水提升泵、潛水攪拌機、潛水回流泵、污泥泵、屋頂風機等設備狀態檢測功能。3個SM322模塊完成泄水器、污水提升泵潛水攪拌機、潛水回流泵污泥泵、屋頂風機等設備的控制功能。3個SM331模塊完成氧池流量、液位、氨氮濃度、COD濃度、溶氧濃度以及調節池、終水儲蓄池液位工藝參數檢測功能。2個SM321模塊通過變頻器完成控制羅茨風機、潛水回流泵轉速的功能。

  (3)溶氧濃度控制:脫氧池、缺氧池和好氧池的溶氧濃度都采用PID調節儀和PLC分別作為調節器的主從雙機冗余控制模式(3個控制回路),PID調節儀作為主系統控制器,PLC作為是從系統控制器;當主系統正常工作時,從系統處于熱備狀態,-旦主系統出現故障,從系統立刻代替主系統工作,并由熱備狀態轉入運行狀態,當主系統恢復正常后,從系統自動退出運行狀態返回熱備狀態,這樣就大大提高了該控制回路的穩定性和可靠性。其控制系統構成如圖3所示。

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  4、系統控制軟件設計

  4.1控制程序設計

  控制主程序采用STEP7V5.3SP3軟件在PC機上進行編程,完成后下載到PLC中即可。控制程序由1個主程序和3個子程序組成。

  控制主程序包括初始化程序和控制程序。初始化程序完成了系統的初始化和故障診斷與連鎖保護,在設備出現故障時,進行聲光進行報警。控制程序完成工藝參數檢測、輔助設備啟停控制、溶氧濃度檢測控制,分別調用相應的控制子程序。

  4.2控制子程序設計控制子程序包括:

  (1)工藝參數檢測控制子程序:該子程序完成氧池流量、液位、氨氮濃度、COD濃度、調節池及終水儲蓄池液位檢測。

  (2)輔助設備啟停控制子程序:該子程序主要完成泄水器、污水提升泵、潛水攪拌機、潛水回流泵、污泥泵及屋頂風機的自動/手動、本地/遠程運行控制。

  (3)溶氧濃度控制子程序:由于污水處理過程中的溶氧控制系統具有非線性、大慣性、大時滯、時變和難以精確建模等特點,致使污水處理過程中的溶解氧控制成為整個污水處理自動控制系統中的關鍵性問題,其控制精度直接關系到污水排放進程狀態和系統能源消耗。目前,國內-般采用簡單的PID控制,-般的PID控制無法實現上述溶解氧控制系統自身的特點。針對這些問題,本文設計-種將PID控制和模糊控制二者相結合的控制器——模糊自適應PID控制器,應用模糊推理方法實現對PID參數的在線自整定。

  具體體現在控制策略中設計3個獨立的模糊參數控制器,由上位機對每個模糊參數控制器采用自適應PID與Fuzzy控制相結合的復合Fuzzy-PID控制器,確保了整個氧池內溶氧濃度達到設定值。二維Fuzzy與自適應PID并行復合Fuzzy-PID控制器,其控制策略原理如圖4所示。

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  4.3上位監控軟件開發

  上位機監控畫面采用組態王Wincc7.0在Windows XP professional系統上進行開發,監控系統軟件運行畫面分為用戶管理界面、工況圖畫面、數據趨勢曲線畫面、歷史報表畫面、報警畫面等。監控軟件組成結構如圖5所示。

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  該監控軟件主要實現功能:工況圖對井式爐的工作狀況進行實時監控,按照工況與工藝流程實時顯示各主要工藝參數,如氧池流量、液位、氨氮濃度、COD濃度和調節池、終水儲蓄池液位等,同時還可以反映出各個輔助設備運行狀況;數據趨勢畫面可以對反映各個工藝參數運行趨勢情況進行查看,可以查看實時趨勢和歷史趨勢;歷史報表畫面可以查看所有工藝參數歷史報表,并對生成記錄數據進行存儲和打印;報警畫面可以對各工藝參數超限需要報警的變量進行報警并記錄。系統在運行過程中各工藝參數如果出現異常隋況,計算機監控系統控制柜上的紅色報警燈閃動并且發出聲音,同時工控機的監視主畫面上會出現故障提示,系統自動停止動作。此時操作人員必須對報警進行確認,根據監控畫面上顯示的故障提示,進行檢修。工控機自動對各個工藝參數的故障記錄并存盤,系統硬盤可以存儲-年以上的數據,供用戶實時和歷史打印。

  5、結束語

  該系統設計滿足污水處理站的工藝和控制要求,控制精度高,動態響應快,實現了污水處理的全過程優化控制,對改善水處理工藝水平、穩定質量、提高工作效率效果顯著,具有-定的應用推廣價值。

來源:開天源水務信息化

編輯:王文靜、于存杰 

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