S7-300PLC在BAF法污水处理控制系统的应用

李茜

（西安航空职业技术学院 电子工程系，陕西 西安 710089）

伴随社会经济的发展，现代城市污水量不断增加，工业废水所占比重呈上升趋势。为了改善生态环境，充分进行废物利用，创建节约型、生态型城市。陕西省某县城通过对污水量的预测，结合城市发展前景，确定新建一规模为2×104m3/d污水处理厂。选用BAF工艺[1]，利用PLC自动化技术进行污水处理。

1 BAF污水处理工艺简介

BAF 即生物曝气滤池（Biological Aerated Filter），是上世纪80年代法国OTV公司于研究成功的一种新型淹没式生物滤池[2]。污水经格栅去除粗大漂浮、悬浮物后，进入出沉池或水解酸化池进行沉砂、除油和沉淀同时去除部分SS、化学需氧量、BOD等物质，经预处理的污水进入第一级BAF-C/N滤池，绝大部分化学需氧量、BOD在此进行降解，部分氨氮进行硝化，接着污水进入第二级BAF-N滤池（或C/N滤池），进行氨氮的彻底硝化及化学需氧量，BOD地进一步降解，同时进行化学除磷，以保证出水总磷≤0.5 mg/L，NH3-N≤5 mg/L，TN≤10 mg/L运行过程中，在一二级BAF底部进行供氧滤池运行一段时间后需对滤池进行反冲洗；反冲洗采用气水联合反冲洗，反冲洗污水通过排水缓冲池返回初沉池或水解酸化池，与原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥进行脱水处理，泥饼外运处置。若选用DN滤池+C/N滤池的脱氮工艺，则需将C/N滤池的出水回流。具体工艺流程如图1所示。

图1 BAF工艺流程图Fig.1 BAF process method flow diagram

2 基于BAF工艺的污水处理控制系统设计

鉴于该污水厂污水处理规模和BAF工艺的特点，本着技术先进，性价比高，实用可靠的原则，采用“集中管理、分散控制”的理念进行污水处理控制系统设计[3]。系统结构如图2所示，包括上位机管理层、下位机控制层和现场设备层。

1）上位机管理层

图2 基于BAF工艺的污水处理控制系统结构图Fig.2 Control system structure based on the BAF process of sewage treatment

该层设置在中央控制室，包括两台工程师站，主要完成对厂内各设备和仪器仪表的工况进行监测和远程控制，主要设备如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等，并对其信号进行采集显示。仪表工况如生产过程参数（流量、液位等）、水质参数（pH值、SS、DO等）。为了给用户提供一个科学合理的设备检修时间，上位机及时完成对所采集的数据进行处理、储存、显示和打印；并对污水厂重要设备（如提升泵、鼓风机、阀门等）的开/关次数和运行时间进行累计，生成设备管理报表。以上的设备和仪器仪表的监测与远控主要借助于WinCC V6.2组态软件开发的生产工艺流程图和各工艺单元流程图，各种过程参数、水质参数、电气参数的趋势图和生产统计报表。另外，通过界面设置了信号报警和联锁等功能，保证了生产的正常运行。

2）下位机控制层

该层选用代表当今潮流的西门子SIMATIC工业自动化产品S7-300PLC为控制核心，设计为软冗余系统。系统以S7-315-2DP CPU作为主站，与上位机管理层计算机采用以太网通信，并以以太网作为冗余网络为基础。与从站分布式I/O之间数据传输采用PROFIBUS-DP协议通讯方式，以确保高实时性和高动态响应要求。

3）现场设备层

该层主要为BAF工艺流程各阶段的现场设备和分布式ET200I/O从站，粗细格栅机、运输机、螺旋压渣机、提升泵、鼓风机、刮泥机、排泥泵、阀门等和PH/T、电容式液位计。

该层根据需要，设置了3个从站，分别完成预处理控制、BAF生物滤池处理、污泥脱水系统处理，主要设备有手动控制、遥控控制、自动控制3种方式，主要通过在控制层PLC中的用户程序实现。

3 系统硬件集成

1）上位机管理层 上位机管理层设两台研华工控机监控计算机（互为热备）、打印机等。两台ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/120Gb/512Mb/19’LCD互为热备。安装西门子STEP7 V5.4编程软件和西门子WinCC V6.2工业组态软件。

2）冗余PLC控制层及分布式控制子站 冗余PLC控制层中，PLC采用模块化结构设计的西门子CPU315-2DP可编程控制器。

①处理子站（ET200） 本站主要负责粗格栅、细格栅、旋留沉砂池、反应沉淀池的监测控制。

②BAF生物滤池子站（ET200） BAF生物滤池是本污水处理厂的关键，根据工艺要求对滤池的进水调节阀、出水闸门、气冲阀、水冲阀、排水阀、泄气阀及鼓风机、反冲水泵进行监控，来控制滤池的正常过滤和反冲洗这两个过程。实现过程控制可通过手动和自动两种方式。

③污泥脱水系统处理（ET200） 根据生产工艺要求，实现对污泥投加絮凝剂、混合、浓缩、脱水功能，最后生成污泥饼外运。

污水处理控制系统使用PROFIBUS-DP现场总线[3]，冗余了2个从站的分布式I/O，每个冗余的从站有2个PROFIBUS接口，一个是主接口，一个是备用接口。工作中，当主要从站出现故障时，后备从站接管它的功能。该系统从站在两条冗余的PROFIBUS总线上运行。

根据现场不同测控信号的分析，冗余控制系统模块配置如表1所示。

表1 S7-PLC冗余系统模块配置清单Tab.1 S7-PLC redundant system module configuration list

4 控制系统软件开发

根据BAF工艺要求，用户程序以西门子StepV5.2为下位机开发环境，运用模块化、面向对象（主要设备）的设计思想，对现场电动阀门、曝气机、鼓风机和水泵等电气设备开关实施顺序控制、时限控制和条件控制[4]。为了提高系统的可靠性，控制程序必须写入冗余段程序[5-6]。用户程序的设计流程如图3所示。

图3 BAF污水处理主程序流程图Fig.3 BAF sewage treatment main program flow chart

5 结束语

系统以PLC为核心，利用BAF工艺和冗余、现场总线技术实现了对整个县城的污水处理[7]。本系统投入运行以来，运行稳定可靠，自动化程度高，经系统处理后的污水达到了国家污水排放标准，完全达到了预期的目标。

[1]徐亚明，蒋彬．曝气生物滤池的原理及工艺[J]．工业水处理，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，王荣昌，夏四清.气浮／BAF／MBR组合处理洗浴废水回用工艺的自控设计[J].电气应用，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应用技术[M].北京:机械工业出版社，2005:334-350.

[5]SIMATIC S7-300/S7-400的软冗余功能手册[EB/OL]．http://support.automation.siemens.com//cn/view/zh/1137637．

[6]陈国章.污水处理自动监控系统设计与研究[D].山东：山东大学，2011.

[7]金萌时，魏中青，苗晓刚，等.基于PLC的自动分笼机控制系统研究与开发[J].工业仪表与自动化装置，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.