高效污水处理工艺智能化控制系统的设计

葛艳，周骥平，高龙琴，周建华，朱兴龙，谈家彬

（1.扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127;2.江苏清溢环保设备有限公司，江苏江都 225200）

0 引言

污水处理工业的不断发展，对环保处理技术要求越来越高，尤其是处理效果和速度。目前，一代二代的沉淀池都是静态沉淀，速度慢，除污率不高。这种沉淀池占地面积很大［1］，且沉淀池随着污水厂的规模扩大而越做越大，对于土地资源紧缺的城市是十分不经济的。智能化高效澄清池可为污水处理运行紧凑、高效快捷的新工艺产业化创造条件，可有效降低占地面积和使用成本，提高产品的市场竞争力，更好地为发展水处理生产服务，提高水处理生产与应用的高效节约化水平，利于推行环境治理，为保护生存环境做出贡献。

随着机电一体化和计算机控制技术的发展，对自动化和智能化的高效污水处理系统提出了更高要求。本文通过对高密度沉淀污水处理工艺的分析，设计一套基于现场总线的智能化高效污水处理系统，实现了系统集中控制和科学管理的一体化。

1 高效污水处理工艺简介

1.1 高效污水处理工艺流程

如图1所示，原水首先进入混合搅拌池中进行搅拌并通过加药装置加药，使原水内的不同介质均匀搅拌，然后进入絮凝搅拌池中进行搅拌并加药，使得原水之间的絮凝物相互撞击吸附，絮凝体积加大沉淀，化学混凝反应是整个处理系统的关键步骤，在这个过程中将去除部分悬浮物，BOD或COD和P-P04。原水经絮凝反应后，按设计的上升流速上升［2］，废水中的大部分悬浮物直接沉淀于沉淀池底部，小部分沉淀较慢的悬浮物通过斜管装置和中心传动刮泥机，靠自重沉淀到沉淀池底部。中心传动刮泥机由驱动装置通过刮泥板将沉淀在池底的污泥带到中心集泥槽中，上部清水通过集水槽流入清水池。

图1 高密度沉淀池污水处理流程

1.2 主要控制点设计

1）提升泵站:污水通过提升泵站配送到高效澄清装置中。根据控制要求，实现提升泵站的自动和手动控制;实现自动调节进水流量和速度大小;实现用户在远程监视提升泵的运行状态;实现对进出水管道流量、流速、压力的检测，读取数值。

2）高效澄清池处理站:高效澄清池污水处理系统主要由混合池、絮凝池、沉淀池、液位计、刮泥机、搅拌电机、液位计、超声波泥位计、固体悬浮物测量仪表等部分组成。根据控制要求，系统要实现带变频电机的混合搅拌机和絮凝搅拌机的自动启停控制;实现混合搅拌机和絮凝搅拌机根据进水流量，流速具有自动调控功能;实现刮泥机的自动启、停控制。同时实现用户在远程监控刮泥机、搅拌机的运行状态，改变电机转速;实现污水处理池液位、泥位、固体悬浮物的在线监视，读取数值。

3）加药站:加药装置将混凝剂、高分子聚合物PAM等化学药剂通过投加计量泵投加到相应污水处理池中。根据控制要求，实现对加药泵自动和手动启、停控制;实现加药计量泵自动调节功能，使药深度调到预注范围值内，达到效果又不浪费药剂。同时实现用户在远程监视投加泵的运行状态，改变药量大小。

4）污泥处理站:浓缩的污泥通过污泥泵输送到脱水装置进行脱水处理，脱水后的泥饼外运，滤液回流至高效澄清池。污泥处理段主要由污泥泵、脱水装置、液位传感器组成。根据控制要求，系统实现对污泥提升泵、脱水装置的自动启、停控制。同时实现用户在远程监视污泥泵和脱水装置运行状态。

5）清水池及回水泵站:通过液位计的检测和电动调节阀的控制对清水池按要求进行排放。在回流管出水总干管上有一个电磁流量计，水泵进出口设置电动蝶阀和止回阀。根据控制要求，系统要实现对回水泵的自动启停控制，回流泵变频电机的控制;实现对电磁阀的开关自动启停控制;同时实现用户在远程监视回水泵站和阀门的运行状态;实现对电磁流量计，污泥浓度计的在线监视，读取数值。

2 智能化控制系统设计

2.1 控制目的与要求

智能化高效污水处理控制系统的设计不仅要实现污水处理的自动控制，包括混合、搅拌、流量、分流、清汚等操作;而且能够依据主要污水处理工艺参数和装置运行参数，通过在装置各处设置的各类传感器的现场数据采集，运用模式辨识和优化技术，合理的调整为最佳运行状态的需求，保证装置的运行效率、处理效果和经济性。

2.2 智能化控制总体系统方案

污水处理系统要对水的流量，压力，水质及阀门反馈信号进行数据采集，控制对象多且分散，被控对象如电机，泵及调节阀，电磁阀之间有联锁关系，所以控制数据量大且比较分散。基于系统控制特点和要求，本系统采用现场总线PROFIBUS－DP将生产过程区域中的现场设备或仪表与中央控制器之间进行通讯连接，构成一种现场总线控制系统来实现对不同对象的过程控制，达到系统集中控制和现场就地控制相结合的控制方式进行控制管理的要求。

智能化高效污水控制系统总体方案由中央控制器，提升泵站，高效沉淀池，加药间，污泥处理房，清水池及回水泵房组成。中央控制器里面设置中央控制的PLC和装有组态软件的上位机及其电气控制柜。提升泵站，加药间，污水处理房，回水泵房，高密度沉淀池，清水池都通过远程I/O ET 200模块中央控制器根据控制要求进行数据的处理，中央控制室人机界面以MCGS中文版组态软件为开发平台组态的控制系统显示画面。如图2所示，系统采用现场总线结构，现场层的通信采用PROFIBUS－DP主/从协议，采用价格便宜的屏蔽双绞线电缆作为传输介质，传输速率可以达到12 Mbps。根据污水厂房各污水处理站的位置的远近，可以通过增加中继器延长网络距离，增加网络设备数量［3］。本系统采用S7－300系列作为DPM1类DP－1主站，在PLC上配置一块CP 342－5通讯模块连接S7－300和Profibus－DP总线系统;远程监控计算机PC机作为DPM2类DP－2主站，通过CP5613通讯处理器连接到PROFIBUS;选用ET 200M远程I/O模块作为从站用于现场设备或仪表信号采集，从而实现整个污水处理过程控制管理集中化。

图2 控制系统结构方案

2.3 控制系统硬件设计

选用西门子SIMATIC S7－300的可编程控制器进行程序控制。CPU选用带有 PROFIBUS－DP接口的CPU315－2DP。电源模块选用PS 307型号，额定电源为10 A的电源。根据系统控制I/O点计算，数字量输入采用SM321DI32_DC24V模块2个，将工业现场的数字信号电平转换成S7－300的内部信号电平输入缓冲器，等待CPU采样处理;数字量输出采用SM322 DO16_AC120 V模块1个，SM322D032_24DC/0.5 A模块1个，数字量输出模块将PLC的数字信号转换为外部数字量信号，该信号驱动继电器、调节阀、接触器、指示灯等负载;模拟量输入采用SM331AI8_12bit模块2个，将输入的模拟量A/D转换为二进制数字量，由CPU采集处理;模拟量输出采用SM332AO8X12bit模块1个，将CPU的输出二进制数字信号通过D/A转换为模拟量后输出。通过SIMATIC STEP7编程软件完成对硬件的组态、参数设置、模块的诊断及过程监控等功能。

2.4 控制系统软件设计

1）系统运行的主程序

系统主程序运行时，首先要进行各种变量的初始化工作，然后进行自动/手的两种控制方式判断。在自动方式下，程序要完成联锁，信号的输入采样，量程转换，控制运算，输出报警灯一系列的功能。主程序使用模块OB1完成控制程序的循环运行。其主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

2）系统初始化程序

在系统开始工作的时候，首先要配置一些寄存器，来完成整个系统的初始化。初始化过程中，需要检测系统各个部分的当前工作状态，如初始化模拟量（电动机频率、水压）数据，对模拟量数据赋予一定的初值。该程序在OB100中运行。

3）数据采集程序设计

采样将现场模拟量信号和数字量信号周期性地采入模拟量输入模块和数字量输入模块中，CPU周期性的检查模拟量和数字量模块。模拟量输入信号通过模拟量输入模块采集后，在S7－300CPU中以二进制补码的形式存放，在程序设计中根据数据用途创建多个数据块来存放现场送来的数据，每个数据都有相应的数据块量信号的报警所需要的上、下限值存放在背景数据块DB11，现场采集信号背景数据块DB12。

现场传感器、变送器，输入通道读入的数字量信号均所于无量纲的数字量，必须把它转换成工程值后才能运算、显示、报警和打印输出，便于操作人员的监视和管理［6］。在STEP7编程软件中的FC105模块可以完成数据的转换。对其变量进行定义，由调用FC105的块提供数据。

4）连锁控制

将智能化污水处理系统分为单独的几个区域进行控制，各控制单元根据控制进行模块化编程。本系统中主要包括一下几个模块:加药间控制模块FC2，污泥泵模块FC3，回流泵模块FC4，提升泵模块FC5，高密池模块FC6。PLC通过总程序OB1进行合理调用。

5）报警检测

故障检测是保证系统安全、可靠运行的一个重要环节。本系统中，检测的量主要有:水泵故障、液位报警、PH值报警、变频器故障、各传感器断线故障等信号。报警模块FC11根据控制要求通过变量来触发各报警信号。报警状态存放在背景数据块DB13中。

6）PID控制

系统中，数字PID程序控制通过调节搅拌机、回流泵的转速，使污水处理工艺达到最优。主程序初始化过程中，读取设定值，通过A/D转换模块采集的模拟量当前值，将采样值与设定值比较得出误差量，运用PID控制策略计算调节量，通过PLC与变频器、步进电机驱动器的通信，该调节量对应的控制信号控制变频器的频率、电机转角脉冲信号，调节搅拌机、回流泵的转速，改变流量、流速的大小。

混合搅拌机和絮凝搅拌机的自动调控通过改变步进电机脉冲数和频率，对步进电机转速进行控制;回水泵和加药计量泵通过改变变频器的频率控制电机的转速。程序保存在功能模块FB39和FB40，由中断程序进行调用。

7）程序结构设计

STEP7的操作软件固化了一些子程序，本系统根据实际要求采用这些模块。设计中使用了OB1、OB100、OB35、FC105、FB39等模块。当CPU的状态从停止到运行状态时，操作系统首先会调用OB100，所以使用OB100来完成环境变量和参数的初始化工作。当OB100运行结束后，操作系统循环调用调用OB1，调用的时间间隔就就是扫描周期。在OB1中主要编写主程序来调用其他功能块。OB35是一个以固定间隔循环运行的组织块，使用OB35的循环中断设定循环采样模拟输入信号。时间间隔可以通过step7进行设计，其时间间隔要比OB35中程序运行的时间长。在OB35里调用FB39 PID模块，通过采样时间的设定，循环采样模拟量信号。

3 人机界面设计

上位监控系统采用北京昆仑MCGS组态软件，上位机主画面显示总体工艺流程图，如图4所示。通过主画面的各功能键的切换，主要包括工艺流程、参数设置、数据显示、运行状态、报警查询5个部分。通过MCGS的脚本语言完成各个窗口之间的逻辑控制、各个窗口内的功能实现以及各个按钮控件、文本框等图形对象的功能。上位机与PLC之间的通讯主要通过设备窗口来完成，在设备窗口中建立系统与PLC设备的连接关系，实现对工业过程的实时监控，如图5所示。

图4 监控流程图

图5 设备窗口和脚本窗口

4 结语

智能化污水处理系统使得高效澄清池污水在节约能源和降低原材料消耗方面效益显著，占地面积小，污水处理的效率高、出水水质好等方面有实际意义。本文仅对整个污水处理系统的工艺流程、控制系统结构方案和系统的软硬件设计进行了初步的探讨。实际上，整个系统相当复杂，包含软硬件中断程序、PID控制程序的改进、人机界面的设计、仿真软件S7－PLCSIM的模拟运行，对系统参数进行优化处理等。通过对智能化污水处理系统进行区域性试验，及时改进系统运行过程中遇到的问题，使得整个系统能够平稳高效运行。

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［6］王猛效，等.制浆造纸DCS中模拟量信号处理及PLC编程语言实现［J］.西南造纸，2006（1）:51－53.

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