基于PLC的MBR工艺的自动控制系统的设计

张大贤 仲继华

摘 要：本设计以南京市某污水处理厂的膜生物反应系统为研究背景，结合污水处理工艺，探讨以西门子S7-300系列的PLC在采用膜生物反应器（MBR）工艺的污水处理设施中的应用，重点阐述了系统的硬件构成及系统软件的设计思路。

关键词：可编程控制器（PLC）；膜生物反应器（MBR）；自动控制系统

随着国家资源节约型和环境友好型社会的观点提出，先进的自动控制技术在环保工程中得到更广泛的应用。在这样的工程背景下，更深入的研究工业污水处理自动化控制系统，可以获得更大的社会效益和经济效益。

1 工程概况

南京市某污水处理厂一期工程处理规模为50000m3/d，远期总规模为180000m3/d。本文主要针对MBR膜池系统的自动控制系统作详细介绍。

2 污水处理工艺及过程控制要求

2.1 膜系统主要设备

在此膜系统中，膜组件被分为8个系列/2个组，共用一套加药系统，每个组单独一套曝气设备膜产水/反洗部分设备有：产水/反洗泵；调节堰门；膜池污泥回流泵；自动阀门；产水/反洗压力变送器；产水/反洗流量计；液位变送器。膜池曝气部分设备有：膜曝气风机；风量流量计。

2.2 膜系统运行模式

停运模式；待命模式；排气模式；反洗模式；产水模式；抽气模式；清洗模式。其中，产水时，根据回流池液位的高低值，将产水的通量分为两个档次Fmax通量和Fopt通量。待命曝气模式；间歇（Fint）曝气模式；续（Fcon）曝气模式。

3 控制系统设计

3.1 控制功能

污水程控采用可编程序控制器（PLC）进行数据采集和系统控制，在控制室内实现对系统进行集中监视、管理、自动顺序控制，并可实现远方手动操作。对于泵、风机和电动门等被控对象，除了在控制室LCD上遥控外，还能在MCC上的控制开关或阀门电动装置上的按钮进行就地控制。

3.2 控制简述

程控系统采用自动程序单元控制、远方操作及就地操作相结合的控制方式。程序控制设有步进操作、成组操作或单独操作等手段，并有跳步、中断或旁路等操作功能，还将设有必要的步骤时间和状态指示、选择和闭锁功能。

3.3 硬件设计

控制系统硬件由可编程控制器、电磁阀、直流交流电源、中间继电器、空气开关、接触器、热继电器等其它辅助部件组成。系统采用西门子S7-300系列PLC，选用CPU型号为315-2DP，另外配置IM360和IM361作为接口模块，扩展模块为32点DI模块8块、8点AI模块10块、32点DO模块5块、8点AO模块3块以及1块CP343-1以太网通讯模块

4 控制系统软件设计

4.1 概述

本系统设计了手动/自动两种工作模式， 当其运行模式为手动时， 可直接操作控制柜的按钮实时对各种设备进行控制。在自动控制的工作模式下，可以预先设计好各系统运行参数和膜清洗的起始条件，PLC根据设定数值与当前系统的实际运行参数进行对比，然后通过已设程序处理开启或停止水泵、风机和自动阀门等。本系统的主要逻辑框图见下图。

4.2 重点设备控制

⑴产水反洗泵。产水/反洗泵采用PID控制方式，控制目标是产水流量，参考量是预先设置产水目标流量。为保证系统运行平稳需在产水/反洗泵切入PID控制前，采用固定频率运行20秒左右，使实际流量接近目标值，在切入PID控制。

⑵膜池进水调节堰门。对膜池进水调节堰门的控制，可采用“分时阶梯对比法”，及在每隔一段时间后（一般为5-10秒）将膜池实际液位与目标液位进行对比，而后适当增加或减少堰门开度（一般为1%-5%），如此反复循环，可使液位相对稳定且满足液位要求，亦可避免堰门过于频繁调节，降低其寿命。

⑶膜池曝气风机。膜池曝气风机的运行频率在不同目标风量下的运行频率是不同，由于本系统采用容积式输出的罗茨风机，变频控制，运行转速与风量体积的输出成线性关系，固由此可计算出在目标风量下风机适合的运行频率

本文结合MBR法污水处理工艺，针对污水处理及中水回用设施的实际应用需要，结合工艺设计、电气设计和控制系统的硬件设计，完成了本控制系统的软件设计。当前科学技术时代的发展需要，对这些复杂系统控制性能的要求也会越来越高，对污水处理系统的自动控制向智能化方向转变逐渐成为一种趋势。

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