基于PASG污水处理工艺的智能化控制系统设计

范永胜 张 波 张克辉 贾 滨 吉高卿

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引言

在近几年扎实推进社会主义新农村建设的过程中，随着城镇化以及农业产业化的快速发展，生态环境遭受到较为严重的破坏.农村经济发展的同时必须保护好我们的生态环境，而生态环境保护中最重要的就是水资源保护.综上所述，村镇的污水处理工程如何合理化建设是一个至关重要的研究课题.因此，针对农村乡镇的可持续发展，设计建设小型污水处理厂是很有必要的.

1 处理工艺的选择

本设计是针对河北省张家口市万全县某村的污水进行处理.村镇污水处理应该按其所处自然环境条件、人口多少、集聚程度、排水特点及去向、经济承受能力等诸多因素来确定系统的工艺路线.根据河北省北方村镇生活污水的水质特点及污水处理工艺选择的基本原则，可供选择的污水处理工艺有人工快渗系统(CRI)、改良式氧化沟、地埋式园艺化高效污水处理系统(PASG)和连续流间歇生物反应器(IBR)等.

图1 PASG工艺流程图

考虑到PASG(P:地埋式，A:以厌氧处理为主体，S:以综合生物滤池为辅助措施，G:园林式)技术能够将污水处理与景观园林工程协调建设，其具有去污率高、基本无剩余污泥和投资小、运维成本低等优势，故该工程采用了PASG工艺，该工艺流程见图1-1所示.

2 电气系统主要硬件

2.1 主要控制对象

根据该村常住人口数量并考虑到该村现有一个集聚现代农业示范区的规模，计算出该污水处理系统日需要处理的污水量，选择的主要控制对象见表1所示.

表1 主要设备情况

2.2 控制器

为了减少运营成本，实现无人值守，控制器采用了可靠性极高的西门子可编程控制器S7-200 SMART.S7-200 SMART是西门子公司于2012年推出的替代S7-200系列PLC的产品，由于其紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格和强大的指令系统等特点在各领域获得广泛的应用.考虑到系统需要处理的信号数量以及布水器中的步进电动机，此处选用的是标准型晶体管输出方式的CPU ST60基本控制模块.该系统PLC的I/O接线见图2所示.

图2 CPU ST60接线图

CPU ST60有3个高速脉冲串输出PTO发生器，可以通过数字量输出点Q0.0、Q0.1或Q0.3输出占空比50%的100 kHz高速脉冲串.此处通过Q0.0输出的高速脉冲对等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器YKC3277MA进行精准控制，从而实现对驱动布水器中步进电机的准确定位控制，起到了节能控制的目的.

由于PASG工艺整套设施埋于地下,即使在较为寒冷的冬季也不必担心结冰影响系统正常运行，但是近些年极端天气越来越多，地处我国北方的张家口冬季极寒天气越来越频繁，为此设计了温度检测及加热系统.由于污水水质成分相对比较固定，为了做到无人值守，设计了自动定时定量的加药装置.

2.3 布水器

布水器就是在一定的工作面积上均匀布水，在水处理中有着至关重要的作用.考虑污水处理能力后续可能的扩容和升级改造，系统采用了有十孔均匀分布的旋转布水器，六个正常出水口至综合生化池，1个反冲洗，其余3个封堵暂时封堵未使用.由于相邻3个出口封堵，其余7个出口均匀布水，给控制系统的设计带来了一定难度.布水器自带两个接近开关用于检测旋转机构的位置，当布水器旋转部分旋转到某个孔附近时，对应的接近开关黄色指示灯或红色指示灯亮.如图2-1所示，两个接近开关的输出信号接于PLC的数字量输入端Q0.2和Q0.3.

3 控制系统软件设计

该系统控制对象的规律性强，在设计过程中采用了SFC设计法设计出基本框架，后转换为直观的梯形图程序.系统根据需要设计了手动和自动两种工作模式，当需要系统调试时可以设置为手动工作方式，此时利用控制柜上的相应按钮可对每个控制对象进行单独控制.

在自动控制模式下，污水提升泵根据污水隔渣池内的液位变速运行，抽水至加热池后自流入厌氧池，当厌氧池液位至高位时污水提升泵停止，软件设计流程见图3(a).

厌氧池内的工艺泵除了在低液位至高液位之间变频运行外，工艺泵和分水布水器联锁，只有工艺泵工作布水器才工作，且在布水器配水管旋转期间工艺泵以较低转速运行以减轻水路压力，节能且安全，软件设计流程见图3(b).

图3 软件流程图

集水池提升泵和清水池内的清水泵控制理念类同工艺泵，只是集水池液位至高液位时工艺泵停止工作，而清水池液位至高位时集水池提升泵停止工作.集水池内的回流泵和沉淀池内的污泥泵以及风机根据工艺及水质情况定时间隔运行即可.

在系统上电初始化后，布水器旋转机构不论原来在何位置，首先旋转寻找布水器的原点位置，而原点位置是根据布水器旋转机构对应10个出水口时的红色或黄色布水器传感器感应情况加以综合设定.设计过程中确定原点位置后，再由步进电动机的步距角算出可编程控制器在布水器各个停留位置应该发出的脉冲数，最后根据工艺情况调试出布水器在各个停留位置应停留的时间.为了彻底消除周期静态误差，布水器工作过程中每周都检测原点位置，然后按照上述思路确定停留位置及停留时间.

4 上位机监控系统设计

尽管该污水处理系统的规模不大，平时无人值守，但偶尔巡检的是村委干部而非专业技术人员，为此本文以西门子公司的WINCC组态软件为基础开发设计出上位机监控系统.具体是在选用SMART 700 IE V3触摸屏的基础上采用WINCC FLEXIBLE SMART V3 SP1组态软件进行设计.该软件具有良好的开放性和灵活性，有着功能强大、通信稳定及开发简单的特点，适用于各行各业的控制系统.

所设计的污水处理运行监控主要由两个界面组成.第一界面用以显示各池中的液位和各电气设备的运行情况，包括污水隔渣池、厌氧池、集水池和清水池的液位情况以及池中水泵的启停状态，另一个界面是布水器、回流泵、风机和污泥泵的运行状态，并有统计回流泵和污泥泵的年运行次数统计及清零的功能，两个界面可以相互切换.所设计的上位机监控系统具有运行情况显示、设备故障提示、故障自诊断及控制等功能，受到用户的认可.

5 总 结

在推进社会主义新农村建设的过程中，社会对环保问题的日益重视，人们对污水处理的方法及其设备也提出了更高的要求.本文结合PASG污水处理工艺，针对河北省张家口市某乡村设计了一套完整的电气控制系统.系统使用西门子性价比高的最新产品S7-200 SMART PLC作为控制器，软硬件设计体现了节能、可靠、智能化程度高的特点，系统运行2年多以来控制状况良好，满足工艺设计要求，实现了无人值守的全自动控制功能，取得了很好的经济效益和社会效益.