污水处理自动控制系统的设计研究

陈晖

（中兴软件技术（济南）有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

污水处理就是对污水进行净化处理的过程，通过特定的技术或方法将污水中含有的污染物分离或转化为无害物质，污染物包括有机污染物、固体悬浮物、氨氮、磷、细菌等。传统的污水处理技术自动化程度低，且处理效果差强人意，因此研究如何提高污水处理效果及效率的问题具有重要的现实意义。

1 污水处理原理及基本流程

目前针对要求不是太高的生活污水的处理，最常用的方法就是厌氧–缺氧–好氧处理，也称为A2/O处理法，整个污水处理控制流程主要有三个环节，即预处理、污水处理及污泥处理等，其中污水预处理是污水处理的第一道工序，主要是利用物理方法将污水中的污染物质分离出来，物理方法处理设备包括粗格栅、污水提升泵房、细格栅、曝气沉砂池及初沉池等。经过预处理可以将污水中的杂物初步分离出来，各污水处理环节输送较为纯净的污水。污水处理是整个污水处理控制过程的核心环节，其包括生物反应池、二沉池、剩科及污泥回流泵房、接触消毒池等，污水经过初沉池的沉淀后再通过生物反应池进行脱氮除磷处理，经过处理的污水进入二次沉淀池进行沉淀、澄清，再输送至混合反应池；经过处理的清洁水在接触消毒池进行消毒、过滤处理，再经过出水提升泵房排出。污水处理过程中所产生的污泥会经过压缩及脱水处理，以提高后续运输的便利性[1-2]。

2 污水处理自动控制系统硬件设计

本研究提出的污水处理自动控制系统硬件设计如下：

2.1 上位机选择

在污水处理自动控制系统中，上位机主要对整个工艺流程进行监控，并存储系统运行数据信息，上位机设置于中央控制室，会对系统的整体性能指标及设备运行情况起到决定性作用，因此要根据现场数据条件及其他实际情况选择安全性高、稳定性好、抗干扰能力强的上位机。上位机包括工控机、液晶显示器、交换机等，本研究中的监控主机选择某品牌IPC-610H型号，4u高上架式机箱支持14个卡，电源250W，双前置带过滤冷风扇，前置USB、PS接口，内存2G DDRII 800，可扩展至4G，硬盘内存500G。液晶显示器采用AOC C27B1H，为保证画面的完整性，减少边缘损失，采用27英寸1700R中心曲率大屏，178°全景广视角。交换机采用非管理型N-TRON7018FX2千兆容量工业以太网交换机。

2.2 下位机选择

下位机主要是PLC，即可编程逻辑控制器，为满足污水处理自动控制系统的现场控制需求，本研究的控制中心选择西门子公司的S7-300PLC，其支持污水处理过程的全程监控，能够对各生产设备实现准确控制，保证生产调度的合理性及系统运行的安全性与稳定性。该型号PLC的模块扩展功能有助于实现系统的分布式配置，缩短了循环周期，指令集功能更强大。S7-300PLC包括中央控制器及各种模块部件，电源模块与接口模块可选，每个机架上功能模块与信号模块数量控制在8个以内。该PLC可根据现场需要搭配CPU，根据系统控制设备输入与输出的点数确定PLC模块型号与数量，本研究中整个污水处理控制系统需要SM331/8模拟量输入通道AI模块11个，输入通道AO模块1个，SM321/32数字量输入通道DI模块13个，输出通道DO模块5个[3]。

2.3 传感器的选择

传感器的主要作用是采集现场数据，本系统中所用的传感器包括超声波液位传感器、悬浮物浓度传感器、COD传感器、pH与氧化还原电位组合传感器、溶解氧传感器、电磁流量传感器等。其中超声波液位传感器由换能器发出高频超声波脉冲，接收部分遇到被测介质表面被反射回来的反射回波，将其转换为电信号传输至系统中。本研究根据污水处理中液体浑浊程度、反应池大小选择FDU96-RG4AA探头，该型号探头为非接触式，可用于检测各种液体及固体，包括侵蚀性介质及变介电常数。悬浮物浓度传感器是利用红外光实现被测物质的浓度检测，本研究采用SS传感器，型号CUS51DAAC1B2。COD传感器主要检测采集到的样品，COD是指利用化学氧化剂将水中还原性物质氧化分解所需要的氧量，反映的是水体受有机物污染的程度，是评价水体污染的重要指标，本研究COD传感器采用CA71COD-B10C2A4。pH值与氧化还原电位组合传感器包括两个测量电极，其中玻璃电极测量pH值，金属电极测量氧化还原电闰，本研究中采用CPS12D-2BA5GSA组合传感器。溶解氧传感器主要检测溶解于水溶液内氧气的含量，根据测量结果调节溶解氧参数，提高污水处理生物反应过程的高效性。本研究中采用COS61D-AAA1B2溶解氧传感器。电磁流量传感器主要测量导电液体瞬间流量与体积流量，其包括电磁流量计与电磁流量变送器，本研究采用53W-1HHC0B1AC分体式电磁流量传感器[4]。

3 污水处理自动控制系统软件设计

污水处理自动控制系统中，中央控制站与现场PLC通讯，获取数据趋势、报警状态、报表情况及连接数据库，完成数据处理、工艺设备监控及管理的作用。

3.1 WinCC组状软件

WinCC组态软件主要作用是提供图形显示、消息归档、生成报表等，并能够实现高性能的过程耦合，实现高效的画面更新，保证数据的可靠性。该软件组态是一个集成的人机交互界面与监控管理系统，为提供一个开放性界面，具有极强的便利性与灵活性。上位机软件创建了污水处理控制过程的监控画面，并根据监控检测结果生成报警记录、历史趋势分析报表等资料。

3.2 PLC控制系统软件

根据污水处理自动控制系统的硬件选型完成PLC硬件组态设计，其中系统组态主要采用多机架系统，通过接口模块互相连接，网络控制系统生成网络与网络站点。CPU如无特殊要求可使用默认参数，如有特殊要求则根据实际需求设置CPU模态的启动特性、扫描监视时间等。设置模块的可调参数，CPU在下载组态参数后自动保存PLC启动后CPU会向其他模块自动传送设置参数，其他模块被更换也无需重新下载组态信息[5]。

3.3 污水处理过程控制方案设计

首先，粗格栅过程控制。系统设置两套粗格栅，每套对应设置一台格栅除污机，粗格栅前后设置的手动电动方闸门，实现污水流量与流向的控制，两侧设置超声波液位差传感器，再将液位差数据通过变送器传送至PLC，液位差大于设定值格栅除污机自动启动。其次，经过粗格栅流出的污水通过污水提升泵输送至细格栅，系统根据流入提各泵污水的液位监控潜污泵的启停及运行，超声波液位传感器监测污水提升泵的液位数据，并将监测结果传送至PLC控制器中，实现潜污泵运行状态的控制。流入提升泵房的污水液位决定了三个潜污泵的运行状态，实际运行过程中，为避免潜污泵液位值降至较低值导致反复启停，需设置提升泵房的启动液位值高于低水位停止液位值，根据现场实际情况设置气泵位高度。再次，细格栅过程控制。经过提升泵房后污水会流至细格栅，细格栅同样要设置两套，各对应一台除污机，细格栅两侧设置有超声波液位传感器，一旦污水的液位达到传感器的设定值，系统会自动启动除污机，将杂物去作后再由螺旋输送机进行压榨处理。最后，污泥脱水控制。污泥经过前面工序处理后被送入储泥池，池中所设置的超声波传感器及污泥浓度计会对污泥的基本情况进行检测，污泥先由浓缩机进行处理，再流至均质池，均质池可以实现对石灰加药系统的控制，根据污泥的浓度控制加药量，对污泥进行再次处理。污泥经过处理后由低压进泥螺杆泵输送至加药系统，再经过高压进泥螺杆泵送至压榨机进行脱水处理，最终形成泥饼。污泥脱水系统可以实时控制脱水机的运行状态，当系统设定为自动模式时，空压机启动并定时运行，到达定时时间后，皮带输送机、高压进泥螺杆泵启动，并定时运行；到达定时时间后，加药系统开始启动并定时运行，最后污泥脱水机进行脱水处理。

4 结语

总之，随着社会物质水平的不断提升，人们对于环境的质量要求也越来越高，污水处理作为保护环境、改善人们生活质量的重要措施，其处理效果的好坏有着重要的现实意义。A2/O处理法是最常用的生活污水处理法，其由初沉池处理的污水及回流污泥流入首端厌氧池，其通过氨化作用、曝气等维持水中的溶解氧浓度，达到去除化学需氧量、硝化及吸收磷的目的，最终达到更好的污水处理效果。本研究以该方法为基础，提出一种基于S7-300PLC核心控制器的污水处理自动控制系统，提高了污水处理的自动化程度，改善了污水处理效果。