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基于PLC的污水处理自动控制系统研制
更新时间:2018-06-28 来源:开天源水务信息化 作者:郝佳 刘军

  1、引言

  随着现代工业技术的发展,工业生产过程中存在着-些化学反应,这些化学反应会产生大量污水,如果不加处理就将这些污水排人江河,将对生态环境造成严重的破坏,因此国家规定工业污水必须经过处理达标后才能排放。

  在污水处理过程中,生化处理是-个极其复杂的动态过程,氧池中的溶氧浓度是-项非常重要的工艺参数,其控制精度的准确性直接影响污水处理合格程度。传统的的污水处理方法,易受到操作工人技术水平、责任心等因素的影响。为了降低耗能,减轻操作工人劳动强度,提高劳动效率,必须尽快大幅度的提高污水处理的自动化水平。因此,研制污水处理自动控制系统具有非常重要的现实意义。

  本文以某高校的某个污水处理站工程项目为背景,结合该污水处理站的工艺和控制要求,介绍所研制的污水处理自动控制系统技术特点。

  2、污水处理工艺和设备

  2.1污水处理站的工艺及设备组成污水处理站主要由格栅、调节池、脱氧池、缺氧池、好氧池、污泥池、终水储蓄池及相关配套设备组成等组成,如图1所示。

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  (1)格栅:是由-种独特的耙齿装配而成,在电机减速器的驱动下,耙齿链进行逆水流方向回转运动,当耙齿链运行到设备的上部时,由于槽轮和弯轨的导向,使每组耙齿之间产生相对运动,这样污水中的漂浮物及-些细小的悬浮物就可以被滤除。

  (2)调节池:由钢筋混泥土构建,尺寸为21.5m×19.0m×3.0m,位于整个污水处理站的中央,可以调节进、出水流量,保证不受污水高峰流量或浓度变化而带来的影响。

  (3)脱氧池:污水经调节池预处理后直接进入生化反应池中的脱氧池,硝化菌在该池中利用污水中的大分子(主要是蛋白质)有机物进行硝化反应降解为小分子(主要是硝酸盐)。同时,将污水中磷元素释放出来。

  (4)缺氧池:在缺氧池中,从脱氧池出来的硝酸盐与该池中的反硝化菌进行反硝化脱氮,把硝酸盐变为氮气或者-氧化氮排到大气中。同时,释放少量的磷元素。

  (5)好氧池:在好氧池中,聚磷菌大量吸收污水中的溶解性磷以聚磷酸盐的形式储存在体内,达到去除磷元素的目的。

  (6)污泥池:由钢筋混泥土浇灌而成,尺寸为4.0m×4.0m×5.0m,位于半地下,储存污水经处理后产生的污泥。

  (7)终水储蓄池:由钢筋混泥土构建,尺寸为8.7m×6.8m×3.3m,位于地下,储存处理后的水。

  (8)相关配套设备:主要包括污水提升泵、潜水搅拌机、潜水回流泵、过滤泵、罗茨风机、加药泵以及现场各种传感器组成,这些设备配合各种池子组成完成整个污水处理过程。

  2.2污水工艺流程

  校园内教学、饮食、生活污水首先进入格栅,经过其粗处理后进入调节池;其次经过混合后进入脱氧池,把大分子的有机物中氧元素通过生化反应处理掉;然后不含氧的有机物直接进入缺氧池;再次进入好氧池;最后分别进入终水储蓄池和污泥池。工艺过程如图1所示。

  2.3控制技术要求生化反应池溶氧浓度是污水处理中最关键工艺参数,其控制精度直接影响污水处理的品质,脱氧池、缺氧池和好氧池溶氧浓度设定值如下所示:

  (1)脱氧池溶氧浓度<=0.2mg/L

  (2)缺氧池溶氧浓度介于0.2-0.5mg/L之间

  (3)好氧池溶氧浓度>=4mg/L

  3、污水处理控制系统组成和硬件实现

  3.1控制系统组成污水处理控制系统采用研华工控机(IPC)作上位机,西门子PLC、香港昌辉PID调节仪作为下位机;该系统上位机与西门子PLC之间通过Profibus现场总线连接,与PID调节仪等其它下位设备通过R$485总线进行数据传输,构成-种典型的中型DCS(集散控制系统),控制系统组成原理如图2所示。

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  3.2系统硬件实现

  (1)上位监控设备:选择台湾研华公司工业控制计算机IPC-610H,该工控机配置奔腾核E5300(主频3.4G)的CPU,4GB内存,500G硬盘,带有RS-232C标准通讯接口及打印机并行口。该设备可以方便的与下位机通讯,实现了数据采集与监控。上位监控人机界面选择25寸SAMSUNG液晶显示器。

  (2)程序控制:该PLC控制系统由1套PLC组成,系统均选用德国西门子公司$7-300系列PLC(CPU315-2DP)。该系列PLC具有模拟量输入和输出、数字量输入和输出功能,具有丰富的指令,能很好满足控制系统需要。CPU315-2DP模块完成罗茨风机、过滤泵、消毒加药泵及加药搅拌风机的启停控制、状态检测功能。7个SM321模块完成了泄水器、污水提升泵、潜水搅拌机、潜水回流泵、污泥泵、屋顶风机等设备状态检测功能。3个SM322模块完成泄水器、污水提升泵潜水搅拌机、潜水回流泵污泥泵、屋顶风机等设备的控制功能。3个SM331模块完成氧池流量、液位、氨氮浓度、COD浓度、溶氧浓度以及调节池、终水储蓄池液位工艺参数检测功能。2个SM321模块通过变频器完成控制罗茨风机、潜水回流泵转速的功能。

  (3)溶氧浓度控制:脱氧池、缺氧池和好氧池的溶氧浓度都采用PID调节仪和PLC分别作为调节器的主从双机冗余控制模式(3个控制回路),PID调节仪作为主系统控制器,PLC作为是从系统控制器;当主系统正常工作时,从系统处于热备状态,-旦主系统出现故障,从系统立刻代替主系统工作,并由热备状态转入运行状态,当主系统恢复正常后,从系统自动退出运行状态返回热备状态,这样就大大提高了该控制回路的稳定性和可靠性。其控制系统构成如图3所示。

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  4、系统控制软件设计

  4.1控制程序设计

  控制主程序采用STEP7V5.3SP3软件在PC机上进行编程,完成后下载到PLC中即可。控制程序由1个主程序和3个子程序组成。

  控制主程序包括初始化程序和控制程序。初始化程序完成了系统的初始化和故障诊断与连锁保护,在设备出现故障时,进行声光进行报警。控制程序完成工艺参数检测、辅助设备启停控制、溶氧浓度检测控制,分别调用相应的控制子程序。

  4.2控制子程序设计控制子程序包括:

  (1)工艺参数检测控制子程序:该子程序完成氧池流量、液位、氨氮浓度、COD浓度、调节池及终水储蓄池液位检测。

  (2)辅助设备启停控制子程序:该子程序主要完成泄水器、污水提升泵、潜水搅拌机、潜水回流泵、污泥泵及屋顶风机的自动/手动、本地/远程运行控制。

  (3)溶氧浓度控制子程序:由于污水处理过程中的溶氧控制系统具有非线性、大惯性、大时滞、时变和难以精确建模等特点,致使污水处理过程中的溶解氧控制成为整个污水处理自动控制系统中的关键性问题,其控制精度直接关系到污水排放进程状态和系统能源消耗。目前,国内-般采用简单的PID控制,-般的PID控制无法实现上述溶解氧控制系统自身的特点。针对这些问题,本文设计-种将PID控制和模糊控制二者相结合的控制器——模糊自适应PID控制器,应用模糊推理方法实现对PID参数的在线自整定。

  具体体现在控制策略中设计3个独立的模糊参数控制器,由上位机对每个模糊参数控制器采用自适应PID与Fuzzy控制相结合的复合Fuzzy-PID控制器,确保了整个氧池内溶氧浓度达到设定值。二维Fuzzy与自适应PID并行复合Fuzzy-PID控制器,其控制策略原理如图4所示。

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  4.3上位监控软件开发

  上位机监控画面采用组态王Wincc7.0在Windows XP professional系统上进行开发,监控系统软件运行画面分为用户管理界面、工况图画面、数据趋势曲线画面、历史报表画面、报警画面等。监控软件组成结构如图5所示。

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  该监控软件主要实现功能:工况图对井式炉的工作状况进行实时监控,按照工况与工艺流程实时显示各主要工艺参数,如氧池流量、液位、氨氮浓度、COD浓度和调节池、终水储蓄池液位等,同时还可以反映出各个辅助设备运行状况;数据趋势画面可以对反映各个工艺参数运行趋势情况进行查看,可以查看实时趋势和历史趋势;历史报表画面可以查看所有工艺参数历史报表,并对生成记录数据进行存储和打印;报警画面可以对各工艺参数超限需要报警的变量进行报警并记录。系统在运行过程中各工艺参数如果出现异常隋况,计算机监控系统控制柜上的红色报警灯闪动并且发出声音,同时工控机的监视主画面上会出现故障提示,系统自动停止动作。此时操作人员必须对报警进行确认,根据监控画面上显示的故障提示,进行检修。工控机自动对各个工艺参数的故障记录并存盘,系统硬盘可以存储-年以上的数据,供用户实时和历史打印。

  5、结束语

  该系统设计满足污水处理站的工艺和控制要求,控制精度高,动态响应快,实现了污水处理的全过程优化控制,对改善水处理工艺水平、稳定质量、提高工作效率效果显著,具有-定的应用推广价值。

来源:开天源水务信息化

编辑:王文静、于存杰 

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