孫炳海，馬　超，董好友，張　森，張鵬勛，鞏忠賢

(河南城建學院 電氣與控制工程學院，河南 平頂山 467036)

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腌制廢水處理系統(tǒng)自動控制方案設計與應用

孫炳海，馬超，董好友，張森，張鵬勛，鞏忠賢

(河南城建學院 電氣與控制工程學院，河南 平頂山 467036)

根據某公司污水處理項目工藝的需求，提出了以S7-1200 PLC為控制核心的自動化控制方案。系統(tǒng)將水位、溶解氧、流量、濁度、酸堿度等傳感器、電控執(zhí)行機構以及供電系統(tǒng)融為一體，按照調節(jié)池、加藥罐液位和腌制廢水水質的變化等情況，確定最優(yōu)控制策略，實現整個污水處理系統(tǒng)的自動控制。通過實際初步應用，驗證了該方案的可行性，節(jié)約了人力，提高了腌制廢水處理的效率，降低了運行成本。

腌制廢水；S7-1200；控制策略；自動控制

咸菜腌制廢水處理是新形勢下咸菜腌制加工企業(yè)面臨的首要問題，其廢水具有高鹽分、高COD、高固形物等特點，并且處理工藝復雜，因此對控制技術提出了較高的要求[1]。能否高效、可靠地處理該廢水，將直接影響企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及當地生態(tài)環(huán)境。本文結合某公司腌制廢水處理項目工藝的實際需求，設計開發(fā)了一套自動化控制技術方案，以解決人工操作復雜、運行成本高、污水處理效率低等問題。

1　系統(tǒng)方案設計

1.1水處理工藝及控制關鍵點

如圖1所示為該廢水處理工藝流程圖[2]。其工藝復雜，流程煩瑣。需要解決以下技術關鍵點：①好氧池和調節(jié)池精確曝氣的控制。②初沉池石灰水和硫酸亞鐵以及一體化氣浮池聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)兩類加藥的精確控制。③調節(jié)池提升泵的控制。④污泥回流和外排的控制。

圖1　污水處理的工藝流程圖

1.2系統(tǒng)總體方案

控制系統(tǒng)由執(zhí)行裝置、傳感器、控制器、監(jiān)控設備及通訊系統(tǒng)組成。如圖2所示，系統(tǒng)水廠監(jiān)控中心與主控站S7-1200PLC通過工業(yè)以太網相連，兩臺風機(一備一用)分別由變頻器驅動通過Profibus主站模塊與主控站S7-1200PLC通過Profibus-DP協(xié)議通訊，傳感器采集的信號由模擬量、數字量輸入模塊送入主控站，根據采集的各種信號通過程序的處理最終通過模擬量和數字量輸出模塊輸出給執(zhí)行機構，最終實現整個系統(tǒng)的全自動運行。

圖2　PLC、傳感器及執(zhí)行機構硬件結構示意圖

控制方案分為就地、集中手動、全自動三種控制方式[3]。現場就地控制級別最高，其可以立即切斷遠程控制，方便了設備的檢修和故障排除。集中手動控制級別僅次于現場就地控制，其可以切斷水廠監(jiān)控中心和遠程集控中心的控制，當PLC出故障時值班人員可以把控制模式切換到集中手動模式下手動運行，可以大大降低因設備故障導致水廠停運造成的損失。全自動控制級別最低，當處于全自動控制模式下時PLC根據各傳感器檢測的信號控制全水廠每臺設備的運行，但其他兩種模式都可以實時切斷該模式的運行，最大限度的保障了水廠各設備的安全性和可靠性。

1.3加藥控制策略

1.3.1硫酸亞鐵和石灰水加藥控制策略

初沉池加藥是硫酸亞鐵和石灰水加藥，由空壓機提供動力，啟動氣動隔膜泵進氣端的電動閥門控制加藥量。硫酸亞鐵水解氧化后形成的多核絡合物，使得廢水中的有色懸浮態(tài)的染料物質通過網捕混凝粘結成絮體沉淀，其脫色率可達92%。pH值需要借助堿劑(如石灰水)調堿，石灰水不但能調節(jié)pH值，更能起到助凝除磷的作用[4]。石灰水加藥量判斷主要是pH值，硫酸亞鐵加藥量判斷的依據主要是進水的流量。因此在初沉池水源處安裝酸堿度測試儀和電磁流量計。PLC通過檢測到這些數據通過控制算法控制兩個電動閥門開度的大小來控制每種加藥量的多少。其控制流程圖如圖3(a)所示。

1.3.2PAC和PAM加藥控制策略

一體化氣浮池加藥是PAC和PAM加藥，其由電磁計量泵控制加藥量[5-6]。其控制流程圖如圖3(b)所示。該種加藥，加多少才算合適？本文提出了綜合評價指標(P)的概念：

P=a1X1+a2X2+a3X3+…anXn

(a)初沉池控制流程圖　　　　　　　　　　　(b)一體化氣浮池控制流程圖圖3　風機控制流程框圖

式中，X1—Xn為參與評價的各傳感器檢測值；a1—an為參與評價的檢測值對綜合評價指標的貢獻系數。參與評價的指標有酸堿度、濁度、溶解氧、進水口流量。在一體化氣浮池進水口安裝酸堿度測試儀、濁度儀、溶解氧儀和電磁流量計，儀表檢測到的數據傳輸給PLC通過以上綜合評價指標函數，通過模擬量輸出模塊輸出4～20 mA的電流信號來控制計量泵的流量從而達到控制加藥量的目的。通過該污水處理廠前期的運行數據，通過數據分析最終得出一體化氣浮池加藥的a1、a2、a3、a4四個系數。

1.4曝氣控制策略

根據綜合反應池溶解氧的含量，利用變頻調速的方法控制曝氣強度。風機PID控制框圖如圖4所示。在程序中預先設定溶解氧上限和下限值，如當溶解氧值達到下限值啟動變頻器開始曝氣，當溶解氧達到上限值時停止發(fā)出信號停止曝氣，當溶解氧值在上限和下限之間時，根據PID控制算法根據溶解氧含量的變化調節(jié)變頻器的輸出頻率來控制曝氣強度，如溶解氧含量上升控制變頻器輸出頻率下降，溶解氧含量下降控制變頻器輸出頻率上升。

圖4　風機PID閉環(huán)控制框圖

1.5控制軟件設計

本系統(tǒng)采用模塊化編程，主程序主要調用各功能模塊的程序和通訊程序。功能模塊程序主要有調節(jié)池控制模塊、初沉池加藥模塊、中沉池和二沉池控制模塊、二級好氧池控制模塊、風機曝氣控制模塊、傳感器檢測模塊、一體化氣浮池加藥模塊以及故障處理程序模塊等功能模塊。在程序的每個循環(huán)周期中逐條運行，條件滿足時調用專門功能的監(jiān)控模塊，通過各程序塊的調用最終實現整個污水處理廠的全自動運行。如圖5所示為全自動控制流程圖。

圖5　系統(tǒng)全自動控制流程圖

主循環(huán)程序每個周期調用該模塊一次，PLC根據調節(jié)池水位采集的數據控制整個系統(tǒng)設備的啟停。自動控制過程中故障監(jiān)控可分為設備故障和傳感器故障兩大類，由故障監(jiān)控模塊分別進行處理。系統(tǒng)實時監(jiān)測各運行設備的啟動過程、運行狀態(tài)以及停止過程，一旦出現故障，系統(tǒng)及時做出反應，保證了設備的安全運行[6]。

由于現場設備生產廠家各異，通訊協(xié)議不一，需要進行協(xié)議解析和程序編譯，從而建立通信連接。這是解決PLC與現場的智能微機保護測控裝置、通信管理機等智能設備之間通信的關鍵問題[7]。水廠監(jiān)控中心計算機操作系統(tǒng)軟件為Windows7 旗艦版，編程軟件采用西門子公司的SIMATIC STEP7 Professional V13,組態(tài)軟件為西門子公司的SIMATIC WinCC Professional V13。

2　技術特點

(1) 精確曝氣控制。本文利用西門子MM440變頻器通過Profibus-DP通訊協(xié)議與PLC通訊，對風機的曝氣量進行無級調速，最終達到精確曝氣的目的，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)約了電能。

(2) 兩類加藥控制。本文引入了綜合評價指標的概念，通過綜合評價函數，得出加藥量的多少。從而精確地控制加藥量，節(jié)約了用藥，使污水處理得到了很好的效果，最終達標排放。

3　結論

根據本文控制方案，經過實際初步運行，該系統(tǒng)設計方案符合實際要求，處理后的水質為:COD≤100 mg/L,BOD5≤20 mg/L,SS≤20 mg/L，氨氮≤15 mg/L，色度≤50倍，磷酸鹽(以P計)≤0.5 mg/L，pH:6～9。能達到排放標準要求，大大提高了腌制廢水的處理效率，節(jié)約了人力和水電資源。

[1]祝義平.生物接觸氧化法處理腌制廢水最佳運行方式及耐鹽性研究[D].成都:西南交通大學,2011.5.

[2]劉曉強，李亞新.AB 法污水處理工藝[J].科技情報開發(fā)與經濟,2005,15(16):124～126.

[3]尹文波,張魯花,張惠民.煤礦井下中央水泵房自動化控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機電,2010(2):13～16.

[4]秦軍,李明陽.硫酸亞鐵廢酸液在水處理中的應用[J].科技展望,2015(12):83～86.

[5]相加培,劉金榮.PAC 和 PAM 復合絮凝劑在洗滌劑廢水處理中的應用研究[J].四川環(huán)境,2005,24 (3):8～11.

[6]孫炳海.基于PLC的煤礦井排水泵房自動控制技術應用[C].International Conference on Software Engineering and Multimedia Communication(SEMC),2011.

[7]孫力平等.污水處理新工藝與設計計算實例[M].北京:科學出版社,2001.

Design and application of automatic control scheme for pickling waste water treatment system

SUN Bing-hai,MA Chao,DONG Hao-you,ZHANG Sen,ZHANG Peng-xun,GONG Zhong-xian

(SchoolofElectrical&InformationEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

According to the requirements wastewater treatment project of a certain company,an automatic control scheme with PLC S7-1200 as the control core was put forward.The system combines sensors of water level,DO,flow,turbidity and PH with the electric actuators and the power supply system.The optimal control strategies is determined on the basis of the regulating pool,dosing tank liquid level and pickled waste water quality changes to achieve automatic control of the entire sewage treatment system.Preliminary application proves the feasibility of the scheme,saves manpower,improves the efficiency of the treatment of the pickling waste water,and reduces the operation cost.

pickling waste water;S7-1200;control strategy;automatic control

2016-05-31

河南城建學院“科研能力提升工程”應用項目(2016YY014)

孫炳海(1962—)，男，河南平頂山人，教授。

1674-7046(2016)05-0088-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.016

TM461

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