太阳能污水处理实训装置的设计研究

叶远坚，周丽琴

（1.南宁职业技术学院，广西南宁530007；2.广西电力职业技术学院，广西南宁530007）

太阳能污水处理实训装置的设计研究

叶远坚1，周丽琴2

（1.南宁职业技术学院，广西南宁530007；2.广西电力职业技术学院，广西南宁530007）

可编程控制器实训装置的实验对象相对单一、抽象虚拟，不利于学生学习兴趣的培养。本文设计和制作了一套太阳能污水处理实训装置，该装置采用MCGS触摸屏、西门子S7-200可编程控制器、水泵和传感器等设计制作，有利于学生进行可编程逻辑控制与程序设计，能够提高学生的学习兴趣和实践动手能力。本设计是一个经济实惠、可重复利用、绿色环保的实验装置。

太阳能；污水处理；实训装置

随着国民经济的快速增长、我国科学技术水平的不断进步以及国家对教育的不断投入，我国高等职业教育处于飞速的发展中。由于机电专业的可编程控制器实验对象都比较抽象、设备价格昂贵且大多作为陈列对象。学生在学习的过程中缺少直接实际的载体，学习的兴趣不大。本文从对象直观、制作成本低等特点出发，以太阳能发电和污水处理作为可编程控制器的实验对象，利用太阳能光伏发电，供电给CASS工艺污水处理技术的设备，然后将自动控制技术中的西门子S7-200可编程控制器技术、MCGS组态控制技术和传感器与检测技术等综合应用太阳能发电和污水处理这些控制对象上去，操作直观，有利于学生学习，提高学生学习兴趣。

1太阳能发电技术

太阳能发电指利用太阳的光能直接转变为电能的方法。太阳能发电包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。本设计主要是利用光伏发电，通过半导体器件吸收太阳光辐射能，并将其转换为电能输出的发电方法。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、铅酸蓄电池、电能控制器和光伏并网逆变器组成。

2太阳能污水处理实训装置的污水处理技术

太阳能污水处理实训装置中污水处理技术是采用CASS工艺污水处理技术。CASS工艺污水处理技术原名是Cyclic Activated Sludge System，全名为可循环式活性泥浆污水处理方法[1]。CASS工艺污水处理方法的核心是在一个间断的污水反应池里进行污水处理，该污水反应池是将增氧曝气阶段和非增氧曝气阶段的间断循环污水处理过程的结合，并把增氧曝气池和静置沉淀排水池有机的结合而成，就是将生物有氧反应和泥水分离过程都在一个反应池内进行[2]。如今CASS工艺污水处理方法被广泛的应用在轻工业污水、重工业污水和城市污水等污水处理场合中。

CASS工艺污水处理技术是指在一个污水处理池里，以时间有顺序地增氧曝气与非增氧曝气运行的静止沉淀泥水分离处理方式，在一个污水处理反应池内对污染物进行氧化降解处理过程和泥水分离过程。

CASS污水处理工艺的运行过程是以时间有顺序的控制方式进行的，它的运行过程包括五个时段，分别是进水时段、增氧曝气时段、静置泥水分离时段、清水排出时段和静止等待进水时段。这五个时段是按照时间先后有顺序的运行组成一个完善的污水处理运行周期。当一个运行周期完成后，又再次按照这个模式进行运行。在CASS工艺污水处理技术运行过程中，污水处理池是以污水进入污水池的水量来进行有氧曝气的，是一个稳定的运行过程，当污水处理池中水位达到污水处理池最高水位时增氧曝气时间是固定的。CASS工艺污水处理技术中污水处理过程如下图1所示。

图1 CASS工艺污水处理方法运行过程

3太阳能污水处理实训装置的实际工艺流程

太阳能板光伏发电，是把电能通过控制器输送给铅酸蓄电池或者光伏并网逆变器。（1）当光伏并网逆变器不需要电能时，太阳能板发电输送给铅酸蓄电池，给铅酸蓄电池充电；（2）当光伏并网逆变器对外工作时，太阳能板光伏发电和铅酸蓄电池的电能都会供应给光伏并网逆变器；（3）如果光伏并网逆变器电能不充足时还可从市电补充输送电能。通过光伏并网逆变器把电能输送给液位传感器、鼓风机、冷却塔风机、水泵、电磁阀、滗水器等使用。

本实训装置的控制流程如下所示：

当污水通过调节池，污水在调节池，当调节池液位在低液位以上时，检测CASS污水处理池1和CASS污水处理池2是否在高液位。

（1）当CASS污水处理池1的污水不在高液位时，首先启动抽水泵、打开电池阀1、冷却塔、提升泵，关闭电磁阀2，污水流入CASS污水处理池1，启动鼓风机1，对CASS污水处理池1进行曝气，当曝气到达预定时间时，停止曝气，静止一段时间，污泥沉降，最后打开电池阀3把水排走；

（2）当CASS污水处理池1在高液位，而CASS污水处理池2的污水不在高液位时，启动抽水泵、打开电池阀2、冷却塔、提升泵，关闭电磁阀1，污水流入CASS污水处理池2，启动鼓风机2，对CASS污水处理池2进行曝气，当曝气到达预定时间时，停止曝气，静止一段时间，污泥沉降，最后打开电池阀4把水排走；

（3）当CASS污水处理池1和CASS污水处理池2都在高液位时，则直到调节池液位达到高液位（如出现污水量排放量过大，就会把超过调节池高液位而未经处理的污水排除到外面）时，再对CASS污水处理池1和CASS污水处理池2进行检测，然后再进行第（1）步或第（2）步。

太阳能污水处理实训装置的实际工艺流程如图2所示。

图2 太阳能污水处理实训装置的实际工艺流程

4实训装置设计和制作

本装置采用工业铝型材、亚克力板、可编程控制器、液位开关、电磁阀、触摸屏、电源开关、太阳能电池板、铅酸蓄电池、电能控制器和光伏并网逆变器等，设计和制作了太阳能污水处理实训装置。太阳能污水处理实训装置实物如图3所示。

图3 太阳能污水处理实训装置

该装置选用了西门子S7-200可编程控制器作为太阳能污水处理实训装置控制核心，上位机监控采用了北京昆仑工控MCGS的TPC7062KX.

昆仑通态的触摸屏能够提供一个有利于人机交互的组态界面，该组态界面有利于操作员操作，操作员通过查看组态界面，清楚直观地查看到太阳能板光伏发电的情况和污水处理设备现场设备各种设备的运行情况、各种故障报警信息和各个污水处理池的情况等，也可以根据处理污水情况的变化发布相应的控制指令要求，有利于学生通过直观地实验了解实际的操作控制情况。本装置有两个控制界面，太阳能发电控制界面如图4所示，污水处理控制界面如图5所示。

图4 太阳能发电控制界面

图5 污水处理控制界面

CASS工艺污水处理方法控制系统控制核心采用了西门子S7-200可编程控制器226CN型号，它的优点是数字量输入输出点数多、结构紧凑、接线方便、可靠性高和可扩展等。将设计的程序导入西门子S7-200可编程控制器后，就可以利用西门子可编程控制器226CN对该装置的设备实施控制。

学生可以自行利用数据线把昆仑通态触摸屏TPC7062KX与西门子S7-200可编程控制器226CN连接起来，然后两个设备进行数据通讯，昆仑通态触摸屏TPC7062KX通过西门子S7-200可编程控制器226CN对现场设备进行实时监视和控制，有利于学生对工业自动化控制有个详细的了解和学习。

5结束语

太阳能污水处理实训装置经过调试，然后投入使用后，整机性能稳定可靠，装置运转正常，学生可以根据自己的学习兴趣爱好，对CASS污水处理工艺进行学习，还可以通过控制对象的实际操作，进一步加深了解和学习。本套实训装置经过学生使用后，普遍反映良好，使学生有了一个实际的控制对象，有利于学生对可编程控制器技术、触摸屏技术和传感器技术的学习。

[1]叶远坚，周丽琴.基于MCGS的CASS工艺污水处理控制系统的设计[J].轻工科技，2015（12）：117-118，141.

[2]叶远坚，周丽琴.太阳能污水处理控制系统的设计[J].工程技术，2015（12）：191，193.

Design and Study of the Solar Sewage Treatment Training Device

YE Yuan-jian1，ZHOU Li-qin2
（1.Nanning College for Vocational Technology，Nanning Guangxi 530007，China；2.Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

The object of Programmable logic controller training device in the school is relatively simple and abstract virtual，which is conducive to the cultivation of students’interest in learning.This paper designed and produced a set of solar sewage treatment training device，which adopted MCGS touch screen，SIEMENS S7-200 programmable controller，design of water pump and some sensors etc.The students can program the logic control and practice based on the training device，which can help to improve the students’interests in learning and the practical ability.This design is an affordable，reusable，environmentally friendly experimental object.

solar；sewage treatment；training device

X703.3

A

1672-545X（2016）12-0058-03

2016-09-07

课题名称：S7-400和WinCC在纸厂污水自动控制系统中的研究与应用（编号：KY2015YB450）

叶远坚（1980-），男，硕士，讲师，主要从事工业自动控制系统的研究。