小型高铁客运站污水处理的自动控制系统设计

2018-04-02王学智段志龙

装备制造技术 2018年1期

王学智，段志龙

（湖北水利水电职业技术学院，湖北武汉430070）

0　引言

随着我国高铁网络覆盖越来越广，高铁客运站点不断增加，在方便人民生活的同时，各客运站点需要加强对排放污水的管理，做到达标排放。小型高铁客运站污水具有水量小、排放量不稳定、点多线长和污染源分散等特点[1-2]。由于铁路分布形式的特殊性，铁路污水尤其是中小站的生活污水很难并入当地市政污水处理系统，只能采用自行处理的方式，所以构建适合客运站污水处理的自动控制系统十分必要[3]。

1　污水处理装置总体组成及自控功能简介

1.1　小型高铁客运站污水处理装置的总体组成

小型高铁客运站污水的主要处理工艺有 SBR工艺、人工湿地、MBR工艺等。由于SBR工艺更适用于水量较大的情况，人工湿地则有占地面积大等问题，而MBR工艺因对污染物处理效率高、出水水质好且处理效果稳定，已成功应用于污水处理与回用等领域[4-5]。本文设计的污水处理采用MBR工艺，图1所示为工艺流程图。

图1　污水处理工艺流程图

1.2　自动控制系统功能简介

小型高铁客运站污水处理自动化系统属于该站给排水自动控制系统的一个站，由现场层、控制层、本站监控管理层、远程监控管理层组成四级计算机分散控制系统[6]。

自动控制系统由现场层的自动化仪表检测相关数据，并将数据通过4～20 mA电流信号传送至控制层的PLC，PLC根据接收到的仪表信号，控制现场层的执行器，组成一个闭环控制系统，既可提高控制精度，又可降低能耗；通过工控交换机可实现本站监控管理层的上位机与控制层的PLC之间的通讯，构成计算机监控系统，实行集中管理；再由internet网络实现本站管理层与远程监控管理层的数据共享，实现主管铁路总局监控中心对所属各客运站自动控制系统的监控和管理。

2　自动控制系统设计与实现

自动控制系统的工作模式有手动、自动、半自动、调试、维护、近控、远控等多种，考虑到用户的实际需求，小型高铁客运站污水处理装置的自动控制系统采用三种工作模式：近控、远控、维护。近控为现场手动控制，远控为上位机控制模式，维护为调试及维护阶段选择的模式。自动控制系统综合利用计算机技术、无线传输技术、网络通信技术、自动检测技术、过程控制技术，使生产过程中的数据信息能够实时采集、综合分析、优化控制、集中管理。小型高铁客运站污水处理装置的自动控制系统如图2所示。

图2　污水处理自动控制系统结构图

2.1　污水提升

小型高铁客运站根据自身规模自建污水抽升井一座，设有两台自动搅匀排污泵，一用一备，一台具有4～20 mA标准输出的超声波液位计。在自动模式下，当污水低于停泵水位时，排污泵停止工作；当污水达到启泵水位时，排污泵自动开启；PLC根据每台排污泵的运行时间，自动实现两台排污泵的轮换，使两台排污泵运行时间均等，延长排污泵的使用寿命，降低能耗。此外，系统设有上、下限报警，防止排污泵空运转。

2.2　MBR污水处理系统

小型高铁客运站污水处理规模小，宜选用一体式MBR生化处理设备。MBR工艺虽然在运行过程中能够高效截留微生物，但是由于膜的孔径分布不均匀，以及运行过程中出现的膜丝断裂、破损等问题，使得MBR出水残留的病原菌指示微生物很难达到总大肠菌群（3 CFU/L）的国家标准[7]，需要对MBR出水进行二氧化氯消毒处理。如图2所示，系统设置两台电磁流量泵，一用一备，用于投加二氧化氯消毒。污水处理站控制柜中的PLC根据电磁流量计检测的MBR污水处理设备的出水流量，按照事先设定的比值（比值可在上位机进行调节）自动计算二氧化氯投加量，并转化成控制电磁流量泵的脉冲输出。同时，PLC计算每台电磁流量泵的运行时间，自动实现两台流量泵的轮换（轮换时间可在上位机设定），使两台排流量泵运行时间均等，延长其使用寿命。液位采集终端、流量采集终端、智能电表及PLC都具有标准internet网络接口，通过通信交换机与上位机监控系统通讯。

2.3　污水处理自动控制系统控制程序

自动控制系统选用西门子S7-1200系列CPU 1214作为主控制器，该CPU具有100KB工作存储器，0.04 ms/1000条指令程序处理能力，并具有PROFINET网络接口，可用于编程、HMI以及 PLC间数据通信。程序设计采用结构化编程，整个程序包括主程序OB1、起动组织块OB100、循环中断组织块OB30、用于控制排污泵工作的功能FC1、用于控制排污泵、消毒泵轮换工作的功能FC2、用于控制消毒泵工作的功能FC3、近控程序功能FC4、维护程序功能FC5、远控程序功能FC6.

起动组织快OB100是初始化程序，只在PLC每次运行时执行一个扫描周期，主程序OB1根据模式选择开关调用FC4、FC5、FC6.循环中断组织块OB30负责处理液位和流量数据，并根据流量计算出控制二氧化氯消毒泵所需的脉冲频率和脉冲个数，并将数据传送给FC3，中断时间为300 ms.自动控制系统正常运行时主要控制任务由FC6负责，FC6并行调用FC1和FC3，FC1和FC3共用FC2的数据用于控制排污泵和二氧化氯消毒泵的轮换工作。图3为程序调用结构图，采用结构化编程显著减少了编程时间、降低了程序存储器空间。