污水处理控制系统的设计与实现

2020-07-10李丽荣赵树国程金霞

邯郸职业技术学院学报 2020年1期

李丽荣赵树国程金霞

(邯郸职业技术学院机电工程系，河北邯郸 056005)

1 引言

在水资源日益短缺的今天，做好城市生活污水的再生利用，有利于保护环境、保护水资源，促进有限水资源的可持续开发利用。随着计算机技术、控制技术的突飞猛进，污水处理厂的自动化程度也在不断提高，但是由于资金投入不足、技术力量相对薄弱等因素，很多城市中小型污水处理厂的自动控制水平还比较低，污水处理系统运行的可靠性也有待提高。为此，本文根据某污水处理厂处理工艺，设计和实现了一种基于PLC的城市生活污水模糊控制系统，实现城市生活污水处理系统的自动监控，提高了污水处理的技术管理水平，降低能耗，减少运行费用，在“京津冀”协同发展背景下该系统具有十分重要的意义。

2 城市污水处理工艺流程

某污水处理厂的城市生活污水的处理采用CASS (Cyclic Activated Sludge System)工艺，全称为循环式活性污泥法。CASS的整个工艺为一间歇式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断重复，将生物反应过程和泥水分离过程结合在一个池子中进行。在CASS工艺中，在反应池的首部设置生物选择器，不仅可以快速去除进水中可溶性有机物，并且可以有效地抑制丝状菌生长和繁殖，消除污泥膨胀。随着电子计算机的日益普及，CASS工艺由于其投资和运行费用低、处理性能高超，尤其是优异的脱氮除磷功能而越来越得到重视。该工艺已广泛应用于城市污水和各种工业废水的处理。

3 污水处理控制系统的组成

根据该污水处理厂的工艺流程和要求，本控制系统采用上下位机两级结构。上位机监控系统选用性能稳定、抗干扰性能好的工控机，使用工控组态软件对上位机监控功能进行组态，设计工艺流程、记录查询、报警、报表、参数设定等操作画面，实现现场设备的监控与人机交互。下位机控制系统采用PLC控制技术实现对系统中多个泵、阀门等设备的启/停、开/关控制，从而使该污水处理系统按照工艺要求完成自动控制。系统整个网络采用两层网络拓扑结构，上位机PC之间以及上位机和下位机PLC之间采用工业以太网通讯，底层为现场总线，下位机PLC主站和两个从站之间采用PROFIBUS-DP现场总线通讯。污水处理控制图如图1所示。

图1 污水处理控制系统图

1#PLC柜位于提升泵房内，其电气控制系统主要完成对粗格栅环节的液位差计，提升泵房的液位计，细格栅环节的PH分析仪、悬浮物在线分析仪、COD在线分析仪、氨氮在线分析仪、1#液位计、2#液位计、出水流量计等各类仪表、执行设备的数据采集和控制。2#PLC柜位于变配电间内，其电气控制系统主要完成对CASS池A1内溶解氧分析仪、悬浮物分析仪、液位计，CASS池A2内悬浮物分析仪、液位计，CASS池A进气管流量计、CASS池B进气管流量计，鼓风机出口总管流量计等各类仪表、执行设备的数据采集和控制，电气控制原理图如图2所示。3#PLC柜位于污泥脱水间，其电气控制系统主要完成对中间提升泵房的液位计，储泥池内的液位计、悬浮物分析仪、进泥管道流量计，接触池内硝氮在线分析仪、出水管道流量计、COD在线分析仪、悬浮物分析仪等各类仪表、执行设备的数据采集和控制。

图2 2#PLC工作站系统配置图

2#PLC工作站为主站，位于变配电间内，CPU具体型号选择S7-300系列中应用广泛的CPU315-2DP。CPU315-2DP具有大中规模的程序容量，对二进制和浮点数有较高的处理性能，它有两个PROFIBUS-DP主站/从站接口，可用于建立分布式1/0结构和大规模I/O配置，并且可以通过CP通信卡来扩展其DP接口。2#PLC工作站I/O点统计表如表1所示。

CPU315-2DP带有128KB集成式RAM，不能扩展。 FB、FC、DB、OB的最大容量都为16KB，FB、FC最大模块数为2048，DB最大块数为1023，可以处理的最大模拟量I/O总数为1024个，最大数字量I/0总数为16384个。

表1 2#PLC工作站I/O点统计表

CPU315-2DP需要配置电源，这里选择了PS307-5A。

4 软件设计

本污水处理系统下位机PLC编程软件设计选用的是西门子编程软件STEP 7，STEP 7 对 PLC 进行编程采用结构化程序，把程序分成多个模块，各模块完成相应的功能。每个模块实际上就是一个子程序，用相应子程序实现特定的功能，再通过主程序来调用子程序，然后再结合起来从而就可以实现复杂的污水处理控制。

本次程序设计中所用到的各个逻辑块，如图 3所示。S7-300 PLC 采用循环执行用户程序的方式。所有的 FC 逻辑块均放在OB 块中进行循环。OB1 是用于循环处理的组织块(主程序)，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序(组织块)中断。在启动完成后，不断地循环调用 OB1，在 OB1 中可以调用其他逻辑块(FB、SFB、FC 或 SFC)。