【導(dǎo)讀】目前，我國大多數(shù)污水處理控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高、安全性低、管理不當(dāng)，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。污水處理系統(tǒng)中的曝氣過程控制、數(shù)據(jù)通訊和監(jiān)控管理。是急需解決的主要問題。中國污水處理自控系統(tǒng)相對(duì)落后，污水處理成本居高不。下，污水廠排放的處理過的污水的水質(zhì)不穩(wěn)定，所以如何建立有效的自控系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行效果，減少運(yùn)行費(fèi)用，具有重要意義。文章首先介紹了基于PLC污水處理控制系統(tǒng)的工藝及相。則和步驟，來說明PLC在污水處理過程中的應(yīng)用。先根據(jù)污水處理要求設(shè)計(jì)了。統(tǒng)資源配置以及按照污水處理工藝編制PLC程序。

　　

【正文】 進(jìn)的嵌入式微處理技術(shù)，使其測控儀器達(dá)到了高度的數(shù)字化和智能化。它集超聲波傳感器、溫度補(bǔ)償電路、運(yùn)算主機(jī)為一體的非接觸式液位差測量儀器。超聲波液位差計(jì)具有精度高，壽命長，穩(wěn)定可靠，安裝維護(hù)方便等特點(diǎn) 。 溶解氧儀 溶解氧（ DO）是指溶解在水中的氧氣，它在河流、湖泊、海洋中都大量的存在，是檢測水質(zhì)和環(huán)境污染程度的主要指標(biāo)。用傳統(tǒng)的化學(xué)方法（如碘量滴定基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) （論文） 22 法）測定溶解液中的溶解氧是很費(fèi)時(shí)的，且成本很 高，不能連續(xù)測量，而用滴汞電極（ DME）的極譜分析最為簡單。但是 DME 的一些特殊性又影響了它在現(xiàn)場工作中的應(yīng)用。金與鉑電極能克服 DME 遇到的某些困難，但在一些生物介質(zhì)中就失效。為了消除上述困難，膜覆蓋氧電極誕生了，它最初是由 Clark 在 1956年提出的，故而得名 Clark 氧電極。這種電極利用膜可滲透氧但不能滲透水和有機(jī)及無機(jī)溶質(zhì)的原理，保護(hù)電極不與這類還原物質(zhì)緊密接觸，從而使傳感器的靈敏度不受影響。當(dāng)前用來測量水中溶解氧濃度最常用的儀器就是電化學(xué)傳感器（例如 Clark 傳感器）。它是根據(jù)電池原理而設(shè)計(jì)的，本身 就是個(gè)電池，不需要外加電壓，可通過測量電解電流來測量溶解氧濃度。測量時(shí)將其放入待測溶液，水質(zhì)溶解氧透過透氧膜，溶解于膜與電極之間的電解液薄層中，當(dāng)兩輸出端接上負(fù)載電路時(shí)，氧在陰極表面上發(fā)生還原反應(yīng)。對(duì)結(jié)構(gòu)和透氧膜確定的傳感器而言，在一定溫度下，氧傳感器的電流只與試樣中的氧分壓成正比 。 因此，測定電流即可知氧濃度。 選用 PH/溶解氧測量儀型號(hào) :SA29MP525。測量范圍： pH：（ ~） pH mV： 177。 mV，溶解氧：（ 0~） mg/L(ppm)；（ 0~） % 溫 度：（ 10~110） ℃ 精確度： pH： 177。 pH mV： 177。% FS 溶解氧： 177。 mg/L 溫度： 177。 ℃ ，自動(dòng)溫度補(bǔ)償： pH：（ 0~100） ℃ 溶解氧：（ 0~45） ℃ ， 其他參數(shù)：數(shù)據(jù)儲(chǔ)存： 900 組 ， 通訊接口： RS232， 電源： DC9V/300mA。其特點(diǎn)是 高精度的 pH+溶解氧雙參數(shù)儀表。配用 2503 型 pH 電極，可用于離子強(qiáng)度較低、渾濁液體和膠體溶液的測量?？稍O(shè)定高純水和加氨純水二種特殊的 pH測量模式，適合電力、石化等行業(yè)使用。新型的溶氧電極有鹽度測試功能，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鹽度補(bǔ)償和溫度補(bǔ) 償；儀器內(nèi)置氣壓傳感器，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣壓補(bǔ)償。極譜型溶氧電極，極化時(shí)間短，響應(yīng)快，測量準(zhǔn)確。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 23 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用西門子公司為 S7—200 系列 PLC 開發(fā)的 STEP7—Micro/WIN32 作為編程軟件，上面介紹了 工業(yè)污水處理 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和電氣控制部分的結(jié)構(gòu)，硬件結(jié)構(gòu)的總體 設(shè)計(jì)基本完成后，就要開始軟件部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求 和硬件部分的設(shè)計(jì)情況及 PLC 控制系統(tǒng) I/O 的分配情況，進(jìn)行軟件編程設(shè)計(jì)。在軟件的設(shè)計(jì)中，首先按照需要實(shí)現(xiàn)的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫 不同功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，既方便編寫，也便于調(diào)試。 總體流程設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為手動(dòng)控制功能和自動(dòng)運(yùn)行功能。在手動(dòng)控制模式下，每個(gè)設(shè)備可以單獨(dú)運(yùn)行，以測試設(shè)備的性能，如圖 41 所示。 圖 41 模式選擇流程圖 手動(dòng)模式 在手動(dòng)模式下，可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，如圖 52 所示。在此模式下，可以通過按鈕對(duì)格柵機(jī)、清污機(jī)、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)、刮泥機(jī)，以及各類泵進(jìn)行控制，對(duì)于轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調(diào)試性能。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 24 圖 42 手動(dòng)操作模式流程圖 自動(dòng)模式 處于自動(dòng)方式時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)后系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)確認(rèn)按鈕，啟動(dòng)潛水?dāng)嚢杵骱凸文鄼C(jī)。 （ 2）啟動(dòng)粗格柵系統(tǒng)。 （ 3）啟動(dòng)潛水泵。 （ 4）啟動(dòng)細(xì)格柵系統(tǒng)。 （ 5）啟動(dòng)曝氣沉砂系統(tǒng)。 （ 6）啟動(dòng)污泥回流系統(tǒng)。 （ 7）啟動(dòng)污泥脫水系統(tǒng)。 以上工作過程并不是順序控制方式，而是按照 PLC 檢測到傳感器狀態(tài)進(jìn)行啟動(dòng)如圖 43 所示 。 圖 43 自動(dòng)操作模式流程圖 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 25 在自動(dòng)控制模式流程 圖中，調(diào)用了各個(gè)控制系統(tǒng)的程序，主要包括粗格柵系統(tǒng)程序、潛水泵程序、細(xì)格柵系統(tǒng)程序、曝氣沉砂系統(tǒng)程序、污泥回流泵系統(tǒng)程序。以及污泥脫水系統(tǒng)程序，以下將分別介紹各個(gè)子程序的工作過程。 粗格柵系統(tǒng)程序主要控制粗格柵機(jī)和清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）自動(dòng)過程開始啟動(dòng)粗格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 2）定時(shí)到，停止運(yùn)行粗格柵機(jī) 2h。 （ 3） 2h 定時(shí)到，運(yùn)行粗格柵機(jī) 20min，循環(huán)進(jìn)行。 （ 4）同時(shí)檢查液面差，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)清污機(jī)。 （ 5）液面差值低于設(shè)定值，停止清污機(jī)運(yùn)行。 粗格柵系統(tǒng)工作 流程圖如圖 44 所示。 圖 44 粗格柵系統(tǒng)工作流程圖 潛水泵程序主要控制潛水泵的運(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）自動(dòng)過程開始啟動(dòng)潛水泵。 （ 2）檢測液面高度，低于最低位傳感器時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 26 （ 3）定時(shí)到后，若仍低于最低位傳感器，則停止?jié)撍眠\(yùn)行，否則潛水泵繼續(xù)運(yùn)行。 （ 4）檢測液面處于中位和高位傳感器之間時(shí)，開始定時(shí)防止誤判。 （ 5）定時(shí)到后，若液面仍持續(xù)處于高位傳感器，則輸出報(bào)警信號(hào)。 潛水泵工作流程圖如圖 45 所示 。 圖 45 潛水泵工作流程圖 細(xì)格柵系統(tǒng)程序與粗格柵系統(tǒng)程 序相似，主要控制細(xì)格柵機(jī)和轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)的運(yùn)行，其工作過程包括以下幾個(gè)方面 ： （ 1）自動(dòng)過程開始，啟動(dòng)細(xì)格柵機(jī)，定時(shí) 20min。 （ 2）定時(shí)到，停止運(yùn)行細(xì)格柵機(jī) 2h。 （ 3） 2h 定時(shí)到，運(yùn)行細(xì)格柵機(jī) 20min，循環(huán)進(jìn)行。 （ 4）同時(shí)檢測液面差，若超過設(shè)定值則啟動(dòng)轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)。 （ 5）液面差低于設(shè)定值，停止轉(zhuǎn)鼓清污機(jī)運(yùn)行。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 27 圖 46 細(xì)格柵系統(tǒng)工作流程圖 曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖如圖 47 所示 。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 28 47 曝氣沉砂系統(tǒng)工作流程圖 污泥回流系統(tǒng)程序主要控制污泥回流泵的運(yùn)行和停止，其工作過程包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）自 動(dòng)過程開始首先檢測液面高低，若低于最低位傳感器，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 2）定時(shí)到，若液面仍低于最低位傳感器則停止回流泵運(yùn)行。 （ 3）若液面處于最高位和最低位之間，啟動(dòng)污泥回流泵。 （ 4）若液面高于最高位傳感器時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 5）定時(shí)到，若液面仍處于最高位傳感器時(shí)，輸出報(bào)警信號(hào)。 污泥回流系統(tǒng)工作流程圖如圖 48 所示 。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 29 圖 48 污泥回流系統(tǒng)工作流程圖 污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 1）自動(dòng)過程開始首先啟動(dòng)離心式脫水機(jī)，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 2）定時(shí)到，啟動(dòng)聚合物泵，啟動(dòng)定時(shí)。 （ 3）定時(shí)到，啟動(dòng) 污泥泵和切割機(jī)。 污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖如圖 49 所示。 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 30 圖 49 污泥脫水系統(tǒng)工作流程圖 在設(shè)計(jì)程序過程中，會(huì)用到許多中間繼電器、寄存器、定時(shí)器等軟元件，為了便于編程及修改，在程序編寫前應(yīng)先列出可能用到的軟元件，如表 410 所示。 表 410 軟元件設(shè)置 元件 意義 內(nèi)容 備注 系統(tǒng)停止標(biāo)志 On有效 手動(dòng)方式標(biāo)志 On有效 自動(dòng)方式標(biāo)志 On有效 自動(dòng)方式啟動(dòng)標(biāo)志 On有效 清污機(jī)運(yùn)行標(biāo)志 On有效 聚合物泵運(yùn)行標(biāo) 志 On有效 污泥泵運(yùn)行標(biāo)志 On有效 切割機(jī)運(yùn)行標(biāo)志 On有效 粗格柵機(jī)停止標(biāo)志 On有效 粗格柵機(jī)定時(shí)脈沖計(jì)數(shù) On有效 進(jìn)水泵房液面低于最低位 On有效 細(xì)格柵機(jī)停止標(biāo)志 On有效 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 31 細(xì)格柵機(jī)定時(shí)脈沖計(jì)數(shù) On有效 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行標(biāo)志 On有效 轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻運(yùn)行標(biāo)志 On有效 回流泵房液面低于最低位標(biāo)志 On有效 回流泵房液面高于最高位標(biāo)志 On有效 C1 粗格柵機(jī) 2h 定時(shí)中間計(jì)數(shù)器 10 C2 細(xì)格柵機(jī) 2h 定時(shí)中間計(jì)數(shù)器 10 T33 時(shí)鐘脈沖 5 50ms T37 粗格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間 12020 20min T38 粗格柵機(jī)停止時(shí)間定時(shí) 7200 12min T39 進(jìn)水泵房液面低于最低位定時(shí) 20 2s T40 進(jìn)水泵房液面高于最高位定時(shí) 20 2s T41 細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間 12020 20min T42 細(xì)格柵機(jī)停止時(shí)間定時(shí) 7200 12min T43 污泥回流泵房液面低于最低位定時(shí) 20 2s T44 污泥回流泵高于低位且低于高位定時(shí) 20 2s T45 污泥回流泵房液面高于最高位定時(shí) 20 2s T46 離心式脫水機(jī)與聚合物泵啟動(dòng)間隔 50 5s T47 聚合物泵與污泥泵和切割機(jī)啟動(dòng)間隔 50 5s VD10 變頻器速度寄存器 VD20 含氧量反饋值寄存器 VD30 變頻器速度寄存器 VD100 含氧量標(biāo)準(zhǔn)值寄存器 VD102 變頻器速度標(biāo)準(zhǔn)值寄存器 VD104 USSINIT 指令執(zhí)行結(jié)果 VD106 USSRPMR 錯(cuò)誤狀態(tài)字節(jié) 曝 氣過程控制的任務(wù) 工業(yè)污水處理 后的水質(zhì)是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中生化需氧量（ BOD）和化學(xué)需氧量（ COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)。 BOD 是指在有氧條件下，降解有機(jī)物所需的氧量。 COD 是指在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化成 CO H2O 所消耗的氧量。 BOD 的測定需費(fèi)時(shí) 5 天，且測定結(jié)果易受多種因素影響，誤差較大。 COD 的檢測比較精確，但方法繁瑣，耗時(shí)約 2 小時(shí)。雖然有 COD 濃度在線基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 32 檢測儀可以在線檢測，但仍存在滯后（ 30 分鐘左右），測量結(jié)果嚴(yán)重滯后于實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，不能及時(shí)反映實(shí)際情況。另外， COD 檢測儀的價(jià)格也較昂貴，增加了控制系統(tǒng)的成本。所以有必要找出簡單、可行的控制參數(shù)。 在好氧反應(yīng)過程中，參與 工業(yè)污水處理 的是以好氧菌為主體的微生物，決定其處理效果的關(guān)鍵因素是反應(yīng)池中溶解氧的含量。為了使微生物的活動(dòng)最佳化，應(yīng)該使供氧量與消耗的氧量相等，或稍大一些。如果供氧量少，處理的水質(zhì)和污泥的活化就要降低如果供氧量過多，污泥的沉降性差，處理水質(zhì)也差，另外也不經(jīng)濟(jì)。由此可見，混合液中溶解氧濃度 (DO)是好氧反應(yīng)中一個(gè)重要的控制參數(shù)。如果控制曝氣設(shè)備的最佳溶解氧濃度，就能使處理水質(zhì)優(yōu)化，也能節(jié)約動(dòng)力費(fèi)用，并且由于 DO 的在線檢測簡單、可靠 ，因此把 DO 作為 工業(yè)污水處理 過程的控制參數(shù)。 氯氣投加環(huán)節(jié) 氯氣投加消毒效果的好壞與原水 PH 值、水溫、濁度和接觸時(shí)間有直接的關(guān)系。人工進(jìn)行加氯量控制，不僅對(duì)操作工人不安全，而且投加量也難以準(zhǔn)確控制。投加量少了，達(dá)不到殺菌消毒效果；投加量多了雖殺菌效果得到了保證，但水將呈氯臭味難以飲用，此外管道腐蝕將加劇，生產(chǎn)成本也上升。近年來，人工加氯逐漸被自動(dòng)方式取代。 氯氣投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其過渡過程和純滯后時(shí)間均較長，并且系統(tǒng)的干擾因素較多，對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)，使用一般的 PID 調(diào)節(jié)很難滿足控制要求。 為了精確控制投加的氯量，運(yùn)用模糊自整定 PID 參數(shù)控制器對(duì)氯氣投加系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。氯氣投加自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖 411 所示 。 圖 411 氯氣投加自控原理圖 基于 PLC 的污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （論文） 33 絮凝劑投加環(huán) 在污泥脫水過程中為增加沉淀效果，使污水中懸浮顆粒能夠形成具有良好沉淀性能的絮凝體，達(dá)到泥水充分分離的處理效果，需進(jìn)行絮凝劑投加。其控制過程主要是通過污泥濃度、污水流量、絮凝劑濃度等因素控制來完成的。其 PID 調(diào)節(jié)的模糊控制過程與上述兩個(gè)非線性控制環(huán)節(jié)類似，具有大時(shí)滯、非線性的特點(diǎn)。由于混凝過程的復(fù)雜性和多變性，混凝投藥的自動(dòng)控制一直受到 控制行業(yè)和污水行業(yè)專家的普遍關(guān)注。 PID 控制 對(duì)于工業(yè)控制過程 , 常規(guī)的 PID 控制器具有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點(diǎn)，因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。常規(guī)的 PID 控制器的描述如式 （ ） 所示 ： ndni iinpnECkEkEkU ??? ?