污水深度處理站的自動控制

盧鍇 王挺

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

污水深度處理站是污水處理系統(tǒng)的重要組成部分。針對某污水處理重點工程中污水深度處理站的控制要求，設(shè)計了一套自動控制站系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制功能。

1 污水深度處理站的作用和控制要求

污水深度處理站的作用主要是對處理后的污水進(jìn)行深度過濾和凈化，使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。整套設(shè)備包括：4臺濾池提升泵、6個濾池、3臺鼓風(fēng)機(jī)、5臺反沖洗泵、2臺回流泵。其中，每個濾池包含過濾進(jìn)水閥、過濾出水閥、反沖洗進(jìn)水閥、反沖洗出水閥、反沖洗進(jìn)氣閥、液位計等。

1）按照工藝要求實現(xiàn)污水深度處理站濾池的恒水位控制。

2）對污水深度處理站各濾池的反沖洗進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和控制。

3）對污水深度處理站主要設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)選用S7-400 PLC，包括：CPU、I/O模塊和通訊模塊。CPU采用S7-400雙機(jī)熱備系統(tǒng)，通過冗余DP通訊模塊對I/O模塊進(jìn)行監(jiān)控。用自帶的以太網(wǎng)口通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入工業(yè)以太光纖環(huán)網(wǎng)中，和上位機(jī)及其他PLC控制站進(jìn)行通訊、交換信息。

軟件編制采用SIEMENS PLC編程軟件。充分利用S7-400 PLC的開關(guān)量控制、模擬量控制、時間控制、條件控制、數(shù)值運算、PID閉環(huán)控制、遠(yuǎn)程I/O控制、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能對污水森度處理站站系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。

3 主要控制功能的實現(xiàn)

3.1 污水深度處理站濾池恒水位控制功能的實現(xiàn)

在污水深度處理站系統(tǒng)中，通過濾池提升泵將處理后的污水提升進(jìn)入濾池進(jìn)行深度過濾處理。在自動運行時，根據(jù)工藝要求，深度處理站濾池水位應(yīng)保持在濾池設(shè)定水位（總高度的80%），進(jìn)行恒水位過濾。由于本系統(tǒng)中的出水調(diào)節(jié)閥采用的是開關(guān)型電控閥，這就增加了控制及調(diào)試的難度。我們編制了專用軟件，予以解決。

功能的實現(xiàn)：建立閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型，利用S7-400 PLC的PID閉環(huán)控制功能對濾池水位進(jìn)行閉環(huán)控制，根據(jù)濾池設(shè)定水位和濾池的反饋水位值進(jìn)行比較，給出一個調(diào)節(jié)信號，通過軟件折算出控制出水調(diào)節(jié)閥的開度增加或減少值，再根據(jù)閥門參數(shù)通過軟件折算出開關(guān)時間，對閥門進(jìn)行開、關(guān)時間控制，以達(dá)到最終使濾池水位保持恒定的目的。

3.2 污水深度處理站濾池反沖洗協(xié)調(diào)管理和控制功能的實現(xiàn)

污水深度處理站的濾池在運行一段時間后，需要通過反沖洗對濾池進(jìn)行全面清潔。由于濾池反沖洗設(shè)備只有一套，當(dāng)污水深度處理站的濾池提出反沖洗申請而系統(tǒng)又不能同時對提出反沖洗要求的濾池進(jìn)行反沖洗操作時，必須對反沖洗申請進(jìn)行等級劃分以及排隊處理。根據(jù)管理等級以及優(yōu)先順序?qū)ξ鬯疃忍幚碚靖鳛V池的反沖洗進(jìn)行協(xié)調(diào)管理和控制。

濾池的反沖洗申請可分為高級申請和低級申請兩類。按“反沖洗申請”按鈕或者壓力超過設(shè)定值時，濾池發(fā)出高級申請，當(dāng)濾池運行時間到達(dá)設(shè)定時間時，濾池發(fā)出低級申請。在同級申請中，根據(jù)發(fā)出申請時間進(jìn)行排隊。當(dāng)需對反沖洗申請濾池進(jìn)行篩選時，先在高級申請隊列中進(jìn)行挑選并按申請先后順序逐一進(jìn)行反沖洗操作；高級申請結(jié)束后再在低級申請隊列中進(jìn)行挑選并按申請先后順序逐一進(jìn)行反沖洗操作。

功能的實現(xiàn)：建立堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把申請反沖洗的濾池按申請等級、申請先后順序進(jìn)行排列以及協(xié)調(diào)管理。在本系統(tǒng)中為了實現(xiàn)濾池的反沖洗協(xié)調(diào)管理和控制，設(shè)置了2個濾池反沖洗申請棧：高級申請棧和低級申請棧，編制了壓入棧和彈出棧程序，并給每個濾池定義了標(biāo)號。當(dāng)某一個濾池提出反沖洗申請時，執(zhí)行壓入棧程序，根據(jù)其申請等級將提出反沖洗申請的濾池標(biāo)號壓入相應(yīng)等級的申請棧中，進(jìn)行等待。當(dāng)系統(tǒng)沒有執(zhí)行反沖洗操作或當(dāng)前的反沖洗操作已執(zhí)行完畢時，啟動彈出棧程序，先搜索高級申請棧，后搜索低級申請棧，并根據(jù)先進(jìn)先出的原則，選中優(yōu)先權(quán)最高的標(biāo)號，將其彈出。經(jīng)確認(rèn)后，對該標(biāo)號對應(yīng)的濾池執(zhí)行反沖洗操作。上述過程再次重復(fù)，直至所有反沖洗申請均執(zhí)行完為止。

3.3 污水深度處理站濾池反沖洗功能的實現(xiàn)

在污水深度處理站自動運行時，當(dāng)其濾池的反沖洗申請得到批準(zhǔn)后，自動執(zhí)行反沖洗操作。

功能的實現(xiàn)：根據(jù)下列各階段的工藝流程和條件，用siemens的S7-400 PLC編程軟件STEP7的GRAPH流程圖語言編制控制軟件，實現(xiàn)濾池的順序反沖洗功能。

濾池反沖洗具體分為5個階段：氣沖，氣、水沖，一次水沖，浮渣沉積及反沖洗排水，二次水沖。

3.3.1氣沖階段

1）濾池反沖洗標(biāo)志1成立：反沖洗標(biāo)志1為“1”、關(guān)閉濾池進(jìn)水閥門、打開濾池出水控制閥門。此時濾池進(jìn)入氣沖準(zhǔn)備階段。

2）反沖洗標(biāo)志1成立、濾池進(jìn)水閥門關(guān)到位、濾池出水控制閥門開到位、濾池液位低于42%：反沖洗標(biāo)志2為“1”、停止關(guān)閉濾池進(jìn)水閥門、停止打開濾池出水控制閥門、關(guān)閉濾池出水控制閥門。

3）反沖洗標(biāo)志2成立、濾池出水控制閥門關(guān)到位：反沖洗標(biāo)志3為“1”、停止關(guān)閉濾池出水控制閥門、打開反沖洗鼓風(fēng)機(jī)閥。

4）反沖洗標(biāo)志3成立、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)閥開到位：反沖洗標(biāo)志4為“1”、停止打開反沖洗鼓風(fēng)機(jī)閥、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)運行標(biāo)志為“1”、啟動1臺反沖洗鼓風(fēng)機(jī)。

5）反沖洗標(biāo)志4成立、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)正常運行：反沖洗標(biāo)志5為“1”。此時濾池進(jìn)入氣沖階段。

3.3.2 氣、水沖階段

1）反沖洗標(biāo)志5成立、氣沖時間到達(dá)氣沖設(shè)定時間：反沖洗標(biāo)志6為“1”、打開反沖洗進(jìn)水閥門。此時濾池停止氣沖階段，進(jìn)入氣、水沖準(zhǔn)備階段。

2）反沖洗標(biāo)志6成立、反沖洗進(jìn)水閥門開到位：反沖洗標(biāo)志7為“1”、停止打開反沖洗進(jìn)水閥門、反沖洗水泵運行標(biāo)志為“1”、啟動1臺反沖洗水泵。

3）反沖洗標(biāo)志7成立、反沖洗水泵正常運行：反沖洗標(biāo)志8為“1”。此時濾池進(jìn)入氣、水沖階段。

3.3.3 一次水沖階段

1）反沖洗標(biāo)志8成立、氣、水沖時間到達(dá)設(shè)定時間：反沖洗標(biāo)志“9”為“1”、關(guān)閉反沖洗鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門、停止反沖洗鼓風(fēng)機(jī)。此時濾池停止氣、水沖階段，進(jìn)入一次水沖準(zhǔn)備階段。

2）反沖洗標(biāo)志9成立、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)停止運行、反沖洗鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門關(guān)到位：反沖洗標(biāo)志10為“1”、停止關(guān)閉反沖洗鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口閥門、啟動4臺反沖洗水泵。

3）反沖洗標(biāo)志10成立、反沖洗水泵正常運行：反沖標(biāo)志11為“1”。此時濾池進(jìn)入一次水沖階段。

3.3.4 浮渣沉積及反沖洗排水階段

1）反沖洗標(biāo)志11成立、一次水沖時間到達(dá)設(shè)定時間或者液位大于或等于80%：反沖洗標(biāo)志12為“1”、停止反沖洗水泵運行、關(guān)閉反沖洗進(jìn)水閥門。此時濾池進(jìn)入浮渣沉積階段。

2）反沖洗標(biāo)志12成立、浮渣沉積計時時間到達(dá)設(shè)定時間：反沖洗標(biāo)志13為“1”、打開濾池反沖洗出水閥門。此時濾池進(jìn)入排水階段。

3）反沖洗標(biāo)志13成立、濾池反沖洗出水閥門的開度大于或等于30%：反沖洗標(biāo)志14為“1”、停止打開反沖洗出水閥門。此時濾池開始小量排水。

4）反沖洗標(biāo)志14成立、時間到達(dá)設(shè)定時間：反沖洗標(biāo)志15為“1”、打開濾池反沖洗出水閥門。

5）反沖洗標(biāo)志15成立、反沖洗出水閥門開到位：反沖洗標(biāo)志16為“1”、停止打開濾池反沖洗出水閥門、開始計時。

3.3.5 二次水沖階段

1）反沖洗標(biāo)志16成立、時間到達(dá)設(shè)定時間：反沖洗標(biāo)志17為“1”、關(guān)閉濾池反沖洗出水閥門、打開濾池反沖洗進(jìn)水閥門。此時濾池進(jìn)入二次水沖準(zhǔn)備階段。

2）反沖洗標(biāo)志17成立、濾池反沖洗出水閥門關(guān)到位：反沖洗標(biāo)志18為“1”、停止關(guān)閉濾池反沖洗出水閥門、打開濾池反沖洗進(jìn)水閥門。

3）反沖洗標(biāo)志18成立、濾池反沖洗進(jìn)水閥門開到位：反沖洗標(biāo)志19為“1”、反沖洗水泵運行標(biāo)志為“1”、停止打開反沖洗進(jìn)水閥門、啟動4臺反沖洗水泵

4）反沖洗標(biāo)志19成立、液位大于等于80%：反沖洗標(biāo)志20為“1”、停止反沖洗水泵運行、關(guān)閉反沖洗進(jìn)水閥門。

5）反沖標(biāo)志20成立、反沖洗水泵停止運行、反沖洗進(jìn)水閥門關(guān)到位、反沖洗出水閥門關(guān)到位：濾池反沖洗過程結(jié)束，開始轉(zhuǎn)入深度過濾。

3.4 監(jiān)控功能的實現(xiàn)

采用3D_MAX軟件結(jié)合SIEMENS上位機(jī)編程軟件WINCC制作了污水深度處理站主要設(shè)備上位機(jī)3D平面立體圖像監(jiān)控畫面，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)通過工業(yè)以太光纖環(huán)網(wǎng)將各設(shè)備的運行參數(shù)上傳到上位機(jī)，它們的運行狀態(tài)就在監(jiān)控畫面上顯示出來。當(dāng)設(shè)備運行出現(xiàn)故障時，發(fā)出告警信號，并彈出故障表，指示維護(hù)人員及時進(jìn)行處理。實現(xiàn)對污水深度處理站主要設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 污水深度處理站主要設(shè)備監(jiān)控畫面

4 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)是某污水處理重點工程的一個控制子站。是針對該重點工程污水深度處理站的控制要求進(jìn)行設(shè)計的。作者主持了系統(tǒng)設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試和投運。本控制系統(tǒng)已投入現(xiàn)場運行，各項性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計要求，運行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)過任何故障。取得良好效果。