太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)研究

葉遠(yuǎn)堅(jiān)，周麗琴

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007；2.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)研究

葉遠(yuǎn)堅(jiān)1，周麗琴2

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007；2.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007）

可編程控制器實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)驗(yàn)對(duì)象相對(duì)單一、抽象虛擬，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。本文設(shè)計(jì)和制作了一套太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置，該裝置采用MCGS觸摸屏、西門子S7-200可編程控制器、水泵和傳感器等設(shè)計(jì)制作，有利于學(xué)生進(jìn)行可編程邏輯控制與程序設(shè)計(jì)，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐動(dòng)手能力。本設(shè)計(jì)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、可重復(fù)利用、綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)裝置。

太陽能；污水處理；實(shí)訓(xùn)裝置

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長、我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步以及國家對(duì)教育的不斷投入，我國高等職業(yè)教育處于飛速的發(fā)展中。由于機(jī)電專業(yè)的可編程控制器實(shí)驗(yàn)對(duì)象都比較抽象、設(shè)備價(jià)格昂貴且大多作為陳列對(duì)象。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中缺少直接實(shí)際的載體，學(xué)習(xí)的興趣不大。本文從對(duì)象直觀、制作成本低等特點(diǎn)出發(fā)，以太陽能發(fā)電和污水處理作為可編程控制器的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用太陽能光伏發(fā)電，供電給CASS工藝污水處理技術(shù)的設(shè)備，然后將自動(dòng)控制技術(shù)中的西門子S7-200可編程控制器技術(shù)、MCGS組態(tài)控制技術(shù)和傳感器與檢測(cè)技術(shù)等綜合應(yīng)用太陽能發(fā)電和污水處理這些控制對(duì)象上去，操作直觀，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

1太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電指利用太陽的光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?。太陽能發(fā)電包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。本設(shè)計(jì)主要是利用光伏發(fā)電，通過半導(dǎo)體器件吸收太陽光輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為電能輸出的發(fā)電方法。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、鉛酸蓄電池、電能控制器和光伏并網(wǎng)逆變器組成。

2太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的污水處理技術(shù)

太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置中污水處理技術(shù)是采用CASS工藝污水處理技術(shù)。CASS工藝污水處理技術(shù)原名是Cyclic Activated Sludge System，全名為可循環(huán)式活性泥漿污水處理方法[1]。CASS工藝污水處理方法的核心是在一個(gè)間斷的污水反應(yīng)池里進(jìn)行污水處理，該污水反應(yīng)池是將增氧曝氣階段和非增氧曝氣階段的間斷循環(huán)污水處理過程的結(jié)合，并把增氧曝氣池和靜置沉淀排水池有機(jī)的結(jié)合而成，就是將生物有氧反應(yīng)和泥水分離過程都在一個(gè)反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行[2]。如今CASS工藝污水處理方法被廣泛的應(yīng)用在輕工業(yè)污水、重工業(yè)污水和城市污水等污水處理場合中。

CASS工藝污水處理技術(shù)是指在一個(gè)污水處理池里，以時(shí)間有順序地增氧曝氣與非增氧曝氣運(yùn)行的靜止沉淀泥水分離處理方式，在一個(gè)污水處理反應(yīng)池內(nèi)對(duì)污染物進(jìn)行氧化降解處理過程和泥水分離過程。

CASS污水處理工藝的運(yùn)行過程是以時(shí)間有順序的控制方式進(jìn)行的，它的運(yùn)行過程包括五個(gè)時(shí)段，分別是進(jìn)水時(shí)段、增氧曝氣時(shí)段、靜置泥水分離時(shí)段、清水排出時(shí)段和靜止等待進(jìn)水時(shí)段。這五個(gè)時(shí)段是按照時(shí)間先后有順序的運(yùn)行組成一個(gè)完善的污水處理運(yùn)行周期。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行周期完成后，又再次按照這個(gè)模式進(jìn)行運(yùn)行。在CASS工藝污水處理技術(shù)運(yùn)行過程中，污水處理池是以污水進(jìn)入污水池的水量來進(jìn)行有氧曝氣的，是一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行過程，當(dāng)污水處理池中水位達(dá)到污水處理池最高水位時(shí)增氧曝氣時(shí)間是固定的。CASS工藝污水處理技術(shù)中污水處理過程如下圖1所示。

圖1 CASS工藝污水處理方法運(yùn)行過程

3太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)際工藝流程

太陽能板光伏發(fā)電，是把電能通過控制器輸送給鉛酸蓄電池或者光伏并網(wǎng)逆變器。（1）當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器不需要電能時(shí)，太陽能板發(fā)電輸送給鉛酸蓄電池，給鉛酸蓄電池充電；（2）當(dāng)光伏并網(wǎng)逆變器對(duì)外工作時(shí)，太陽能板光伏發(fā)電和鉛酸蓄電池的電能都會(huì)供應(yīng)給光伏并網(wǎng)逆變器；（3）如果光伏并網(wǎng)逆變器電能不充足時(shí)還可從市電補(bǔ)充輸送電能。通過光伏并網(wǎng)逆變器把電能輸送給液位傳感器、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、水泵、電磁閥、潷水器等使用。

本實(shí)訓(xùn)裝置的控制流程如下所示：

當(dāng)污水通過調(diào)節(jié)池，污水在調(diào)節(jié)池，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位在低液位以上時(shí)，檢測(cè)CASS污水處理池1和CASS污水處理池2是否在高液位。

（1）當(dāng)CASS污水處理池1的污水不在高液位時(shí)，首先啟動(dòng)抽水泵、打開電池閥1、冷卻塔、提升泵，關(guān)閉電磁閥2，污水流入CASS污水處理池1，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)1，對(duì)CASS污水處理池1進(jìn)行曝氣，當(dāng)曝氣到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，停止曝氣，靜止一段時(shí)間，污泥沉降，最后打開電池閥3把水排走；

（2）當(dāng)CASS污水處理池1在高液位，而CASS污水處理池2的污水不在高液位時(shí)，啟動(dòng)抽水泵、打開電池閥2、冷卻塔、提升泵，關(guān)閉電磁閥1，污水流入CASS污水處理池2，啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)2，對(duì)CASS污水處理池2進(jìn)行曝氣，當(dāng)曝氣到達(dá)預(yù)定時(shí)間時(shí)，停止曝氣，靜止一段時(shí)間，污泥沉降，最后打開電池閥4把水排走；

（3）當(dāng)CASS污水處理池1和CASS污水處理池2都在高液位時(shí)，則直到調(diào)節(jié)池液位達(dá)到高液位（如出現(xiàn)污水量排放量過大，就會(huì)把超過調(diào)節(jié)池高液位而未經(jīng)處理的污水排除到外面）時(shí)，再對(duì)CASS污水處理池1和CASS污水處理池2進(jìn)行檢測(cè)，然后再進(jìn)行第（1）步或第（2）步。

太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)際工藝流程如圖2所示。

圖2 太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置的實(shí)際工藝流程

4實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)和制作

本裝置采用工業(yè)鋁型材、亞克力板、可編程控制器、液位開關(guān)、電磁閥、觸摸屏、電源開關(guān)、太陽能電池板、鉛酸蓄電池、電能控制器和光伏并網(wǎng)逆變器等，設(shè)計(jì)和制作了太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置。太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置實(shí)物如圖3所示。

圖3 太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置

該裝置選用了西門子S7-200可編程控制器作為太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置控制核心，上位機(jī)監(jiān)控采用了北京昆侖工控MCGS的TPC7062KX.

昆侖通態(tài)的觸摸屏能夠提供一個(gè)有利于人機(jī)交互的組態(tài)界面，該組態(tài)界面有利于操作員操作，操作員通過查看組態(tài)界面，清楚直觀地查看到太陽能板光伏發(fā)電的情況和污水處理設(shè)備現(xiàn)場設(shè)備各種設(shè)備的運(yùn)行情況、各種故障報(bào)警信息和各個(gè)污水處理池的情況等，也可以根據(jù)處理污水情況的變化發(fā)布相應(yīng)的控制指令要求，有利于學(xué)生通過直觀地實(shí)驗(yàn)了解實(shí)際的操作控制情況。本裝置有兩個(gè)控制界面，太陽能發(fā)電控制界面如圖4所示，污水處理控制界面如圖5所示。

圖4 太陽能發(fā)電控制界面

圖5 污水處理控制界面

CASS工藝污水處理方法控制系統(tǒng)控制核心采用了西門子S7-200可編程控制器226CN型號(hào)，它的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)數(shù)多、結(jié)構(gòu)緊湊、接線方便、可靠性高和可擴(kuò)展等。將設(shè)計(jì)的程序?qū)胛鏖T子S7-200可編程控制器后，就可以利用西門子可編程控制器226CN對(duì)該裝置的設(shè)備實(shí)施控制。

學(xué)生可以自行利用數(shù)據(jù)線把昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062KX與西門子S7-200可編程控制器226CN連接起來，然后兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062KX通過西門子S7-200可編程控制器226CN對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，有利于學(xué)生對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制有個(gè)詳細(xì)的了解和學(xué)習(xí)。

5結(jié)束語

太陽能污水處理實(shí)訓(xùn)裝置經(jīng)過調(diào)試，然后投入使用后，整機(jī)性能穩(wěn)定可靠，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣愛好，對(duì)CASS污水處理工藝進(jìn)行學(xué)習(xí)，還可以通過控制對(duì)象的實(shí)際操作，進(jìn)一步加深了解和學(xué)習(xí)。本套實(shí)訓(xùn)裝置經(jīng)過學(xué)生使用后，普遍反映良好，使學(xué)生有了一個(gè)實(shí)際的控制對(duì)象，有利于學(xué)生對(duì)可編程控制器技術(shù)、觸摸屏技術(shù)和傳感器技術(shù)的學(xué)習(xí)。

[1]葉遠(yuǎn)堅(jiān)，周麗琴.基于MCGS的CASS工藝污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2015（12）：117-118，141.

[2]葉遠(yuǎn)堅(jiān)，周麗琴.太陽能污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)，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

課題名稱：S7-400和WinCC在紙廠污水自動(dòng)控制系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用（編號(hào)：KY2015YB450）

葉遠(yuǎn)堅(jiān)（1980-），男，碩士，講師，主要從事工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。