基于PLC的大型超濾污水處理控制系統(tǒng)的研究

★溫強(qiáng)華，趙江華，郝金光（北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206）

基于PLC的大型超濾污水處理控制系統(tǒng)的研究

★溫強(qiáng)華，趙江華，郝金光（北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206）

通過對超濾污水處理系統(tǒng)中存在產(chǎn)水效率低、系統(tǒng)不穩(wěn)定性、水錘嚴(yán)重等問題的研究，本文引入了“廊道競爭”、“自適應(yīng)梯階進(jìn)水”、“S曲線停泵”、“PWM閥門控制”等控制方法，最終實(shí)現(xiàn)了超濾污水處理系統(tǒng)的長期穩(wěn)定高效可靠運(yùn)行。

超濾；廊道競爭；水錘；自適應(yīng)；PWM

1 引言

隨著水處理工藝流程的快速發(fā)展，其控制方法也越來越復(fù)雜，而對于大型超濾污水處理系統(tǒng)將存在更多的自動控制難題。如何實(shí)現(xiàn)超濾污水處理系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠及安全的運(yùn)行，將成為大型超濾污水處理系統(tǒng)未來大規(guī)模發(fā)展所需研究的重點(diǎn)。本文以北京市小紅門污水處理廠60萬噸/天超濾污水處理系統(tǒng)為研究對象，通過對反洗和氣擦洗時廊道競爭問題的解決，不但保證了超濾膜的安全，同時也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的最大化；針對于來水量的非穩(wěn)定性問題，采用自適應(yīng)梯階進(jìn)水控制方法，實(shí)現(xiàn)了“按需控制”的理念，即根據(jù)當(dāng)前實(shí)際需要處理的水量去控制系統(tǒng)的處理能力，保證了整個超濾系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行；水錘問題一直是限制大型超濾控制系統(tǒng)發(fā)展的問題之一，本研究通過采用變頻S曲線停泵及PWM閥門控制技術(shù)，較好的減少了水錘沖擊。為了實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)水，采用隊列調(diào)度算法，可以合理解決廊道競爭的問題。引入雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)（大環(huán)+小環(huán)），實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 超濾污水處理系統(tǒng)

2.1 超濾污水處理系統(tǒng)原理

超濾污水處理是一種與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)，成為濃縮液，因而實(shí)現(xiàn)對原液的的凈化、分離和濃縮的目的。超濾污水處理系統(tǒng)是應(yīng)用大規(guī)模的超濾膜對大量污水的篩選最終達(dá)到凈化篩選的功能，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的效果。本文研究的系統(tǒng)所采用的是碧水源超濾膜。

2.2 超濾污水處理控制概況

超濾污水處理控制系統(tǒng)是通過采用自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超濾污水處理系統(tǒng)的自動控制及自動生產(chǎn)的系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化PLC作為主控制器，以閥島作為遠(yuǎn)程I/O來控制系統(tǒng)中的廊道氣動閥，通過“主環(huán)+子環(huán)”的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將各個站點(diǎn)進(jìn)行連接通訊。

圖1為本系統(tǒng)的硬件配置圖。本系統(tǒng)共由三個主站和48個子站構(gòu)成，三個主站都具有以太網(wǎng)通信功能，并自成一個大環(huán)網(wǎng)。每個主站下分別連接有16個子站，這16個子站自成為一個小環(huán)網(wǎng)。為了后續(xù)描述方便，我們將三個主站和48個子站分別作了編號和區(qū)域劃分命名。具體分為1號主站和其下的16個子站，我們將其稱為超濾1系列，其內(nèi)16個子站我們將其按廊道號一一對應(yīng)成為1至16號子站。2號主站及其下的16個子站稱為超濾2系列，同理其子站編號為17至32號子站。3號主站及其下的16個子站稱為超濾3系列，同理其子站編號為33至48號子站與超濾的33號至48號廊道設(shè)備一一對應(yīng)。

圖1 超濾自動控制系統(tǒng)配置圖

每個子站是具有以太網(wǎng)口的，且每個系列的16個子站從地理位置來講，距離較近，因此系統(tǒng)中采用4組閥島子站共用一個交換機(jī)。交換機(jī)與交換機(jī)之間采用光纖鏈接。閥島與交換機(jī)之間采用雙絞線鏈接。超濾系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)位于大環(huán)網(wǎng)中，可對整個超濾系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 超濾污水處理控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)從控制功能上將分為進(jìn)水控制、產(chǎn)水及酸堿清洗控制、水錘及其他附屬控制三部分。

3.1 進(jìn)水控制

進(jìn)水控制需要實(shí)現(xiàn)將集水池中的水注入超濾膜中。但是在注入過程中，考慮到超濾膜絲的耐壓性，因此應(yīng)使用恒壓的方式向超濾膜注水。集水池作為一個緩沖來水的容器，有一定的水量承載能力，但是不能進(jìn)行大量未為承載，只能應(yīng)變小水量的變化，因此在控制中需要考慮到來水量的變化對集水池沖擊的同時，還應(yīng)充分考慮超濾膜的處理水量的能力問題。

本系統(tǒng)每個系列由8臺進(jìn)水泵，分別需要采用恒壓進(jìn)水的方式。壓力的設(shè)定與產(chǎn)水的流量是一一對應(yīng)，此參數(shù)由碧水源超濾膜的性能決定，可根據(jù)其產(chǎn)品說明書中查詢參數(shù)對照表。在正常運(yùn)行過程中，集水池的液位應(yīng)保持在一個安全的液位范圍內(nèi)。但是集水池的來水量隨著每天人們生活排水量決定，而排水量又與人們的日常生活習(xí)慣有關(guān)。

二十四小時平均進(jìn)水量趨勢圖如圖2所示，從圖可以看出，在早上7點(diǎn)左右進(jìn)水量逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)十一點(diǎn)左右到達(dá)第一次峰值。這是由于人們早上用水量增大，通常情況下早上七點(diǎn)左右為用水高峰，而通過管網(wǎng)的延時，導(dǎo)致進(jìn)水量在十點(diǎn)左右到達(dá)高峰。同樣的十三點(diǎn)和第二天零點(diǎn)分別是兩次進(jìn)水高峰。第三次高峰段的延長是由于這段時間人們生活所致，例如晚飯時間用水及洗澡時間的用水等造成水量的持續(xù)高峰。

圖2 集水池平均來水量趨勢圖

針對于每天用水高峰，我們可以在水處理進(jìn)水控制部分實(shí)時調(diào)節(jié)處理量參數(shù)來解決，但是過于頻繁的調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)對于整個膜系統(tǒng)會有較大的影響。第一，過于頻繁調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)會導(dǎo)致超濾膜所受壓力頻繁變化，而且由于過于頻繁壓力變化會存在較多的尖峰，這些壓力峰值容易對超濾膜產(chǎn)生壓力沖擊，不利于膜的壽命。第二，頻繁調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)容易導(dǎo)致其他附屬設(shè)備的頻繁調(diào)整，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且也會削減其附屬設(shè)備的壽命。但是不去按照來水量去調(diào)整水處理量很容易造成集水池外溢或處理不及時相關(guān)連帶后果。因此進(jìn)水控制方面既要去滿足自適應(yīng)進(jìn)水量去控制進(jìn)水，又不能過于頻繁的操作水處理量參數(shù)。

基于以上問題，我們提出了一種自適應(yīng)梯階進(jìn)水的控制方法，此方法既可以滿足根據(jù)來水量的變化對水處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，又不會頻繁的調(diào)整水處理參數(shù)，進(jìn)而可以根據(jù)來水量大小對產(chǎn)水量的大小進(jìn)行自動調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)自適應(yīng)來水量的產(chǎn)水功能。

我們假設(shè)t時刻來水流量為Fi(t)，集水池的液位就為L(t)，S為集水池的底面積，膜進(jìn)水量Fo(t),?L_i (t)為來水液位增量，L_(t-1) (t)為t-1時的液位，?L_o (t)為超濾系統(tǒng)處理產(chǎn)量對業(yè)務(wù)液位增量?？傻弥?/p>

?L_i (t)=?t (F_i (t))/S (1)

?L_o (t)=?t (F_o (t))/S (2)

L(t)=L_(t-1) (t)+?L_i (t)-?L_o (t) (3)

將（1）、（2）帶入公式（3）中：

L(t) =L_(t-1) (t)+?t (F_i (t))/S-?t (F_o (t))/S(4)

將公式做變換得公式（5）,（6）：

F_i (t)=(L(t)-L_(t-1) (t))S/?t+F_o (t) (5)

假設(shè)?L(t)=L(t)-L_(t-1) (t)，將其帶入（5）可得公式（6）

F_i (t)=(?L(t)S)/?t+F_o (t) (7)

首先從公式（4）中可以看出為了讓L(t)達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，必須讓F_i (t)與F_o (t)接近。但是實(shí)際是不可能接近的，而且不能實(shí)時逼近。因為如果實(shí)時逼近，則會造成超濾系統(tǒng)水處理參數(shù)頻繁變化。因此將其變換為公式（6）,我們?yōu)榱耸笷_o (t)不頻繁變動，即給它暫時設(shè)定一個固定值，這樣對于F_i (t)的一個范圍，這時會存在一個?L(t)的范圍與之對應(yīng)，L_(t-1) (t)是前一次的時刻值,運(yùn)用遞歸的思想，可以將其考慮為一個固定值，這樣便可以將來水量范圍轉(zhuǎn)換為一個固定處理水量F_o (t)和一個液位L(t)的一個范圍。

根據(jù)本超濾系統(tǒng)進(jìn)水的規(guī)律，通過多次的實(shí)驗測試，我們最終定下了一組更適合本超濾系統(tǒng)的液位范圍和流量的對應(yīng)數(shù)據(jù)組，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 自適應(yīng)梯階進(jìn)水參數(shù)對照表

表1是本系統(tǒng)中梯階自適應(yīng)液位與流量壓力的參數(shù)對照表。這里的壓力與流量是對應(yīng)的，其壓力是根據(jù)膜的參數(shù)信息進(jìn)行對照查詢所得。液位與流量則是通過粗略計算和實(shí)驗矯正所得。當(dāng)集水池液位大于6米時，存在溢出風(fēng)險，這個時候系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)?shù)陀?米時，為了防止提升泵干抽，我們將停止系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過按照表1的參數(shù)控制，本系統(tǒng)可以較好的應(yīng)對來水量的變化，并且系統(tǒng)水處理參數(shù)也不會頻繁變化。

3.2 過濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制

超濾系統(tǒng)中過濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制是超濾控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。超濾過濾產(chǎn)水過程是一個多時段不同事件的運(yùn)行過程。這個過程包含了產(chǎn)水、水反洗、氣水反洗及排空四個階段。同一廊道每個階段是唯一的。其中產(chǎn)水階段的運(yùn)行直接與產(chǎn)量掛鉤，其他階段只是為了對超濾膜進(jìn)行保護(hù)。

單廊道的過濾產(chǎn)水過程流程圖如圖3所示。從圖中可看出超濾產(chǎn)水過程所包含的四個階段依次順序執(zhí)行，之后再次循環(huán)。在這四個階段只有產(chǎn)水和排空是屬于單個廊道的獨(dú)立行為，而單個廊道進(jìn)行水反洗、氣水反洗階段時所使用的設(shè)備是廊道的公共設(shè)備，即氣擦洗空壓機(jī)、反洗水泵及其他附屬公共設(shè)備。因此在進(jìn)行水反洗和氣水反洗時，每個時間段應(yīng)最多有一個廊道且最多僅有一個廊道進(jìn)行此階段的行為。但是實(shí)際運(yùn)行中，由于多廊道都運(yùn)行在正常的過濾產(chǎn)水過程中，這樣就會造成廊道與廊道之間的水反洗或氣水反洗的沖突。通常將水反洗和氣水反洗統(tǒng)稱為反洗。將各廊道過濾產(chǎn)水過程的反洗階段的沖突的現(xiàn)象稱為廊道反洗競爭，簡稱廊道競爭。

圖3 單廊道過濾產(chǎn)水過程流程圖

在過濾產(chǎn)水清洗過程中對廊道競爭問題處理不合理的話容易使超濾系統(tǒng)產(chǎn)量降低，甚至很有可能降低超濾膜的壽命。因為當(dāng)很多廊道同時請求反洗時，如果不能得到及時反洗且繼續(xù)工作過長時間，會對膜壽命有影響。但是如果多個廊道有反洗請求，正在反洗一個廊道，而其他具有反洗請求的廊道等待的話，這樣超濾系統(tǒng)的產(chǎn)量又會降低。而且隨著廊道數(shù)量的增加，廊道競爭現(xiàn)象越劇烈。因此解決廊道競爭問題實(shí)際是對于競爭廊道的反洗請求即要及時（相對）響應(yīng)，又要處理好競爭廊道的運(yùn)行狀態(tài)。

這里我們采用隊列法來處理廊道競爭問題。隊列法是一種遵循先進(jìn)先出原則的調(diào)度方法。具體原理如圖4所示。隊列調(diào)度由入隊列、出隊列和調(diào)度隊列空間三部分組成。入隊列是根據(jù)廊道反洗請求情況將有反洗需求的廊道壓入到隊列空間的過程。出隊列則是根據(jù)當(dāng)前的反洗設(shè)備的運(yùn)行狀況將需要反洗的廊道彈出隊列的過程。反洗調(diào)度隊列空間即扮演一個存儲調(diào)度序列的角色，同時其還具有優(yōu)化和排布序列的功能。

圖4 隊列調(diào)度法原理

下面是將一個廊道反洗請求入隊列的過程：

查詢是否有反洗請求，如果有進(jìn)行到下一步，否則繼續(xù)查詢。

查詢隊列空間是否為空，如果為空且有廊道正在反洗，則將此反洗請求壓入隊列調(diào)度空間后進(jìn)行下一步；如果為空且無正在反洗廊道，則直接響應(yīng)此廊道反洗請求，并返回至（1）；如果隊列空間非空，則直接將此反洗請求壓入隊列調(diào)度空間后進(jìn)行下一步。

清除此廊道的反洗請求。

如上為此入隊列的步驟，但是可以看出對于入隊列步驟的第二步邏輯過于混亂，對于PLC來說，太耗資源，因此我們對以上步驟進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：

查詢是否有反洗請求，如果有進(jìn)行下一步，否則繼續(xù)查詢。

查詢是否有廊道正在反洗，如果無廊道清洗，直接響應(yīng)反洗請求，并返回（1）；否則進(jìn)行下一步。

將此廊道的反洗請求壓入隊列空間，并清除此廊道的反洗請求。

可以看出在第二步時，首先查詢“是否有廊道正在反洗”可以避免在此查詢隊列空間，對于入隊列效率有所提高。

出隊列實(shí)際上是對按照隊列空間的排列順序?qū)λ璺聪吹睦鹊肋M(jìn)行彈出的過程，此過程的具體步驟如下：

查詢是地址空間是否為空，如果是，繼續(xù)查詢，否則下一步。

查詢是否有廊道正在反洗，如果是，繼續(xù)返回（1），否則下一步。

就近對彈出隊列空間的所需反洗的廊道，響應(yīng)此廊道的反洗。

確認(rèn)彈出的廊道，并清楚殘留在隊列空間此廊道占位。

對隊列空間序列進(jìn)行進(jìn)位排列，并返回（1）。

如上描述了整個出隊列的過程，其（3）的“就近”指的是離出隊列進(jìn)出口最近方向。

通過對調(diào)度隊列的各部分的描述，可以看出，隊列調(diào)度具有以下的特點(diǎn)：（1）時效性。在整個隊列調(diào)度過程中，由于入口和出口的分開方式，包成了出口按需彈出隊列，入口按實(shí)際情況進(jìn)行壓入隊列。（2）先進(jìn)先出。在整個超濾產(chǎn)水過程中，采用先進(jìn)先出的方式，可以保證需反洗的廊道的等待時間不會過長，最終保證了每個廊道響應(yīng)反洗的等待時間達(dá)到最短，也保證了每個廊道的等待時間達(dá)到均衡，增強(qiáng)了廊道競爭的公平性。

其次關(guān)于超濾中的酸堿洗，則是按照用戶要求進(jìn)行，這里時間存在隨機(jī)性，因此不做贅述。

3.3 水錘及其他附屬控制

因開泵、停泵、開關(guān)閥門過于快速，使水的速度發(fā)生急劇變化，特別是突然停泵引起的水錘，可以破壞管道、水泵、閥門，并引起水泵反轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力降低等。水錘效應(yīng)有極大的破壞性：壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌，還會損壞閥門和固定件。在極短的時間里，水的流量從零增到額定流量。由于流體具有動能和一定程度的壓縮性，因此在極短的時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高和過低的沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱為水錘。

由于本超濾系統(tǒng)規(guī)模大，管道粗，水錘明顯。水錘位置主要存在于本系統(tǒng)的提升泵出水管、反洗管、超濾膜進(jìn)水管及超濾膜出水管中。對于這些管道及設(shè)備安裝位置可知，各位置引起水錘原因是有所不同，具體如表2所示：

表2 水錘分布及引起水錘設(shè)備照表

從表2可以看出，在本系統(tǒng)中造成水錘效應(yīng)的設(shè)備主要分為水泵和氣動閥。因此我們?nèi)绻鳒p或消除水錘的話，則也許從這兩個方面考慮。

通過對現(xiàn)場的觀察和計算，我們得知水錘主要存在于關(guān)閥和停泵時，且屬于直接水錘。而直接水錘與停泵時間及關(guān)閥速度有關(guān)系，因此要解決直接水錘，在水泵方面應(yīng)采用水泵緩?fù)５姆绞絹斫鉀Q，而對于氣動閥換面關(guān)閉的實(shí)現(xiàn)，我們采用PWM控制的方式來控制氣動閥的緩慢關(guān)閉。

在本系統(tǒng)中提升泵、反洗水泵均為變頻控制，因此我們可以采用通過設(shè)置變頻器的停車時間和停車方式來實(shí)現(xiàn)。并且在多次試驗后，停車方式采用S曲線停車效果較好。在停車時間方面，測試得出，本系統(tǒng)提升泵停車時間設(shè)置為25.3秒為最佳，而反洗水泵停車時間設(shè)置為11.5秒為最佳。

針對于氣動閥緩慢關(guān)閉的功能，我們采用PWM的控制方法。本系統(tǒng)中，對氣動閥的控制采用閥島。閥島控制是通過閥島上的可編程控制器直接控制氣缸的通斷來實(shí)現(xiàn)氣動閥的打開或關(guān)閉。由于其對氣缸開閉進(jìn)行直接控制，因此具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。我們可以通過控制PWM的占空比來可以控制氣缸開度，進(jìn)而通過對PWM占空比實(shí)時調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)氣動閥的緩開緩閉。對于占空比的調(diào)整，我們假設(shè)一個氣動閥需要緩慢關(guān)閉，要求關(guān)閉時間為8s，則占空比的從100%到0的調(diào)整時間就為8s。如果需要精確的話，可以考慮到氣動閥的氣動裝置的延遲時間，便可實(shí)現(xiàn)精確地緩閉時間控制。通過對關(guān)閉時間的測試，本系統(tǒng)中超濾膜進(jìn)水管緩閉時間設(shè)置為8.6秒水錘最弱，產(chǎn)水氣動閥的緩閉時間設(shè)置為7秒時水錘最弱。

超濾系統(tǒng)中還包含了氣擦洗、儀表空壓機(jī)等附屬設(shè)備的控制，其控制主要是與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動，所以這里不在贅述。

4 結(jié)語

采用自適應(yīng)梯階進(jìn)水方式，將集水池液位始終穩(wěn)定在一個安全的范圍內(nèi)，特別是在來水高峰期時，效果較為明顯。使用隊列調(diào)度法，較好地解決了大型超濾系統(tǒng)中的廊道競爭問題，從了提高了本超濾系統(tǒng)的產(chǎn)量。采用S曲線停泵及PWM閥門緩閉的控制方法，削減了水錘效應(yīng)，增強(qiáng)了管道的安全及穩(wěn)定性。通過以上的技術(shù)應(yīng)用，保證了北京市小紅門污水處理廠超濾系統(tǒng)長期高效、穩(wěn)定、可靠及安全的運(yùn)行。

[1] 華耀祖. 超濾技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 鄒振裕，張鵬飛，林顯增，何小青，黃明珠. 基于PLC的超濾膜優(yōu)質(zhì)水廠自控系統(tǒng)[J]. 自動化與信息工程, 2012 ( 6 ) : 40 - 42.

[3] Chu J, Hu W W. Design and Research of the Sewage Treatment Control System[C]. Mechanical Engineering and Control Systems: Proceedings of the 2015 International Conference on Mechanical Engineering and Control Systems (MECS2015). World Scientific, 2016: 468.

[4] 郝振宇. 超濾反滲透智能控制系統(tǒng)研究[D]. 太原理工大學(xué), 2016.

[5] 李二恩. 超濾膜凈水工藝中自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D]. 太原理工大學(xué), 2013.

[6] Li X, Wang W B, Xu J. Distributed control system application for sewage treatment[C]. Control Conference (CCC), 2016 35th Chinese. IEEE, 2016: 9504 - 9508.

Research of Large Ultraf i ltration Sewage Treatment Control System Based on PLC

Trough the research of the problems such as low water efficiency, system instability, serious water hammer and other issues in the ultrafiltration sewage treatment system, this paper introduces the control methods such as "Corridor competition", "Adaptive ladder water", "S curve pump off" and "PWM valve control", and finally realized the long term stable, efficient and reliable operation of ultrafiltration sewage treatment system.

Ultrafiltration; Corridor competition; Water hammer; Adaptive; PWM

溫強(qiáng)華（1986-）,男，北京人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統(tǒng)工作。

B

1003-0492(2017)05-0099-05

TP273

趙江華（1974-），男，黑龍江人，中級工程師，本科，現(xiàn)就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統(tǒng)工作。

郝金光（1971-），男，北京人，高級工程師，碩士，現(xiàn)任北京碧水源科技股份有限公司的技術(shù)副總監(jiān)兼部門經(jīng)理，研究方向為自動化控制工程。