PLC的污水处理

可编程序控制器PLC是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便等诸多优点。从我国现有水处理厂运行情况看，由IPC+PLC控制单元组成的、两层面的集散式监控系统具有很好的适应性，成为在我国水处理业中是应用最为广泛的一种。本文以一实际日处理量为15万吨/天的污水处理厂中控系统为例，说明PLC控制系统在污水处理厂的应用。根据对污水处理工艺运行的新要求，重新编制控制系统程序，引入智能控制，将处理的核心——氧化沟运行程序由以前单纯时间控制，设计为时间顺序控制和溶解氧（DO）控制相结合的新的控制模式，提升系统整体性能。
　　1、污水处理工艺
　　根据污水组成及出水要求，采用三座三槽式氧化沟工艺，日处理15万吨，每座氧化沟处理量为5万吨/天。工艺流程如图1所示。
　　（1）预处理阶段：污水进入处理厂后先经过闸门进入粗格栅间，在粗格栅间较大的悬浮物和沉渣被拦截下来，污水则进入污水提升泵房。污水提升泵将污水提升至细格栅和旋流沉砂池。在旋流沉砂池中比重较大、颗粒较粗的砂粒被沉淀下来，沉砂池出水进入矩形总配水井。
　　（2）生化处理阶段：总配水井将污水分配至三座三角形分配水井，再通过三角配水井将水配至三沟式氧化沟的其中一沟。在氧化沟内污水经曝气转刷曝气、沉淀后从位于边沟的出水堰流出。
　　（3）污水处理阶段：剩余污泥排入浓缩池，经离心脱水处理后外运。
　　（4）深度处理系统：二级出水经加氯消毒后，一部分直接排入陡河，另一部分经中水提升泵房输送到深度处理系统（包括曝气生物滤池、高郊纤维滤池、清水池等），达到再生水回用要求后，作为工业用水、园林喷灌提供给用户使用。
　　由于本项目是对原有自控系统的升级改造，深度处理系统为后建项目，自控系统采用独立设置，未接入全厂中控体系。
　　2、控制系统结构及组成
　　控制系统按参与生产程度级别划分为：管理级、控制级、现场级三个级别。控制系统结构如图2所示。
　　根据工艺设施的布置方向，设置PLC1、PLC2、PLC3三座子站。
　　PLC1负责预处理系统、泥处理系统的数字信号和模似信号的采集、传输及相关过程的自动控制。控制设施包括：中途泵站、四联体、脱水车间的设备及仪表。PLC2站负责1#氧化沟、2#氧化沟设备的数字信号和模拟信号的采集、传输及相关过程的自动控制。PLC3站负责3#氧化沟、加氯车间设备的数字信号和模拟信号的采集、传输及相关过程的自动控制。
　　为保证污水处理厂的安全运行，污水处理厂自动控制方式有三种：就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制，其控制级别按此顺序由高到低排列。
　　2.1 上位机硬件软件配置
　　中控室计算机监控系统由操作员/工程师计算机、以太网交换机、打印机等构成计算机局域网。工控机采用 Windows XP操作系统，安装西门子工控组态软件WINCC6.O，SQL SERVER 2000数据库作为其后台历史数据库[1]。交换机选用设置24个10/100/1000BASE-T端口和2个小型可插拔可扩展端口。
　　由上位机至现场各PLC站网络结构是基于IEE802.3标准总线形式的100M工业以太网EtherNet+TCP/IP形式。基于EtherNet+TCP/IP的传感器、变送器可以直接成为网络的节点，其测控参数和状态可以直接在整个企业信息网络内传输和共享[2]。
　　2.2 下位机硬件软件配置
　　污水处理过程控制点数多，处理工艺地理位置分散，控制要求高，以及PLC的性能价格比、现有技术人员熟悉程度等其它因素，本控制系统选用西门子SIMATIC S7系列的S7-400 PLC。该PLC采用最新的技术制造，能保证10年以上的备件供应能力，并具有本地的技术支持和服务能力。支持符合IEC标准的编程语言及数据格式，电源、CPU及其它任何模块均可“带电插拔”，故障维护时间少，提高了系统的可靠性[3]。
　　3、三槽式氧化沟自动控制程序
　　三氧化沟通常一个工作循环需4-8小时，在整个循环过程中，中间的沟始终处于好氧状态，而外侧两沟中的转刷则处于交替运行状态，当转刷低速运转时，进行反稍化过程，转刷高速运转时，进行硝化过程，而转刷停止运转时，氧化沟起沉淀池作用。若调整各阶段的运行时间，就可达到不同的处理效果，以适应水质、水量的变化。但只按时间进行控制，在曝气时段内易形成过量曝气，使能耗增高，增大运行费用，而且不利于活性污泥的个体长大。因此采用将时间顺序控制和模糊控制结合起来用于中沟转刷的控制。
　　污水的溶解氧浓度偏差e（t）=r（t）-DO（t）=2-DO（t），溶解氧浓度偏差变化率 Δe=e（t）-e（t-1）。输出变量为：转刷高速运行台数即RUN1=台数，转刷低速运行台数即RUN2=台数，转刷停止的台数STOP=台数。在这种控制方式下，根据溶解氧的浓度区间以及浓度变化来控制转刷的运行停止。溶解氧浓度专家控制器控制规则如下：
　　IF e （t ）>=2 THEN RUN2=3 STOP =2
　　IF Δ e>0 AND 2> e （t ）>=1.5 THEN RUN1=1 RUN2=3 STOP=1
　　IF Δ e>0 AND 1.5> e （t ）>=1 THEN RUN1=2 RUN2=3
　IF Δ e>0 AND 1> e （t ）>=0.5 THEN RUN1=3 RUN2=2
　　IF Δ e>0 AND 0.5> e （t ）>0 THEN RUN1=4 RUN2=1
　　IF e （t ）=0 THEN RUN1=5
　　IF Δ e<0 AND 0< e （t ）<0.5 THEN RUN1=4 RUN2=1
　　IF Δ e<0 AND 0.5=< e （t ）<1 THEN RUN1=3 RUN2=2
　　IF Δ e<0 AND 1< e （t ）<1.5 THEN RUN1=2 RUN2=3
　　IF Δ e<0 AND 1.5< e （t ）<2 THEN RUN1=1 RUN2=3
　　中槽共设置五台转刷，其中三台双速、两台单速转刷，双速转刷的低速运行只能直到推动水流的作用，没有充氧的作用。
　　上述规则表示：当水中DO 上升至 2mg/L 以上时，只开三台双速转刷低速运行，维持沟内循环，保证泥水充分混合。
　　如果DO开始上升，每上升 0.5mg/L，则一台双速转刷由高速变低速运行，待3台双速转刷全部低速运行后，若DO值仍高，则停一台单速转刷。