基于PLC步序控制在污水处理工艺流程中的应用

基于PLC步序控制在污水处理工艺流程中的应用

王,杰

株洲中车特种装备科技有限公司 湖南 株洲  412000

摘 要：随着计算机技术的不断发展，污水处理的自动化水平也相应提高。而PLC以技术成熟、通用性强、可靠性高、扩展方便和经济适应等一系列优点，在工业控制领域已得到了越来越广泛的应用。因此，有效地结合当前先进污水处理工艺、污水处理电气设备、智能仪表、PLC技术，将成为当前污水处理控制系统的主流。污水处理工艺流程核心处理工艺是二级处理工艺，而二级处理工艺控制流程大多数以步序控制为主，操作步骤复杂，光人力来观察是不现实的。本文主要研究如何通过PLC的步序自动控制方式彻底改变传统手动或半自动控制方式，实现二级处理各工艺环节自动监控与管理，提高污水处理效率。

关键词：PLC；污水处理；自动控制

1 引言

污水处理的过程是通过各种不同的处理工艺将污水中的有害物质分离，即通过一定的工艺处理使其转化为无害的物质，达到污水得到净化的目的，使水资源得到充分利用的结果[1]。本文以国内某中小型生活污水处理厂为研究对象，结合实际需求，选用适合中小型控制系统的施耐德M340系列PLC作为控制器，最终设计出处理效率高、出水质量稳定、自动化程度、可靠性高的污水处理控制系统。二级处理工艺，是污水处理工艺过程中最为核心部分，一级处理属于物理处理工艺，无法除去溶解于水中的污染物，故需要在一级处理工艺后段增加一道生物处理工艺。主要通过活性污泥中的微生物为营养源，并利用微生物的新陈代谢将污水中的大部分有机污染物转化为无害物质，即达到脱氮除磷的目的，然后通过二次沉淀将剩余污泥排入污泥池进行污泥处理[2]。

2 污水处理工艺方案

污水处理核心部分是工艺处理流程，而污水处理厂工程建设与运行不但耗资大，且受多因素的制约和影响，其中污水处理工艺方案的选择与优化对污水处理厂的运行效果和运行成本具有决定性影响[3]。CAST工艺是一种高效、成熟的污水处理工艺，已被广泛应用于中小型污水处理厂。

CAST处理工艺是利用微生物的新陈代谢来吸附、分解污水中的有机物，把不稳定的有机污染物转换为无害的物质，从而达到污水净化的效果[4]。工艺流程介绍： CAST处理工艺运行模式与传统活性污泥工艺类似，主要由进水、反应、沉淀和出水及必要的闲置等五个阶段组成。从进水至出水结束作为一个周期，每一过程均按所需的设定时间进行切换操作，通过系统中多个CAST池体相互配合、交替运行，可以实现污水处理过程连续性进出水。

3 自动控制模式

自动模式控制可实现系统分工艺单元全自动运行，当现场操作箱权限开关选择为“遥控”，且系统调试已完成，操作人员根据需求在中控室组态画面上设置好相关参数，根将工艺单元自动开关投入自动，系统各工艺环节会根据水质、水位情况及电气设备运行状态等信息并结合实际生产要求，通过在分控站事先编写好的工艺连锁程序实现整个系统自动运行。无需人工干预，它是系统常态化的控制模式，也是实现现场无人值守模式的基础。污水的二级处理工艺流程大多数是步序控制，即每个单元工艺流程按照一定的步骤顺序完成。

3.1 CAST工艺控制流程

工艺控制流程分析:每个周期长为6小时，周期间交替循环运行。进水和回流同时运行，周期开始即满足启动条件，运行时间为2h，搅拌时间为4h，曝气时间为3h，沉淀时间为1h，排水时间为1h，排泥时间（每周期排泥时间上位机可调，默认5分钟）。 CAST池进水不稳定，进水量如果很大时，如果按周期运行，很可能出现在CAST池水溢流的现象，故进水阀也受CAST池液位的限制。当液位到达高液位时（可在上位机组态画面上设置高低液位值），进水阀门应优先关闭而不是等到其运行周期到后才关闭。鼓风机是曝气的重要设备，在系统全自动运行过程中通常是运行状态。故六组曝气阀始终有一个是开到位的状态，即六组曝气阀交替运行。曝气的主要作用是通过鼓风机的频率或者阀门开度调节维持水池子溶解氧稳定在一定范围内，通常曝气阀是电动阀，开启和关闭的时间较长（约1-2分钟），当需要关闭其中一组曝气阀是应该先开启另一组曝气阀待达到全开位置后才能开始关闭。当沉淀周期到达后，滗水器开始运行，将水位降至一定液位时开始自动上升至初始状态，等待下一个周期，控制流程如图1所示。

3.2 步序自动控制实现

污水二级处理过程不仅需要实现自动顺序控制，还需将每一步执行情况反馈至中控室监控画面上，以便中控室的值班人员观察每一步工艺流程运行情况。若每一个工艺单元都按顺序编写PLC控制程序，例如有6个CAST生物池其步序控制的工艺流程一样，将会特别繁琐，增加了工作量并且降低了程序的可读性，我们可以将顺序控制中的某一步和几步编写成一个功能块子程序，其输入输出变量是带参数的，需要编写顺控程序时，只需调用功能块在引脚的参数处赋值相关变量即可，减轻了编程的强度，增加了程序的可读性。

图1  CAST工艺控制流程图

4 调试与运行

系统控制箱的设备权限开关置位“手动”模式时，通过控制箱的上的按钮和旋钮对阀门、水泵、鼓风机等设备进行启停或者打开和关闭操作；权限开关置位“自动”模式时，通过中控室上位机组态画面实现设备的远控操控。上位机组态画面设置相关参数，如进水时间、搅拌时间、回流时间，沉淀时间、排泥和排水时间等，经测试工艺流程完全按照工艺流程图运行且出水水质稳定达到改工艺的出水水质标准。

5 结语

基于PLC的污水处理厂的控制系统能够实现“集中管理、分散控制”的监控模式，可根椐不同工艺处理要求及用户需求进行优化，对污水处理各个环节实时监控，彻底改变传统污水处理厂手动或者半自动的操作模式，提高了污水处理效率，污水处理主要工艺环节基本实现了 “少人值守”全自动控制模式。

未来国家将不断加大对污水处理领域的资金、技术投入，加大对污水处理领域的人才培养力度，为我国污水处理行业的发展提供了有力平台，同时也对此提出了更高的要求。

参考文献：

[1]张利. 基于西门子PLC技术的污水处理厂控制系统设计与实现[D]. 西安电子科技大学, 2012.

[2]岳达超. 污水处理厂提标改造工程工艺设计方案优化[D]. 长春工程学院, 2020.

[3]李家泉. 浅谈城市污水处理厂的优选工艺[J]. 科技资讯, 2011, (14): 151.

[4]Jin X, Jin P, Hou R, et al. Enhanced WWTP effluent organic matter removal in hybrid ozonation-coagulation (HOC) process catalyzed by Al-based coagulant[J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 327, 216–224.