隨著人民生活水平的日益提高、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的生活污水越來(lái)越多。為了緩解水污染帶來(lái)的環(huán)境壓力，各種污水處理廠應(yīng)運(yùn)而生。目前，有許多污水處理廠采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)自行研制的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)存在許多不足，有待進(jìn)一步完善。因此，設(shè)計(jì)一種運(yùn)行高效可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)變得尤為重要。
一、SBR工藝
SBR工藝是污水處理工藝的一種，采用的是間歇曝氣的方式處理污水。SBR的核心是SBR反應(yīng)池，污水主要處理過(guò)程也是發(fā)生在SBR反應(yīng)池，該反應(yīng)池有均化、初沉、生物降解、二沉等功能，如圖1所示。處理污水過(guò)程的有序、間歇操作是SBR的一大特征。特別適合流量變化比較大和間歇排放等場(chǎng)合。SBR工藝的優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)可以防止污泥膨脹;
(2)沉淀的效果非常好;
(3)除磷脫氮的效果好;
(4)反應(yīng)效率非常高，對(duì)于一般難以的降解有機(jī)物，SBR工藝可以將其降解;
(5)工藝比較簡(jiǎn)單，不需要二沉池，不需要污泥回流，成本較低。
二、控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本次研究的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，PLC控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，成本較低。在污水處理現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，PLC處理數(shù)據(jù)之后再對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)電氣設(shè)備進(jìn)行控制，控制回路錯(cuò)綜復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化控制回路，引入現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。在對(duì)比眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后，選擇了PROFIBUSGDP。PROFIBUSGDP既可應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，也可以適用于工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，并且PROFIBUSGDP網(wǎng)絡(luò)功能十分完善，控制網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)也比較簡(jiǎn)單。將現(xiàn)場(chǎng)總線控制與PLC控制相結(jié)合，利用現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC的優(yōu)點(diǎn)，既避免了冗雜的控制回路，又有效地降低了成本。
PLC作為PROFIBUS的主站，負(fù)責(zé)接受和處理現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集的信號(hào)還有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和控制;現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)電流的頻率來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)接觸氧化池內(nèi)污水的含氧量，變頻器和PLC通過(guò)PROFIBUS進(jìn)行通信;現(xiàn)場(chǎng)的提升泵、污泥泵和回流泵等由MCC進(jìn)行控制，MCC和PLC通過(guò)PROFIBUS進(jìn)行通信;WinCC組態(tài)軟件作為上位機(jī)，操作員可通過(guò)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和控制。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
此污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)最大處理能力為每小時(shí)處理生活污水80m3，整個(gè)控制系統(tǒng)一共有15個(gè)控制回路，包含23個(gè)模擬量輸入，8個(gè)模擬量輸出。具體的控制回路如表1所示。
三、硬件設(shè)計(jì)
3.1 PLC選型
污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)需要運(yùn)行幾十年，因此在選擇PLC時(shí)，要充分考慮PLC的先進(jìn)性和穩(wěn)定性。相比于國(guó)內(nèi)的PLC，西門(mén)子PLC性能更好，穩(wěn)定性更佳。因此選用西門(mén)子PLC。
西門(mén)子PLC也有很多系列，包括S7G200、S7G1200、S7G300、S7G400、S7G1500等。本次污水自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)模不大，在處理能力方面，S7G300完全可以勝任本系統(tǒng)的控制任務(wù)。所以選擇S7G300系列PLC。
在CPU選型過(guò)程中，為了滿足主站和從站的通訊要求，選擇帶有DP接口的CPU。CPU315G2DP運(yùn)行內(nèi)存遠(yuǎn)大于CPU314，處理速度與執(zhí)行時(shí)間也優(yōu)于CPU314，可以滿足本系統(tǒng)對(duì)處理器的要求。最終選擇CPU315G2DP。表2為PLC各模塊選型。
3.2 變頻器選型
污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)需要對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，采用的變頻器為西門(mén)子變頻器MM440，MM440應(yīng)用非常廣泛，功能也比較齊全。采用矢量控制技術(shù)的MM440可提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)具備很強(qiáng)的過(guò)載能力。MM440變頻器主要特征如下。
(1)交流三相：380~480V，功率0.37~250kW。
(2)采用兩種矢量控制方式：閉環(huán)矢量控制和閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制;過(guò)載能力較強(qiáng);參數(shù)結(jié)構(gòu)和調(diào)試軟件都是標(biāo)準(zhǔn)化的;具有內(nèi)置參數(shù)可調(diào)的PID控制器。
(3)具有三種U/F控制：包括線性U/F控制、平方U/F控制和可編程多點(diǎn)設(shè)定的U/F控制。
(4)輸入：6個(gè)數(shù)字量，2個(gè)模擬量;輸出：2個(gè)模擬量，3個(gè)繼電器。
(5)可選擇PROFIBUSGDP通信模塊和DeviceGNet通信模塊。
3.3 變頻器風(fēng)機(jī)控制電路
此污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中一共使用兩個(gè)羅茨風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)把壓縮空氣送到接觸氧化池，從而將接觸氧化池中污水的含氧量控制在合適范圍內(nèi)，加快生物反應(yīng)速率。其中一個(gè)變頻器風(fēng)機(jī)的控制電路如圖3所示。
3.4 MCC選型
MCC(MOTORCONTROLCENTER)是電動(dòng)機(jī)控制中心的簡(jiǎn)稱，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泵的控制和監(jiān)視。MCC的應(yīng)用可以減少模擬量變送器和I/O卡件的個(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化電機(jī)的控制回路，有利于后期的維護(hù)和安裝，降低后續(xù)成本。
已選用了西門(mén)子PLC作為控制系統(tǒng)主站，MCC從站也選用西門(mén)子公司的產(chǎn)品。SIMOCODEpro是西門(mén)子生產(chǎn)的智能電機(jī)管理控制系統(tǒng)，可以滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水泵的控制要求。SIMOCODEpro帶有PROFIBUSGDP標(biāo)準(zhǔn)接口，可以直接實(shí)現(xiàn)與DP網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)。因此選擇SIMOGCODEpro系列產(chǎn)品。
3.5 MCC水泵控制電路
MCC需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的提升泵、回流泵和污泥泵進(jìn)行控制，使污水處理正常有序地進(jìn)行。其中一個(gè)提水泵控制電路如圖4所示。
四、結(jié)語(yǔ)
基于SBR的PLC污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)編程簡(jiǎn)單，故障率比較低，維護(hù)起來(lái)也很方便，運(yùn)行穩(wěn)定。在保證污水處理合格的前提下，充分發(fā)揮了PLC編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。加上WinCC監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和異常情況，保障了污水處理系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠性。( >
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