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基于PLC的远程监控系统在污水处理中的应用
更新时间:2016-12-23 来源:《仪器仪表用户》 作者:唐靖伟,王鹏,许德浩

水是人类生活和国民经济发展的不可或缺的重要部分。随着现代化社会的发展,水污染成为阻碍社会发展的重要问题。其中,工业水污染问题尤为严重。工业废水具有污染物种类多、成分复杂、化学需氧量(COD)浓度高、可生化性差、毒害性大等特点。如果不对其进行有效的综合治理,必将造成严重的环境污染和生态破坏,危害人类健康,阻碍经济的可持续发展。早期的工业污水处理进出水切换复杂,控制设备多,非常不便于运行与管理,限制了其发展。随着科学技术的不断发展,计算机和自动控制技术的加入,污水处理问题迎刃而解。本文设计了一种基于PLC的远程监控系统,对污水处理过程进行自动控制和远程监控,大大提高了污水处理系统的工作效率和稳定性。

1 污水处理工艺流程及系统构成
目前,污水处理的主导工艺有AB法与SBR法。本文中的污水处理选用SBR法,是序批式活性污泥法的简称,是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。它的原理是通过微生物的活动来净化污水。

SBR污水处理系统组成及工艺流程如图1所示。

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污水通过主管道进入格栅间,通过粗格栅将体积较大的固体物过滤,再通过细格栅将体积较小的固体物进一步过滤。适时开启栅渣压榨输送一体机将过滤出的固体堆积物进行压榨并外运。经过预处理后,通过大型潜水泵将污水输送至调节池,等待下一步处理。污水进入调节池后,通过提升泵,将污水输送至沉砂池进行砂水分离,污水进入SBR池。适时将砂水分离器分离出的干砂外运,清液回流至调节池。SBR反应池为整个工艺的核心,处理周期由进水、反应(曝气)、搅拌、闲置和滗水5个过程组成,反应期间要保证一定的曝气量,需要的活性污泥一般情况下为定量,剩余污泥则排向污泥池。净化后的水在上层由滗水器滗出,加氯消毒后排入自然水体。污泥池的污泥经脱水后外运,进行再处理或掩埋。

根据污水处理厂的生产工艺,将整个污水处理过程分成3个模块:

1)污水杂物的去除及预处理。 

2)SBR池中进行污水的物理化学反应及水与污泥的分离。

3)水的消毒及污泥处理。
远程监控系统采用分布式控制系统结构,由上位机、下位机和现场仪表设备构成,实现实时数据采集和自动控制的功能。监控中心控制室设立两台上位机、一台打印机。下位机设立3个PLC控制站,即1#PLC站、2#PLC站和3#PLC站分别用于各不同处理过程的控制。PLC选用西门子S7-200系列,上、下位机通过工业以太网交换机组成以太网络进行通讯。该系统具有极高的性能/价格比。系统构成如图2所示。

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2 PLC控制系统下位机设计

2.1 1#PLC控制站设计

1#PLC控制站是污水处理的第一步。PLC连接超声波液位计、孔板流量计、压力变送器及温度变送器作为模拟量输入信号,粗细格栅机、栅渣压榨输送一体机及潜水泵的运行状态作为数字量输入信号。通过超声波液位计检测的污水液位,液位达到高限值时自动启动潜水泵将污水输送至下一处理工艺段;液位达到低限值时自动停止潜水泵的运行,防止干烧。液位的高、低限值可在上位机实时在线修改。各电气设备均设手动、自动两种运行模式,可根据实际运行需要进行选择。流量计用以计量污水进水量。

2.2 2#PLC控制站设计

2#PLC控制站是整个污水处理过程中最重要的一环。主要连接检测仪表有pH计、溶解氧监测仪、污泥浓度仪等分析仪表及超声波液位计、温度变送器、压力变送器等仪表作为模拟量输入信号。主要电气设备有搅拌机、曝气机、滗水器、砂水分离器、排砂泵、提升泵等,其中各设备运行状态作为数字量输入信号,数字量输出信号用于控制各设备的启动/停止。提升泵控制原理与1#PLC控制站中潜水泵控制原理相同,均为通过液位值自动控制。搅拌机、曝气机、滗水器为循环顺序控制,搅拌机启动相应的设定时间后,闲置一段时间,然后曝气机启动相应的设定时间,闲置一段时间后,搅拌机再次启动,当循环运行次数达到设定次数时,开启滗水器,将清水排出。设备运行时间、闲置时间、循环运行次数等参数均可在上位机实时在线修改。

2.3 3#PLC控制站设计

3#PLC控制站是污水处理过程工艺的尾段。主要负责控制二氧化氯消毒机、排泥泵等电气设备。连接余氯监测仪作为模拟量输入信号,实时监测消毒后清水中的余氯指标,以满足排放标准。连接污泥界面仪作为模拟量输入信号,实时监测污泥池中污泥界面高度,达到设定高度时,自动启动排泥泵,将污泥外排,低于设定高度时,停止排泥泵。

3 监控中心的设计

监控中心设上位机两台作为操作员站(其中一台兼工程师站),打印机一台用于打印历史趋势、运行报表等。软件采用西门子Wincc上位机软件,与下位机通讯简单,组态方便。主监控系统界面如图3所示。

主监控系统界面将工艺流程、仪表数据显示、流量累计、自动运行参数设定、设备运行状态反馈及各设备控制功能集中显示,非常便于操作员对现场运行状态的观察和控制。各设备均设手动、自动两种运行模式,可根据实际运行情况投入自动运行。对反应池中的曝气、搅拌、闲置等过程可进行自动运行时间及运行次数的设定,并可往复循环运行。另外,监控系统集历史趋势查询、操作记录查询、报警记录查询、运行报表查询等功能与一体,并可通过中控室设立的打印机实时打印。

该系统主要特点为:

1)各潜水泵、提升泵可根据液位自动启停;各泵可根据运行时间优先启动运行时间相对较少的泵,避免长期运行某泵导致磨损过大。

2)曝气时间、曝气间隔时间、搅拌时间、搅拌间隔时间、循环运行次数等参数均可根据实际运行情况在监控画面实时调整,方便用户对于污水处理过程的控制,可实现无人值守,节省了大量人力及运行成本。

4 通讯网络的设计

通讯网络是上位机监控系统和下位机PLC控制系统的连通介质,其稳定性和实效性直接决定了整个系统的运行状况好控制功能。本文设计的通讯网络以Ethernet/IP协议为基础。利用光纤将分布式PLC和上位机连接,在中控室设立以太网交换机,组成以太网络,确保通讯的稳定和实效性。同时,由于采用光纤以太网通讯,将各PLC分布在相应的工艺区域,使得仪表、电气等设备的连接电缆长度大大减少,节省了大量施工成本。

通讯网络除以太网外,还对外开放Modbus通讯接口,可通过RS485通讯协议方便扩展连接第三方设备,系统的扩展性、可兼容性大大提高。 系统预留GPRS无线通讯模块,方便将运行数据实时无线上传到环保部门的监控中心。
5 结论

本系统自投入运行以来,日处理污水能力可达5000t。经检测:pH值、悬浮物浓度(SS)、5日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、氨氮、总余氯等检测指标均符合国家排放标准,污水处理达到理想效果。由于采用基于PLC的远程监控系统,整个污水处理系统运行平稳,故障率极低,自动化程度高,操作灵活简便,基本实现了无人职守运行,为企业节省了大量运行成本。

版权、出处:《仪器仪表用户》

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