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[导读]摘要:为了解决陕西省某县城污水处理问题,设计了以BAF法为工艺,以S7-300PLC为核心,应用冗余技术、PROFIBUS现场总线技术的污水处理控制系统,阐述了控制系统的硬件集成。以StepV5.2为开发环境,应用模块化、面向对

摘要:为了解决陕西省某县城污水处理问题,设计了以BAF法为工艺,以S7-300PLC为核心,应用冗余技术、PROFIBUS现场总线技术的污水处理控制系统,阐述了控制系统的硬件集成。以StepV5.2为开发环境,应用模块化、面向对象的程序设计思想开发了基于BAF工艺的预处理、BAF生物滤池和污泥脱水系统控制的应用程序。系统运行结果表明,控制效果达到了预期目标。
关键词:S7-300PLC;BAF;污水处理;现场总线

    伴随社会经济的发展,现代城市污水量不断增加,工业废水所占比重呈上升趋势。为了改善生态环境,充分进行废物利用,创建节约型、生态型城市。陕西省某县城通过对污水量的预测,结合城市发展前景,确定新建一规模为2×104 m3/d污水处理厂。选用BAF工艺,利用PLC自动化技术进行污水处理。

1 BAF污水处理工艺简介
    BAF即生物曝气滤池(Biological Aerated Filter),是上世纪80年代法国OTV公司于研究成功的一种新型淹没式生物滤池。污水经格栅去除粗大漂浮、悬浮物后,进入出沉池或水解酸化池进行沉砂、除油和沉淀同时去除部分SS、化学需氧量、BOD等物质,经预处理的污水进入第一级BAF-C/N滤池,绝大部分化学需氧量、BOD在此进行降解,部分氨氮进行硝化,接着污水进入第二级BAF-N滤池(或C/N滤池),进行氨氮的彻底硝化及化学需氧量,BOD地进一步降解,同时进行化学除磷,以保证出水总磷≤0.5 mg/L,NH3-N≤5 mg/L,TN≤10 mg/L运行过程中,在一二级BAF底部进行供氧滤池运行一段时间后需对滤池进行反冲洗;反冲洗采用气水联合反冲洗,反冲洗污水通过排水缓冲池返回初沉池或水解酸化池,与原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥进行脱水处理,泥饼外运处置。若选用DN滤池+C/N滤池的脱氮工艺,则需将C/N滤池的出水回流。具体工艺流程如图1所示。

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2 基于BAF工艺的污水处理控制系统设计
   
鉴于该污水厂污水处理规模和BAF工艺的特点,本着技术先进,性价比高,实用可靠的原则,采用“集中管理、分散控制”的理念进行污水处理控制系统设计。系统结构如图2所示,包括上位机管理层、下位机控制层和现场设备层。

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    1)上位机管理层
    该层设置在中央控制室,包括两台工程师站,主要完成对厂内各设备和仪器仪表的工况进行监测和远程控制,主要设备如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等,并对其信号进行采集显示。仪表工况如生产过程参数(流量、液位等)、水质参数(pH值、SS、DO等)。为了给用户提供一个科学合理的设备检修时间,上位机及时完成对所采集的数据进行处理、储存、显示和打印;并对污水厂重要设备(如提升泵、鼓风机、阀门等)的开/关次数和运行时间进行累计,生成设备管理报表。以上的设备和仪器仪表的监测与远控主要借助于WinCC V6.2组态软件开发的生产工艺流程图和各工艺单元流程图,各种过程参数、水质参数、电气参数的趋势图和生产统计报表。另外,通过界面设置了信号报警和联锁等功能,保证了生产的正常运行。
    2)下位机控制层
    该层选用代表当今潮流的西门子SIMATIC工业自动化产品S7-300PLC为控制核心,设计为软冗余系统。系统以S7-315-2DP CPU作为主站,与上位机管理层计算机采用以太网通信,并以以太网作为冗余网络为基础。与从站分布式I/O之间数据传输采用PROFIBUS-DP协议通讯方式,以确保高实时性和高动态响应要求。
    3)现场设备层
    该层主要为BAF工艺流程各阶段的现场设备和分布式ET200I/0从站,粗细格栅机、运输机、螺旋压渣机、提升泵、鼓风机、刮泥机、排泥泵、阀门等和PH/T、电容式液位计。
    该层根据需要,设置了3个从站,分别完成预处理控制、BAF生物滤池处理、污泥脱水系统处理,主要设备有手动控制、遥控控制、自动控制3种方式,主要通过在控制层PLC中的用户程序实现。

3 系统硬件集成
   
1)上位机管理层  上位机管理层设两台研华工控机监控计算机(互为热备)、打印机等。两台ADVANTECH IPC-610、P4/2.8GHz/120Gb /512Mb/19’LCD互为热备。安装西门子STEP7 V5.4编程软件和西门子WinCC V6.2工业组态软件。
    2)冗余PLC控制层及分布式控制子站  冗余PLC控制层中,PLC采用模块化结构设计的西门子CPU315-2DP可编程控制器。
    ①处理子站(ET200)  本站主要负责粗格栅、细格栅、旋留沉砂池、反应沉淀池的监测控制。
    ②BAF生物滤池子站(ET200)  BAF生物滤池是本污水处理厂的关键,根据工艺要求对滤池的进水调节阀、出水闸门、气冲阀、水冲阀、排水阀、泄气阀及鼓风机、反冲水泵进行监控,来控制滤池的正常过滤和反冲洗这两个过程。实现过程控制可通过手动和自动两种方式。
    ③污泥脱水系统处理(ET200)  根据生产工艺要求,实现对污泥投加絮凝剂、混合、浓缩、脱水功能,最后生成污泥饼外运。
    污水处理控制系统使用PROFIBUS-DP现场总线,冗余了2个从站的分布式I/O,每个冗余的从站有2个PROFIBUS接口,一个是主接口,一个是备用接口。工作中,当主要从站出现故障时,后备从站接管它的功能。该系统从站在两条冗余的PROFIBUS总线上运行。
    根据现场不同测控信号的分析,冗余控制系统模块配置如表1所示。

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4 控制系统软件开发
   
根据BAF工艺要求,用户程序以西门子StepV5.2为下位机开发环境,运用模块化、面向对象(主要设备)的设计思想,对现场电动阀门、曝气机、鼓风机和水泵等电气设备开关实施顺序控制、时限控制和条件控制。为了提高系统的可靠性,控制程序必须写入冗余段程序。用户程序的设计流程如图3所示。

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5 结束语
   
系统以PLC为核心,利用BAF工艺和冗余、现场总线技术实现了对整个县城的污水处理。本系统投入运行以来,运行稳定可靠,自动化程度高,经系统处理后的污水达到了国家污水排放标准,完全达到了预期的目标。

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