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《化工自動化及儀表雜志》2016年第12期

摘要：

采用微絮凝加改進的A2O工藝，利用西門子PLC、單片機和上位機監(jiān)控軟件WinCC搭建設備層和控制層，實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的數據存儲、集中監(jiān)視管理及分散控制等功能。同時，采用GPRS無線網絡將污水處理監(jiān)測數據實時傳送到上位監(jiān)控室，保證了數據的真實可靠。

關鍵詞：

污水處理系統(tǒng)；PLC；A2O工藝；單片機；WinCC組態(tài)軟件

隨著我國工業(yè)化和城市化進程的迅猛發(fā)展，工業(yè)、生活污水大量排放，導致水資源污染嚴重，極大地破壞了我國現(xiàn)有的水資源，同時還帶來了一系列生態(tài)問題［1］。目前，我國對生活污水處理工程密切關注，隨著新環(huán)境保護法的出臺，對污水處理和排放指標的要求進一步提高，對污水處理工藝及其自動化程度的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的污水處理工藝主要以手動操作為主，自動化程度相對較低，污水處理質量不穩(wěn)定，已不能滿足現(xiàn)代污水排放標準的要求。為了提高污水處理質量，降低污水處理成本，提高污水處理的自動化程度，利用先進控制技術和設備對污水處理過程進行監(jiān)控是極其必要的。筆者采用微絮凝加改進的A2O(Anaerobic-Anoxic-Oxic)工藝進行污水處理，同時利用西門子PLC、WinCC組態(tài)軟件、單片機實現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的自動監(jiān)控，進一步提高污水處理系統(tǒng)的自動化程度、污水處理質量和技術管理水平，實現(xiàn)水資源保護和污水回收利用的目標。

1污水處理的工藝流程①

A2O工藝是活性污泥法處理生活污水中的一種重要工藝［2］，該工藝主要利用厭氧菌和好養(yǎng)菌的硝化和反硝化反應，完成污水、污染物的降解和除氮除磷［3，4］。為了更好地增加A2O工藝的除氮除磷效果，對原A2O工藝生物污水處理廠進行技術改造，采用微絮凝加A2O工藝進行污水處理。生化反應過程中污水首先進入前置反硝化區(qū)，10%左右進水流入該池，然后進入厭氧池、后置反硝化區(qū)和好氧池，最后流入二沉池。該工藝具有內回流和外回流兩種機制，內回流污水即好氧池出水流回到后置硝化區(qū)和厭氧池，外回流污水即污泥回流池出水流回到前置反硝化區(qū)，停留20～30h，微生物利用進水中的有機物去除所有回流的硝態(tài)氮(硝態(tài)氮對厭氧池有不利影響)，進而保證厭氧池的穩(wěn)定性。此外，整個工藝污水處理過程中添加了乙酸鈉、絮凝藥劑PAC及PAM等。污水處理系統(tǒng)還包括粗格柵、細格柵、旋流沉砂池、污泥回流池、高密度沉淀池、高效過濾池及紫外消毒池等。除污效果表明，微絮凝加A2O工藝可使污水的處理效果得到大幅提高，可配合超濾反滲透工藝實現(xiàn)中水的二次利用。

2控制系統(tǒng)的設計

2．1西門子PLC控制系統(tǒng)

西門子PLC控制系統(tǒng)(圖1)為“集中監(jiān)控﹑管理，分散控制”的集散型控制系統(tǒng)，共分為4個層次，分別為設備層、控制層、視頻監(jiān)控層和廣播系統(tǒng)層。PLC和第三方設備之間通過TCP/IP工業(yè)以太網進行通信［3，5］。PLC和PLC遠程IO之間通過Profibus-DP標準總線進行數據通信。PLC與中控室監(jiān)控計算機之間通過10M/100M的TCP/IP光纖單環(huán)網工業(yè)以太網進行高速大容量數據交換［4，6，7］。系統(tǒng)設備控制分為手動和自動兩種模式，在自動模式下有3種控制方式，即現(xiàn)場控制、集中控制和自動控制?，F(xiàn)場控制通過現(xiàn)場PLC終端的操作面板(如HMI)實現(xiàn)對設備的獨立鍵控;集中控制時由自控室監(jiān)控主機完成對全廠所有工藝和電氣設備的控制;自動控制時系統(tǒng)根據各工藝參數的檢測值和狀態(tài)，控制設備按照預定程序自動運行。3種控制方式可在現(xiàn)場PLC終端操作員面板和自控室監(jiān)控主機上根據不同的優(yōu)先級進行轉換，以滿足實際工作中調試、檢修和自動運行的需要。各控制設備之間相對獨立運行?，F(xiàn)場控制PLC分站和設備控制單元出現(xiàn)故障時將自動退出，同時界面閃爍報警，以提醒操作人員盡快排除故障。

2．2GPRS無線數據傳輸電路

污水處理系統(tǒng)的主要水質指標有COD、BOD、pH及溫度等，利用在污水處理排放出口安裝的智能儀表對這些指標進行檢測，儀表標準輸出為4～20mA。儀表輸出信號經專用信號隔離器后，借助串接的250Ω精密電阻，將電流信號轉換成1～5V的電壓信號，該電壓信號通過STC12C5620AD單片機控制器檢測處理，并通過RXD/P3．0、TXD/P3．1與SIM900A模塊的串口(UART)連接［8］，實現(xiàn)數據的無線傳輸。具體電路如圖2所示，其中AD_0、AD_1、AD_3和AD_4為4路儀表標準電流信號輸出。STC12C5620AD單片機高速、可靠，具有8路10位高速A/D轉換功能，滿足多路水質指標數據的采集和處理要求。SIM900A模塊采用功能強大的ARM9216EJ-S處理器內核，傳輸速率快，具有RS232接口，可直接與單片機進行連接。STC12C5620AD單片機通過標準的AT指令對SIM900A模塊進行控制，接收機利用專用的外網IP實現(xiàn)數據的接收，最終完成污水處理系統(tǒng)出水水質指標的傳送和監(jiān)測［9］，能夠有效避免人工抄送錯誤和作弊情況的發(fā)生。

3上位系統(tǒng)的設計

3．1實時監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控基礎功能是建立在WinCC6．2組態(tài)軟件系統(tǒng)框架上的。WinCC6．2組態(tài)界面(圖3)有系統(tǒng)的整體和局部監(jiān)控管理界面，系統(tǒng)所有顯示、設定和標定功能都通過中控室顯示控制單元上的觸控式顯示器和PLC機柜上的觸摸屏實現(xiàn)。通過上位機軟件，操作者可直觀、及時、全面地觀察現(xiàn)場相關設備的運行狀態(tài)，整個污水處理廠的污水處理工藝流程，以及現(xiàn)場傳感器的檢測值、歷史數據等。同時，可直觀、便捷地遠程控制現(xiàn)場各個相關設備的啟停;在中控室顯示上位機上能直觀地看到第三方相關設備的運行狀態(tài)。

3．2中央實時監(jiān)視管理系統(tǒng)

中央實時監(jiān)視管理系統(tǒng)主要接收和處理實時監(jiān)控系統(tǒng)和GPRS無線終端發(fā)送的重要數據，進一步對設備和指標數據進行處理、轉化、分析匯總和統(tǒng)計，多角度、多層次、全方位、數字化、圖形化顯示出多廠區(qū)實時運行狀態(tài)?？蓪崿F(xiàn)數據接收與處理、自定義數據錄入、數據歷史趨勢查看與分析、拐點分析、統(tǒng)計分析、月報周報生成及風險管控與預警等功能。中央實時監(jiān)視管理系統(tǒng)方案如圖4所示。中央實時監(jiān)視管理系統(tǒng)兼容多個廠區(qū)數據的混合處理模式，系統(tǒng)需要搭建多廠區(qū)數據并發(fā)接收的排隊模型，從接入第2個廠區(qū)實時數據起，隨著廠區(qū)數量的不斷增加，實時數據接收的排隊模型將更加復雜。每次增加一個廠區(qū)的實時數據，都需要調整數據接收排隊模型，增加系統(tǒng)數據處理功能、功能測試和重部署過程。

4結束語

為了進一步提高污水處理系統(tǒng)的污水處理效果和自動化程度，筆者將原A2O工藝進行了改進，同時與微絮凝處理工藝相結合，設計了西門子PLC控制系統(tǒng)、GPRS無線數據傳輸電路、實時監(jiān)控系統(tǒng)和中央實時監(jiān)視管理系統(tǒng)。利用GPRS對實時檢測的各污水處理終端污水處理指標進行無線傳輸，可以更好地監(jiān)管污水處理廠的污水處理情況，保證污水處理效果和水質指標達到國家規(guī)定的排放標準。

參考文獻：

［1］顧嘉嘉．我國城市污水處理面臨的問題及對策分析［J］．科技資訊，2007，(32):151～152．

［2］朱報開，林雄生，漆青松．污水處理廠自控系統(tǒng)的形式、結構和功能［J］．自動化博覽，2012，(2):66～69．

［3］吉順平，孫承志，路明，等．西門子PLC與工業(yè)網絡技術［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

［4］曹波．生活污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］．廣州:華南理工大學，2012．

［5］任翠宏，王新志，朱巍，等．PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性探析［J］．化工自動化及儀表，2015，42(1):121～122．

［6］姚白瑩．基于PLC控制的生活污水處理控制系統(tǒng)設計［D］．蘇州:蘇州大學，2010．

［7］王國勇．4萬噸污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究［D］．濟南:山東大學，2008．

［8］關學忠，孫立剛，李欣，等．抽油機位置及狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)［J］．化工自動化及儀表，2014，41(7):831～832．

［9］付長順，侯萬雍，金德明，等．基于GPRS的數字油田智能監(jiān)控系統(tǒng)［J］．化工自動化及儀表，2015，42(3):310-312.

作者:孫立剛 劉廣順 單位:中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司 中海石油( 中國) 有限公司天津分公司