摘要：本设计以昆明市第十污水污水处理厂的控制系统为研究背景，结合城市污水处理工艺，探讨以施耐德公司Quantum系列的PLC在采用膜生物反应器(MBR)工艺的污水处理设施中的应用，重点阐述了系统的硬件构成及系统软件的设计思路与实现方式；全厂共有9个主站，设备具有远程自动／手动和就地手动三种工作模式，在软件部分，有通讯部分和自动化实现部分，在自动实现部分解决关键问题有：产水系统、脉冲曝气系统、在线清洗系统等。其控制系统有参控仪表多、实时性高、自动化程度高、操作简便等特点。
关键词：可编程控制器(PLC)；膜生物反应器(MBR)；自动控制系统
随着经济的飞速发展和人口的持续增加，水的需求量在不断增大，但地球上的水资源却在萎缩，可利用的水源特别是城市周围水源污染等因素使得水资源缺乏和水体污染己经成为各国面临的重要问题之一 。膜生物反应器(MBR)技术被公认是当今世界前沿、高效的污水处理与资源化技术之一，并以其优质的出水水质被认为是具有较好经济、社会和环境效益的节水技术而倍受关注【1】。为了让污水处理技术有效地实现，将自动控制技术应用于污水处理中以提高污水处理的自动化水平更成为污水处理中的关键问题 。
一、膜生物反应器(MBR)主要技术原理和工艺流程
膜生物反应器（MBR）是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池在生物反应器中保持高活性污泥浓度减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。与传统的生化水处理技术相比，MBR具有以下主要特点：处理效率高、出水水质好；设备紧凑、占地面积小；可实现自动控制、运行管理简单。
该项目中采用某国产中空纤维膜组件至于生物池内，通过跨膜压差使泥水分离，在气水分离器中使气水分离，在离心泵中产水，产水系统如下图1-1：
图1-1 产水系统简图
1.1基于现场情况和实际需要，该工艺方式为地下式“A2O与生物膜反应器（MBR）”组合工艺，其工艺流程见图1-2。
图1-2
1.2工艺流程简述
污水处理及中水回用设施自控系统的工艺流程，可见图1-2。
河道污水和生活污水集中于集水井，首先经过粗格栅除去污水中较大颗粒的杂质，然后在经过转鼓细格栅和转鼓精细格栅，过滤了1mm以上的颗粒物，这样，防止了MBR膜池的洁净和产水泵的阻塞和损伤，减轻负荷。格栅的污水自流进入至生物池 ，然后经过好氧区、缺氧区和厌氧区之后，再自流到MBR池 ，MBR池中设置中空纤维膜组件，污水浸没膜组件，通过抽真空泵泵的抽取 ，利用膜丝内腔的抽吸负压来运行。抽真空泵抽进抽真空罐，然后又产水泵从抽真空罐中产水，并流入出水总管，出水进入消毒设备进行杀菌消毒，便处理完成，排出水厂或流进中水再生水系统待用。整个处理过程需要鼓风机进行曝气处理，出水进行紫外线消毒处理。MBR池的多余污泥回流至缺氧池，缺氧池的多余污泥排放至污泥浓缩池，经过污泥脱水系统和料仓系统处理污泥。
本系统主要处理对象是生活污水，为确保工程质量 、污水处理设施的稳定运行及运行维护简捷方便 ，MBR膜采用北京碧水源公司生产的浸没式中空纤维膜，其产品质量和使用寿命方面有很高的优越性。
二、自动控制系统设计
2.1整体概述
整个监控系统分为三部分：
(一)是现场数据采集部分，完成数据采集功能；
(二)是现场控制单元，分现场控制箱和PLC站，现场控制箱主要完成手动控制，PLC站主要完成数据处理、自动控制及通讯功能；
(三)是上位机监控部分，主要监视现场各工艺流程运行状况并实施远程控制功能。
现场设备分为远程和手动切换 ，即根据现场实际情况进行不同工作模式的切换。为方便运行、管理 ，现场控制为PLC集中控制系统，这样提高了自动化程度，在设备发生故障时能进行及时报警。电气控制系统设置在配电间内，所有的运行设备分散在水厂各个区域。
2.2控制系统硬件组成
控制系统硬件由法国施耐德公司的Quantum系列的PLC、直流交流电源、交直流开关、中间继电器等及其他辅助部件组成。共有九个PLC控制主站，分别为OLCU（控制进水设备和仪表）、1LCU（预处理部分）、2LCU(污泥脱水部分)、3LCU(生物区A区设备和仪表)、4LCU(生物池B区和仪表)、5LCU（膜池A区设备和仪表）、6LCU（膜池B区设备和仪表）以及AE1（进水水质监测）和AE2（出水水质监测）控制站。
根据需要，该系统外接点有4000点左右，由工艺系统控制要求，分别定义相应的DI、DO、AI、AO输入输出点，并调试程序。
2.3通讯部分
该项目的控制系统主要采用以下六种通讯方式：以太网通讯、CAN open通讯、Modbus RTU通讯、PROFIBUS –DP通讯和PROFIBUS –PA通讯以及4~20mA通讯方式。
对于以太网通讯昆腾系列的PLC实现以太网的通讯，我所采用的方式是设置IO扫描，见图2-1，设置通讯对象的IP地址单元ID和通讯语法，定义所读主对象、读从站地址和读长度以及写主对象、写从站地址和写长度。编译生成下载即可实现通讯。
图2-1
CAN open通讯主要在施耐德的M340的PLC和施耐德ATV61的变频器通讯使用。硬件实现是采用CAN open总线和九针串口转RJ45接头把变频器和M340 PLC连接，并在Unity Pro V6.0中配置M340和ATV61，之后在硬件配置的CAN open接口处打开通讯配置框，在此处配置通讯参数，如图2-2。
此方式主要实现了PLC和变频器状态字、控制字和频率的设定和反馈的高速通讯。
Modbus RTU通讯是整个系统的主要通讯方式，采用RTG100网关实现，此通讯方式软件配置简单、接线方式多样、通讯稳定，具有无可比拟的优点。在网关和PLC通讯时同样采用IO扫描的以太网通讯方式。
对于昆腾系列PLC的PROFIBUS –DP通讯，Unity Pro V6.0软件需要安装Profibus Remote Master驱动光盘，在安装完成后在DTM浏览器中添加所通讯仪表的GSD文件，并设置参数，如图2-3，在配置完成后在程序还行调用PRM_MGT_Q程序块，如图2-4，并定义管脚变量设置参数以实现通讯。
图2-2
图2-3
图2-4
2.4控制系统软件设计 下位程序在Windows XP操作系统环境下，使用Unity Pro V6.0编程软件，主要工作量在一下的几个自动化系统。
1、产水系统：（1）28个产水系列单独运行，由设定目标流量后进行恒流量控制，该部分采用PID公式实现。（2）启停受时序控制。（3）连锁参数有：曝气流量、液位、跨膜压差、浊度、污泥浓度等。（4）抽真空系统，抽真空泵根据液位运行停止，不断产水。（5）根据液位阶梯产水控制：
2、脉冲曝气系统：
该控制系统分为A1～A7、A8～A14、B1～B7、B8～B14，四个单元28个产水廊道，每个廊道有一个高曝气阀和一个低曝气阀，在正常产水时，低曝气阀全开，而高曝气阀采用脉冲方式给膜池曝气，高曝气按时间（可设）曝气，7个一组轮询曝气。程序实现方式是按时间轮训，并设定时间，在高曝气阀出现故障或者在就地控制方式运行时，直接跳过该廊道的曝气，进行下一组曝气。
3、在线清洗系统：
下面对在线清洗系统程序实现做一详细说明：
在线清洗系统有两种药剂选择并分大洗和小洗，按步骤共五个步骤执行。
CIP清洗步骤：
以“A1—A7膜系统在线清洗”画面进行说明。选择“次氯酸钠”按钮（变绿），选择“小清洗”或“大清洗”，选择后变绿，选择“小清洗”自动开1台泵，选择“大清洗”自动开3台泵。选择清洗廊道，如选择A3廊道（变绿），显示“备妥”，点击“开启”按钮，清洗程序开始运行。
(1)步骤一：第一次曝气（5min可设）：自动关闭进出水闸门/堰门，关产水阀，开高曝气阀，关低曝气阀。
(2)步骤二：反冲洗（5min可设）：高曝气阀关闭，低曝气阀处于关闭状态，CIP阀门打开，CIP泵开启，逆向反冲洗。目前CIP泵为给定频率运行。
(3)步骤三：第一次加药（5min）：加药泵打开，CIP泵打开，反馈流量。
(4)步骤三：第一次加药停止（5min）：加药泵关闭，CIP泵关闭，CIP阀延时5s关闭。
(5)步骤三：第二次加药（5min）：加药泵打开，CIP泵打开，反馈流量。
(6)步骤三：第二次加药停止（5min）：加药泵关闭，CIP关闭，CIP阀延时5s关闭。
(7)步骤三：第三次加药（5min）：加药泵打开，CIP泵打开，反馈流量。
(8)步骤三：第三次加药停止（5min）：加药泵关闭，CIP泵关闭，CIP阀延时5s关闭。
(9)步骤四：第一次浸泡时间（60min可设）：所有控制设备、阀门无动作。
(10)步骤五：第二次曝气时间（10min可设）：高曝气阀门打开，低曝气阀门关闭，CIP阀门打开，CIP阀门打开；CIP泵、CIP阀门打开，运行2.5min，关闭CIP泵，关闭CIP阀门（CIP关后延时5s）。最后7.5min只是空曝气。
(11)步骤五走完，CIP运行中参控设备均复位至原状态。产水阀打开、CIP阀门关闭、曝气阀门复位，进出水闸门开启。
(12)所有设备恢复到原有状态时，系统恢复产水。
整个自动程序走完大概需要2个小时左右，在一键开启操作后完全自动程序执行。
程序调试完毕后，将所有参控设备、仪表参数集中于中控的工作站中，上位机画面采用接进三维立体的画面显示，简洁直观。系统运行以来，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，控制状况良好，满足工艺设计要求，实现了所设计的自动控制功能。
三、结语
当今，污水处理事业的社会效益、环境效益与经济效益为世界各国所瞩目，现代控制理论的发展，为污水处理工业提供了良好的发展前景【2】。本文结合MBR法污水处理工艺，针对污水处理设施的实际应用需要，结合工艺设计，电气设计，控制系统的硬件设计，完成了本控制系统的软件设计，本文给出了完整的控制流程图。
随着科学技术的发展，对这些复杂系统控制性能的要求也会越来越高，将污水处理系统的自动控制向智能化方向转变已经势在必行。作者相信未来会有更先进的技术应用于污水处理控制实践中，并取得更好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]牛涛涛，汪建根，李振玉．膜生物反应器在污水处理中的应用及其前景展望[J]. 环境研究与监测 2008，21(1)：35—38，47．
[2]李曜宇. 基于PLC的MBR小型污水处理工艺的自动控制系统设计[J]. 环境保护科学 2011,8. ：22—25，32.
作者简介
王斌（1978----）,男,工程师,长期从事市政工程自动化系统和SCADA系统的设计、调试工作。
李磊（1986---）,男,助理工程师,完成多个国内污水处理厂的下位程序设计、调试工作。
论文作者:王斌,李磊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/17
标签：污水处理论文; 通讯论文; 曝气论文; 系统论文; 污泥论文; 步骤论文; 控制系统论文; 《基层建设》2018年第31期论文;