聚酯廢水處理監控系統的設計與實現

1 引言
某聚酯廠的主要產品為PET(聚酯切片)、滌綸長纖維產品，生產裝置排出廢水中含高濃度苯系物、油劑和殘渣等,COD指標高,生化性差。另外生產裝置多、工藝過程中的變化,使得污水的排量和成分變化較大,污水處理的難度大。
該公司的污水處理裝置采用針對高濃度有機廢水生物處理的難題,采用水解—好氧循環一體化處理工藝。水解和好氧過程反應時間較短、處理效果好。工藝流程見圖1。

圖1 聚酯廢水處理工藝流程

車間高濃度污水經管道流入污水處理廠的集水井中，經一沉池泥沙沉淀后進入調節池。調節池調節pH值后，在水解池中利用微生物對有機物進行初級分解，將廢水中不溶性的固體物質轉化為溶解性物質、難生物降解物質轉化為易生物降解的物質，改善污水的可生化性。水解生物處理廢水COD去除率一般在30%~40%。低濃度污水進入溢流池，補充污水中氮、磷量，滿足微生物生化對營養鹽的需求。一、二級生化池中生物膜與污水充分接觸，吸附氧化污水中的有機物質，同時合成新細胞物質，曝氣系統提供微生物所需氧氣。老化脫落的生物膜隨混合液進入二沉池泥液分離，處理后污水排出廠區。

2 污水處理自控系統原理
聚酯廢水處理監控系統由西門子S7-200PLC、工業控制計算機、現場儀表監控系統組成。現場工控機以組態王作為人機界面，通過RS-232與PLC通信。實現污水處理的各水泵、風機等設備的控制;過程參數在線檢測、顯示和調節;數據采集、報警、歷史趨勢記錄等功能。遠程上位機通過RS-485由監控軟件對現場工況進行監控。系統工作原理如圖2所示:

圖2 系統框圖

2.1 控制系統工作原理
(1) 污水調節池自控系統
液位控制。調節池A、B各有1臺自吸泵，通過兩調節池的上、下限浮球液位開關控制自吸泵的啟動停止，滿足進水總流量和水解池水解工藝要求。指示燈、顯示屏顯示調節池的液位、自吸泵的運行狀態。
PH值閉環控制。兩調節池各有一套PH值閉環控制系統,滿足污水水解和生化處理工藝的要求。在線PH檢測儀EC310精確監測與顯示PH值，檢測儀輸出4-20mA信號送PLC進行PI調節，控制變頻器輸出、堿加藥泵流量，實現PH值變頻閉環控制與監控。本系統pH值的控制目標調整為5.5~6.5。
(2) 溢流池控制系統
氮磷加藥泵控制。溢流池的2臺加藥泵添加氮、磷，滿足污水生化工藝的要求，加藥泵有手動/自動控制兩種方式。自動控制用于系統總流量穩定條件時定時控制，定時長短可以通過工控機組態界面設定。手動控制根據生化池污水氮、磷的含量檢測結果進行。
循環泵控制。溢流池有2臺循環泵，將處理后污水送生化池。循環泵可手動/自動控制，一用一備、故障自動切換。
(3) 生化池自控系統
溶解氧含量控制。兩生化池各有一套氧含量閉環控制系統，該系統由鼓風曝氣裝置(鼓風機，供風管，曝氣管)、電磁閥、溶解氧傳感器與變頻器組成。DC-1200型在線溶解氧測試儀直接輸出4-20mA的電流，送PLC，進行PI調節、控制變頻器、風機轉速使溶解氧保持在工藝要求的范圍之內，并降低鼓風機電耗。
潛污泵的控制。生化池2臺潛污泵將處理后泥液送二沉池。潛污泵可手動/自動控制，自動控制由生化池上、下限浮球液位開關控制啟動停止間隔，滿足進水總流量和生化工藝要求。
(4) 沉砂、污泥處理控制系統
●沉池刮泥機控制
刮泥機的控制有手動/自動兩種方式，自動控制由PLC按工藝要求，定時控制。
●沉池自控系
2臺回流泵(一用一備)將二沉池活性污泥回流生化池。回流泵可手動/自動控制、故障自動切換。1臺刮泥機可手動/自動控制。
●沉淀池濃縮泵控制
2臺濃縮泵(一用一備)將沉淀池污泥送壓濾機，濃縮泵可手動/自動控制、故障自動切換。

2.2 系統硬件結構
聚酯廢水處理控制系統由工控機監控系統、PLC程序控制系統、電氣控制系統三大部分組成。硬件結構由一臺PLC控制柜、一臺變頻器柜與一臺集中控制操作臺構成。
監控系統上位機選用研華IPC-610工控機，128M內存，10G硬盤，17寸彩色顯示器，WINDOWSXP操作系統。外接打印機，打印報表。
PLC選用西門子S7-200微小型PLC系列。中央處理單元為CPU226。根據系統I/0點數及其特性，配置如下的模塊:兩模擬量輸入EM235模塊，提供具有12位分辨率的6路模擬量輸入通道，用于PH值、溶解氧含量、液位傳感器等輸入;4路模擬量輸出通道，用于變頻器模擬量給定。四數字量輸入EM223模塊，提供總數為88路開關量輸入通道;供控制柜開關/按鈕、變頻器運行狀態、液位傳感器等開關信號輸入;供總數為60路的開關量輸出通道，用于泵、變頻器、電磁閥、繼電器、指示燈和報警器等電器設備的控制。
變頻器采用三菱FR-E520/ FR-F540系列變頻器，堿加藥泵0.7kW、風機11kW。該污水處理系統的日處理水量不斷變化,由于在控制中應用了變頻調速技術，提高了加藥量、溶解氧量控制精度，在一定程度上解決工程實際與前期設計之間的偏差，更好地滿足工藝流程的需要，并且減少了泵的啟停次數，延長設備的使用壽命。

3 系統軟件的設計
3.1 控制系統主程序設計
PLC主程序主要由系統初始化程序、泵起動程序、泵自動切換程序、故障診斷顯示報警程序等構成。
(1) 系統初始化程序
系統的初始化，對模擬量(PH值、溶解氧量)數據處理的數據進行初始化處理，PH值給定、溶解氧含量、電氣設備狀態檢測。考慮到外界干擾對PH值、溶解氧量等輸入信號的影響,采用加權平均法對模擬量進行數字濾波。
(2) 泵電機起動程序
泵電機分手動/自動方式，手動運行由控制柜開關/按鈕、工控機、廠總控制室計算機控制。自動運行由PLC按工藝定時控制，定時長短可以通過工控機組態界面設定;同時運行PH值PI調節子程序、溶解氧量PI調節子程序。
(3) 泵切換程序
一用一備同組泵間(循環泵、污泵、濃縮泵、回流泵)的切換分自動切換/手動切換。自動切換根據泵運行時間的長短來完成同組泵間的切換，自動啟動化工泵運行。手動切換根據控制柜控制按鈕、監控界面控件控制泵運行。
(4) 故障診斷顯示報警程序
變頻器故障診斷、泵故障診斷、自動切換并聲光報警。系統中設有多級保護，根據故障性質，軟故障聲光報警，硬故障自動停機，保證設備安全運行。
3.2 控制系統子程序設計
PLC子程序設計共包括四個子程序:模擬量初始化子程序、模擬量數據處理子程序、PH值智能PI調節子程序、溶解氧含量智能PI調節子程序。
智能PI調節子程序，用PLC內部定時中斷控制，定時時間到，轉入中斷服務程序，并將運算結果送給模擬量輸出模塊即變頻器頻率設定端的信號模擬量值。
基于PLC的積分分離智能PI調節、編程簡單、控制可靠，適合于污水處理PH值、溶解氧含量控制，實踐表明系統控制穩定、精度高，完全滿足聚酯廠污水處理工藝要求。基于PLC的積分分離pH值控制部分相關的程序清單如下所示。
LD M10.0
系統正常、進入PID控制程序;
LPS
MOVR VD500, VD100
VD500(000通道數據歸一化后的值)送VD100
LDR> VD500, VD504
若高于積分分離上限
OR< VD500, VD508
或低于下限;
ALD
MOVR 9999.0, VD120
去積分。
LPP
PID VB100, 0
作PID運算，實現PI控制。
MOVR VD108, AC0
*R 32000.0, AC0
把運算結果轉換為工程值
ROUND AC0, AC0
DTI AC0, AC0
MOVW AC0, AQW0
輸出送AQW02端口，控制變頻器
3.3 系統監控組態軟件的開發
(1) 污水處理監控畫面的設計
監控畫面動態顯示污水處理工作流程、現場設備的狀態(變頻器、泵電機、電磁閥)、PH值、溶解氧量、液位、泵的工作狀態及示流。操作人員可以根據流程畫面來分析污水處理自動控制系統是否處于正常運行狀態。主監控畫面如圖3所示。

圖3 主監控畫面

(2) 用戶口令配置
操作人員想進行控制，則必須輸入用戶名稱和口令，當該用戶名稱和口令是系統配置所允許的時候，控件才能起作用。
(3) 報警與報警記錄
在污水處理自動運行過程中，變頻器與泵正常工作保證了系統運行可靠。利用其工作狀態窗口復合報警窗口控件，當相應設備出現故障時，PLC將信號送給工控機，滿足報警條件，顯示報警。
(4) 趨勢曲線
對于污水處理PH值、溶解氧含量等重要參數，用趨勢曲線來表示，趨勢曲線分為實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。
(5) 參數設置
污水處理PH值、溶解氧控制采用智能型PI分離調節器具有參數自調整能力，可適應各種復雜的工況。PI分離調節器，積分分離限在上層的組態軟件中進行參數設置。
4 結束語
污水處理自動控制裝置是集計算機技術、網絡通訊技術、過程控制技術、畫面制作顯示技術和數據管理報表制作技術于一體的計算機測控管理系統;系統將高性能高可靠工業控制計算機(IPC)、可編程控制器(PLC)、變頻器和各類現場儀表有機的結合起來，實現各部分信息的共享和協調工作，從而完成綜合測控與管理功能。
現場調試和運行表明:系統控制方案合理、運行可靠、節能、經濟。采用智能型PI分離調節器溶解氧穩定在2±0.3mg/L，利用變頻器調節可節能25%;采用變頻器進行PH值控制方案先進,PH值控制精度能穩定在5.5±0.2,運行穩定有效，滿足生化反應條件,節約了中和劑安裝維護方便。控制系統軟件功能齊全，人機界面友好，使用方便，具有一定推廣價值。