摘要：在水资源短缺日益突出的今天，加快推进节水技术改造，发展污水处理回用，提高城市污水处理回用比例已成共识。本文通过对某城市污水处理工艺进行分析，提出以PLC为核心，构建格栅过滤、酸碱中和、泥水分离等多设备、多环节综合控制系统，实现污水自动处理。
关键词：可编程控制器,污水处理,系统设计
水是生命之源、生产之要、生态之基，当前我国水资源面临的形势十分严峻，水资源短缺、水污染严重等问题日益突出，已成为制约经济社会可持续发展的因素之一，为了保持污水处理过程的稳定性、可靠性和及时性，社会对污水处理特别是城市污水处理控制提出了更高的要求。[1]本文以鄂东某城市污水处理为例，对基于可编程控制器的城市污水处理系统(以下简称系统)进行设计。
1.城市污水处理要求
某城市位于鄂东南地区，城市中心区设计人口5.2万人，经前期调查、收集、计算得到的部分基础数据为：日均污水量85792m2, 混合污水水质SS=160.1mg/L, BOD5=179.8mg/L。根据污水综合排放标准(GB1978—1996)可知：悬浮物为30mg/L，BOD5为30mg/L，该结果符合国家综合排放标准中的二级要求。要求处理后出水水质取：悬浮物11.6mg/L，BOD5 10.0mg/L。
2. 处理工艺流程的选择与确定
2.1工作流程选择 由于与工业污水相比，城市污水的水质变化相对的较少，基于水质检测情况，确定对该城市污水处理采用SBR-CAST(Sequencing Batch Reactor —Cyclic Activated sludge Technology)处理工艺，即：一级预处理(物理法)，二级生化处理(生物法)，三级污泥处理。处理工艺流程见图1。[2]
2.2工艺环节分析 上图中的城市污水处理是一个复杂的生化反应过程，它主要包括进水、中和反应、曝气、沉淀以及排水等环节。具体处理过程是：将进水阀打开，先对污水进行粗细格栅过滤后进入集水池(包括初沉池、曝气池和二沉池等);当集水池中的污水达到一定量时，停止进水，并对其进行酸碱中和反应。同时打开空气阀门、启动鼓风机，开始曝气，在潜水搅拌器与回流泥水泵的共同作用下，对集水池中的污水进行均匀搅拌，使其反应完全;然后关闭以上设备开关，开始重力沉淀和泥水分离;当沉淀一段时间后，将上层的清夜缓缓排出集水池，最后将沉淀的污泥排入污泥池。
3.系统设计
3.1 基本要求 根据工艺要求，系统配置在满足上述工艺要求的前提下，避免华而不实的过高配置，同时提高系统自动化程度，减少定员数量，减少系统运营成本，提高污水处理厂经济效益，提出如下基本思路：
(1)根据工艺要求将系统分泵站自动控制系统、污水处理自动控制系统和污泥处理自动控制系统三部分组成，并采用基于PLC的现场总线型集散控制系统，遵循集中管理、分散控制、资源共享原则。
(2)监控室内设二台冗余的监控管理计算机，两套计算机可分担不同功能，故障时可互为热备，计算机配有彩色显示器，打印机，键盘等。
(3)将系统分生产管理层、监控管理层和现场控制层等三级，系统拓扑图见图2。现场控制PLC与监控管理计算机间采用10/100bit/s工业以太网通讯。
(4)根据工艺要求，合理设置水质监测、压力测量、流量计量、熔解氧检测、液位检测等仪表位置和数量，并能对相关工艺参数和主要设备工作状态进行监控。
3.2系统设计
3.2.1 系统框架设计 根据处理工艺要求，结合污水处理过程中各监测点和被控制对象，确定系统框架，如图3所示。
3.2.2系统硬件配置 在系统硬件构成中，PLC是整个控制系统的核心，PLC硬件选择西门子的S7-300系列PLC CPU 315-2DP。CPU 315-2DP是带现场总线SINEC L2-DP接口的CPU模板，可用存储卡扩充装载存储容量最大到512KB，最大扩展1024点数字量或128个模拟量，可满足本系统要求。[3]
同时，系统还有现场信号输入、驱动、执行机构等设备组成。系统的基本输入单元是系统的启动、集水池高低液、曝气池的高低液位以及循环工作按钮等输入信号;基本输出单元是粗格栅、细格栅、皮带运输机、抽水泵、搅拌机、酸碱阀，进水阀、鼓风机、回流污泥泵、污泥泵等输出信号，系统是通过PLC和系统的I/o点数来实现控制目的。具体I/O点数见表一，表中点数多少也可根据污水处理厂规模和设备数量进行适当调整。
对于电磁流量计、PH/T分析仪、悬浮物浓度计、溶氧仪、COD分析仪、压力变送器、泥位检测仪、污泥浓度计、超声波液位计等自控仪表选择具有免维护特性、有自动清洁、清洗功能、能现场显示监测数据的设备，降低其运行维护工作量和费用，为系统特别在线监测系统长期可靠的运行提供了技术保证。例如：电磁流量计选择江苏顺通仪表有限公司ST-LDE型设备。
耗能设备如鼓风机、动力泵等设备选高效产品，为节能创造有利条件。
3.2.3系统软件设计 系统的软件设计是通过设计PLC程序实现对污水处理系各个环节和设备进行控制，并上传数据。按照城市污水处理工艺流程，系统软件设计主要包括污水监测系统设计、泵站控制系统设计和污泥处理系统设计。其中污水监测系统设计主是实现污水处理水质数据实时采集、显示，泵站控制系统设计包括粗、细格栅与皮带运输机控制程序设计、集水池控制程序设计、SBR生化反应池控制程序设计、脱水与剩余污泥泵控制程序设计等。
(1)以污泥泵控制为例介绍设备控制及工艺处理过程
为保证集水池中活性污泥浓度在工艺生产要求的范围内，采用比例控制的方式进行工艺控制。根据集水池的进水量运行计算回流污泥时间，实现进水量与回流污泥量的合理配比，保证生物处理的质量。剩余污泥由剩余污泥泵控制。控制程序流程图见图5。
(2)利用组态软件监控系统运行和污水处理过程
系统采用工控机控制、监视和管理，现场采用PLC将过程控制信息和实时监测数据通过总线通信方式与工控机连接，工控机将系统数据进行记录。系统利用组态王软件中内置的驱动程序，在组态软件中构建一个虚拟PLC等设备，并使虚拟设备的型号与实际使用中的SIEMENS PLC等设备型号一致。系统通过组态软件映射真实动力泵设备、监测仪表之间的通信协议，通过软件显示通信畅通与否，监控污水处理。
(3) 系统设计中需注意的几个控制条件
一是系统中的粗细格栅是用来去除污水中悬浮物的，格栅除污机是由时间间隔来控制的，将格栅过滤出来的悬浮物通过皮带运走。
二是集水池水位上升至高液位，将水泵关闭，由PH/T分析仪检测并按设定条件控制酸、碱阀门。
三是利用溶氧仪对污水中的溶解氧浓度进行在线检测，并按设定条件控制鼓风机的开启数量实现精确曝气，并节约动力消耗。
四是曝气池中的液位达到低液位时，由超声波液位计的液位信号控制污泥泵启动，排除污泥。
本系统是基于PLC技术设计的城市污水处理系统，经实践证明不但运行可靠、污水处理效果明显，污水处理效率和速度高，实现控制自动化、精细化和智能化，而且大大降低了人工操作的工作量，在城市污水处理控制中可借鉴和推广。
参考文献：
[1]中华人民共和国国务院.国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见[Z].2012-1-12.
[2]李为.城市污水处理工艺的能耗评价体系研究[D].西安建筑科技大学，2010(05).
[3]西门子股份有限公司.SIMATIC S7-300硬件和安装手册[Z].西门子股份有限公司，2003(02).
[4]邱广远.PLC在污水处理中的控制系统设计——双恒压供水系统的程序设计 [J].知识经济，2011(11).
