S7-300PLC在BAF法污水處理控制系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：為了解決陜西省某縣城污水處理問題，設(shè)計了以BAF法為工藝，以S7-300PLC為核心，應(yīng)用冗余技術(shù)、PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的污水處理控制系統(tǒng)，闡述了控制系統(tǒng)的硬件集成。以StepV5．2為開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用模塊化、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想開發(fā)了基于BAF工藝的預(yù)處理、BAF生物濾池和污泥脫水系統(tǒng)控制的應(yīng)用程序。系統(tǒng)運行結(jié)果表明，控制效果達到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：S7-300PLC；BAF；污水處理；現(xiàn)場總線

    伴隨社會經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)代城市污水量不斷增加，工業(yè)廢水所占比重呈上升趨勢。為了改善生態(tài)環(huán)境，充分進行廢物利用，創(chuàng)建節(jié)約型、生態(tài)型城市。陜西省某縣城通過對污水量的預(yù)測，結(jié)合城市發(fā)展前景，確定新建一規(guī)模為2×104 m3／d污水處理廠。選用BAF工藝，利用PLC自動化技術(shù)進行污水處理。

1 BAF污水處理工藝簡介
    BAF即生物曝氣濾池(Biological Aerated Filter)，是上世紀(jì)80年代法國OTV公司于研究成功的一種新型淹沒式生物濾池。污水經(jīng)格柵去除粗大漂浮、懸浮物后，進入出沉池或水解酸化池進行沉砂、除油和沉淀同時去除部分SS、化學(xué)需氧量、BOD等物質(zhì)，經(jīng)預(yù)處理的污水進入第一級BAF-C／N濾池，絕大部分化學(xué)需氧量、BOD在此進行降解，部分氨氮進行硝化，接著污水進入第二級BAF-N濾池(或C／N濾池)，進行氨氮的徹底硝化及化學(xué)需氧量，BOD地進一步降解，同時進行化學(xué)除磷，以保證出水總磷≤0．5 mg／L，NH3-N≤5 mg／L，TN≤10 mg／L運行過程中，在一二級BAF底部進行供氧濾池運行一段時間后需對濾池進行反沖洗；反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖洗，反沖洗污水通過排水緩沖池返回初沉池或水解酸化池，與原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥進行脫水處理，泥餅外運處置。若選用DN濾池+C／N濾池的脫氮工藝，則需將C／N濾池的出水回流。具體工藝流程如圖1所示。

2 基于BAF工藝的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計
    鑒于該污水廠污水處理規(guī)模和BAF工藝的特點，本著技術(shù)先進，性價比高，實用可靠的原則，采用“集中管理、分散控制”的理念進行污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括上位機管理層、下位機控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。

    1)上位機管理層
    該層設(shè)置在中央控制室，包括兩臺工程師站，主要完成對廠內(nèi)各設(shè)備和儀器儀表的工況進行監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，主要設(shè)備如格柵機、提升泵、鼓風(fēng)機、閥門等，并對其信號進行采集顯示。儀表工況如生產(chǎn)過程參數(shù)(流量、液位等)、水質(zhì)參數(shù)(pH值、SS、DO等)。為了給用戶提供一個科學(xué)合理的設(shè)備檢修時間，上位機及時完成對所采集的數(shù)據(jù)進行處理、儲存、顯示和打?。徊ξ鬯畯S重要設(shè)備(如提升泵、鼓風(fēng)機、閥門等)的開／關(guān)次數(shù)和運行時間進行累計，生成設(shè)備管理報表。以上的設(shè)備和儀器儀表的監(jiān)測與遠(yuǎn)控主要借助于WinCC V6．2組態(tài)軟件開發(fā)的生產(chǎn)工藝流程圖和各工藝單元流程圖，各種過程參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)、電氣參數(shù)的趨勢圖和生產(chǎn)統(tǒng)計報表。另外，通過界面設(shè)置了信號報警和聯(lián)鎖等功能，保證了生產(chǎn)的正常運行。
    2)下位機控制層
    該層選用代表當(dāng)今潮流的西門子SIMATIC工業(yè)自動化產(chǎn)品S7-300PLC為控制核心，設(shè)計為軟冗余系統(tǒng)。系統(tǒng)以S7-315-2DP CPU作為主站，與上位機管理層計算機采用以太網(wǎng)通信，并以以太網(wǎng)作為冗余網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。與從站分布式I／O之間數(shù)據(jù)傳輸采用PROFIBUS-DP協(xié)議通訊方式，以確保高實時性和高動態(tài)響應(yīng)要求。
    3)現(xiàn)場設(shè)備層
    該層主要為BAF工藝流程各階段的現(xiàn)場設(shè)備和分布式ET200I／0從站，粗細(xì)格柵機、運輸機、螺旋壓渣機、提升泵、鼓風(fēng)機、刮泥機、排泥泵、閥門等和PH／T、電容式液位計。
    該層根據(jù)需要，設(shè)置了3個從站，分別完成預(yù)處理控制、BAF生物濾池處理、污泥脫水系統(tǒng)處理，主要設(shè)備有手動控制、遙控控制、自動控制3種方式，主要通過在控制層PLC中的用戶程序?qū)崿F(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件集成
    1)上位機管理層  上位機管理層設(shè)兩臺研華工控機監(jiān)控計算機(互為熱備)、打印機等。兩臺ADVANTECH IPC-610、P4／2．8GHz／120Gb ／512Mb／19’LCD互為熱備。安裝西門子STEP7 V5．4編程軟件和西門子WinCC V6．2工業(yè)組態(tài)軟件。
    2)冗余PLC控制層及分布式控制子站  冗余PLC控制層中，PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的西門子CPU315-2DP可編程控制器。
    ①處理子站(ET200)  本站主要負(fù)責(zé)粗格柵、細(xì)格柵、旋留沉砂池、反應(yīng)沉淀池的監(jiān)測控制。
    ②BAF生物濾池子站(ET200)  BAF生物濾池是本污水處理廠的關(guān)鍵，根據(jù)工藝要求對濾池的進水調(diào)節(jié)閥、出水閘門、氣沖閥、水沖閥、排水閥、泄氣閥及鼓風(fēng)機、反沖水泵進行監(jiān)控，來控制濾池的正常過濾和反沖洗這兩個過程。實現(xiàn)過程控制可通過手動和自動兩種方式。
    ③污泥脫水系統(tǒng)處理(ET200)  根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，實現(xiàn)對污泥投加絮凝劑、混合、濃縮、脫水功能，最后生成污泥餅外運。
    污水處理控制系統(tǒng)使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，冗余了2個從站的分布式I／O，每個冗余的從站有2個PROFIBUS接口，一個是主接口，一個是備用接口。工作中，當(dāng)主要從站出現(xiàn)故障時，后備從站接管它的功能。該系統(tǒng)從站在兩條冗余的PROFIBUS總線上運行。
    根據(jù)現(xiàn)場不同測控信號的分析，冗余控制系統(tǒng)模塊配置如表1所示。

4 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)
    根據(jù)BAF工藝要求，用戶程序以西門子StepV5．2為下位機開發(fā)環(huán)境，運用模塊化、面向?qū)ο?主要設(shè)備)的設(shè)計思想，對現(xiàn)場電動閥門、曝氣機、鼓風(fēng)機和水泵等電氣設(shè)備開關(guān)實施順序控制、時限控制和條件控制。為了提高系統(tǒng)的可靠性，控制程序必須寫入冗余段程序。用戶程序的設(shè)計流程如圖3所示。

5 結(jié)束語
    系統(tǒng)以PLC為核心，利用BAF工藝和冗余、現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)了對整個縣城的污水處理。本系統(tǒng)投入運行以來，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，經(jīng)系統(tǒng)處理后的污水達到了國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，完全達到了預(yù)期的目標(biāo)。