S7-300PLC在BAF法污水处理控制系统的应用

摘要：为了解决陕西省某县城污水处理问题，设计了以BAF法为工艺，以S7-300PLC为核心，应用冗余技术、PROFIBUS现场总线技术的污水处理控制系统，阐述了控制系统的硬件集成。以StepV5．2为开发环境，应用模块化、面向对象的程序设计思想开发了基于BAF工艺的预处理、BAF生物滤池和污泥脱水系统控制的应用程序。系统运行结果表明，控制效果达到了预期目标。
关键词：S7-300PLC；BAF；污水处理；现场总线

    伴随社会经济的发展，现代城市污水量不断增加，工业废水所占比重呈上升趋势。为了改善生态环境，充分进行废物利用，创建节约型、生态型城市。陕西省某县城通过对污水量的预测，结合城市发展前景，确定新建一规模为2×104 m3／d污水处理厂。选用BAF工艺，利用PLC自动化技术进行污水处理。

1 BAF污水处理工艺简介
    BAF即生物曝气滤池(Biological Aerated Filter)，是上世纪80年代法国OTV公司于研究成功的一种新型淹没式生物滤池。污水经格栅去除粗大漂浮、悬浮物后，进入出沉池或水解酸化池进行沉砂、除油和沉淀同时去除部分SS、化学需氧量、BOD等物质，经预处理的污水进入第一级BAF-C／N滤池，绝大部分化学需氧量、BOD在此进行降解，部分氨氮进行硝化，接着污水进入第二级BAF-N滤池(或C／N滤池)，进行氨氮的彻底硝化及化学需氧量，BOD地进一步降解，同时进行化学除磷，以保证出水总磷≤0．5 mg／L，NH3-N≤5 mg／L，TN≤10 mg／L运行过程中，在一二级BAF底部进行供氧滤池运行一段时间后需对滤池进行反冲洗；反冲洗采用气水联合反冲洗，反冲洗污水通过排水缓冲池返回初沉池或水解酸化池，与原污水混和初沉池或水解酸化池的剩余污泥进行脱水处理，泥饼外运处置。若选用DN滤池+C／N滤池的脱氮工艺，则需将C／N滤池的出水回流。具体工艺流程如图1所示。

2 基于BAF工艺的污水处理控制系统设计
    鉴于该污水厂污水处理规模和BAF工艺的特点，本着技术先进，性价比高，实用可靠的原则，采用“集中管理、分散控制”的理念进行污水处理控制系统设计。系统结构如图2所示，包括上位机管理层、下位机控制层和现场设备层。

    1)上位机管理层
    该层设置在中央控制室，包括两台工程师站，主要完成对厂内各设备和仪器仪表的工况进行监测和远程控制，主要设备如格栅机、提升泵、鼓风机、阀门等，并对其信号进行采集显示。仪表工况如生产过程参数(流量、液位等)、水质参数(pH值、SS、DO等)。为了给用户提供一个科学合理的设备检修时间，上位机及时完成对所采集的数据进行处理、储存、显示和打印；并对污水厂重要设备(如提升泵、鼓风机、阀门等)的开／关次数和运行时间进行累计，生成设备管理报表。以上的设备和仪器仪表的监测与远控主要借助于WinCC V6．2组态软件开发的生产工艺流程图和各工艺单元流程图，各种过程参数、水质参数、电气参数的趋势图和生产统计报表。另外，通过界面设置了信号报警和联锁等功能，保证了生产的正常运行。
    2)下位机控制层
    该层选用代表当今潮流的西门子SIMATIC工业自动化产品S7-300PLC为控制核心，设计为软冗余系统。系统以S7-315-2DP CPU作为主站，与上位机管理层计算机采用以太网通信，并以以太网作为冗余网络为基础。与从站分布式I／O之间数据传输采用PROFIBUS-DP协议通讯方式，以确保高实时性和高动态响应要求。
    3)现场设备层
    该层主要为BAF工艺流程各阶段的现场设备和分布式ET200I／0从站，粗细格栅机、运输机、螺旋压渣机、提升泵、鼓风机、刮泥机、排泥泵、阀门等和PH／T、电容式液位计。
    该层根据需要，设置了3个从站，分别完成预处理控制、BAF生物滤池处理、污泥脱水系统处理，主要设备有手动控制、遥控控制、自动控制3种方式，主要通过在控制层PLC中的用户程序实现。

3 系统硬件集成
    1)上位机管理层  上位机管理层设两台研华工控机监控计算机(互为热备)、打印机等。两台ADVANTECH IPC-610、P4／2．8GHz／120Gb ／512Mb／19’LCD互为热备。安装西门子STEP7 V5．4编程软件和西门子WinCC V6．2工业组态软件。
    2)冗余PLC控制层及分布式控制子站  冗余PLC控制层中，PLC采用模块化结构设计的西门子CPU315-2DP可编程控制器。
    ①处理子站(ET200)  本站主要负责粗格栅、细格栅、旋留沉砂池、反应沉淀池的监测控制。
    ②BAF生物滤池子站(ET200)  BAF生物滤池是本污水处理厂的关键，根据工艺要求对滤池的进水调节阀、出水闸门、气冲阀、水冲阀、排水阀、泄气阀及鼓风机、反冲水泵进行监控，来控制滤池的正常过滤和反冲洗这两个过程。实现过程控制可通过手动和自动两种方式。
    ③污泥脱水系统处理(ET200)  根据生产工艺要求，实现对污泥投加絮凝剂、混合、浓缩、脱水功能，最后生成污泥饼外运。
    污水处理控制系统使用PROFIBUS-DP现场总线，冗余了2个从站的分布式I／O，每个冗余的从站有2个PROFIBUS接口，一个是主接口，一个是备用接口。工作中，当主要从站出现故障时，后备从站接管它的功能。该系统从站在两条冗余的PROFIBUS总线上运行。
    根据现场不同测控信号的分析，冗余控制系统模块配置如表1所示。

4 控制系统软件开发
    根据BAF工艺要求，用户程序以西门子StepV5．2为下位机开发环境，运用模块化、面向对象(主要设备)的设计思想，对现场电动阀门、曝气机、鼓风机和水泵等电气设备开关实施顺序控制、时限控制和条件控制。为了提高系统的可靠性，控制程序必须写入冗余段程序。用户程序的设计流程如图3所示。

5 结束语
    系统以PLC为核心，利用BAF工艺和冗余、现场总线技术实现了对整个县城的污水处理。本系统投入运行以来，运行稳定可靠，自动化程度高，经系统处理后的污水达到了国家污水排放标准，完全达到了预期的目标。