摘要：根據guojia可持續發(fā)展戰略部署，針對工業(yè)污水處理的管理要求，該文提出了基于遠程監控的智能化投入式液位計。 依據系統的統一部署，利用中央控制室，根據實(shí)際操作的需要，實(shí)現對現場(chǎng)底層設備進(jìn)行控制。 并且通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現與各個(gè)子控制站以及遠程監控中心的通信，實(shí)現信息實(shí)時(shí)互通。 該系統通過(guò)再循環(huán)裝置設計，實(shí)現污水的進(jìn)一步處理，增加了污水處理的純潔度，通過(guò)固液分離裝置設計，提高了污水處理的質(zhì)量，便于固體雜質(zhì)的收集和利用。 該文有力地將智能控制技術(shù)與通信技術(shù)相結合，實(shí)現了工業(yè)污水的自動(dòng)化、智能化處理，為工業(yè)污水自動(dòng)化智能處理技術(shù)提供了技術(shù)參考。
隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)水平進(jìn)程的加快，工業(yè)污水的排放問(wèn)題也被提上了日程，污水排放問(wèn)題直接影響著(zhù)環(huán)境、人們健康及可持續發(fā)展，是工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題，也是綠色生產(chǎn)、可持續生產(chǎn)必備的環(huán)節 [1] 。 我國“十二五”規劃中的節能減排工作方案和污水處理設施建設規劃，都提到了需要利用合理的污水處理工藝和先金的控制方法策略，實(shí)現污水處理節能減排降耗。 因此，工業(yè)污水處理已經(jīng)成為我國可持續發(fā)展及科學(xué)發(fā)展戰略的重要課題之一。 目前污水處理的常規監控方法難以做到快速、 準確、動(dòng)態(tài)地監控現場(chǎng)，通過(guò)中央控制室不易實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)的檢測情況，使得用戶(hù)難以遠程把握現場(chǎng)的檢測狀況。 并且在污水處理過(guò)程中的多個(gè)底層控制中，比如格柵控制、沉砂池控制、初淀池控制、再循環(huán)控制、漿液過(guò)濾控制、泥漿濃縮控制等，難以做到統一控制，如果每種步驟按照一種控制方式，在多個(gè)流程的控制中，就很難做到統籌，且易造成生產(chǎn)成本過(guò)高 [2] 。 因此，目前已經(jīng)難以滿(mǎn)足越來(lái)越高的工業(yè)監控要求。
基于此，本文提出基于組態(tài) WinCC 軟件的工業(yè)污水自動(dòng)化智能投入式液位計，通過(guò)中央控制室統一部署各個(gè)子控制站的對底層設備的控制，并通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現與底層的通信。
1 污水投入式液位計設計
本文將遠程控制中心與工業(yè)控制計算機、自動(dòng)化控制系統、 PLC 可編程控制器、工業(yè)生產(chǎn)用自動(dòng)化組態(tài)軟件、遠程監控中心、電氣自動(dòng)化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)結合起來(lái)，構建了工業(yè)污水自動(dòng)化
投入式液位計，能夠實(shí)現工業(yè)污水的自動(dòng)化控制、檢測，檢測數據自動(dòng)上傳等，如圖 1 所示。
本文設計的污水投入式液位計通過(guò)工業(yè)控制計算機發(fā)出控制指令， 自動(dòng)化控制系統包括中央控制室、子控制站，通過(guò)呈分布式排列的 PLC 控制站進(jìn)行控制，通過(guò)現場(chǎng)傳感器（比如溫度傳感器、 NO 2 傳感器、 DO 傳感器、濕度傳感器、 pH 傳感器、可燃氣體傳感器、污泥濃度傳感器等）檢測，儀表顯示檢測數據，電氣控制實(shí)現檢測過(guò)程中的電氣控制 [3] 。 在操作時(shí)，工作站人員通過(guò)系統組態(tài)、調控及參數設置，實(shí)現對工業(yè)污水處理過(guò)程數據的采集，并能夠統計采集到的數據，下載數據報表并打印。 管理人員在服務(wù)器端，通過(guò)監控工業(yè)以太網(wǎng)通訊的方式接收的現場(chǎng)數據，并以此為參考，實(shí)現對現場(chǎng)運行情況的分析，并根據管理要求發(fā)出控制、采集等操作指令。如圖 2 所示為污水處理的過(guò)程示意圖。 工業(yè)污水排出后， 污水通過(guò)污水排放管網(wǎng)流入進(jìn)水井，再通過(guò)進(jìn)水井將污水流入粗格柵。 通過(guò)粗格柵過(guò)濾體積比較大的固體，以及固體懸浮物，然后通過(guò)提升泵提升污水，將污水流入細格柵，進(jìn)一步過(guò)濾污水中存在的比較細的漂浮物以及污水浮渣。 該過(guò)程的控制通過(guò)西門(mén)子公司的 S7-300 、 S7-200 系列以及歐姆龍公司的 CJ1W 系列的 PLC 控制系統進(jìn)行控制，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的方式將各個(gè)子控制站和中央控制室連接起來(lái)，形成完整、閉合的通訊系統網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現現場(chǎng)檢測的實(shí)時(shí)監控 [4] 。
然后，再通過(guò)計量渠將經(jīng)過(guò)細格柵的污水流入曝氣沉砂池，進(jìn)一步作污砂分離，將污水中顆粒較大的沙塵過(guò)濾掉。 經(jīng)過(guò)沉砂池的污水在經(jīng)過(guò)初淀池作進(jìn)一步的沉淀。 為了更徹底處理污水中的塵垢，將經(jīng)過(guò)初淀池后的污水經(jīng)過(guò)生物處理，使得污水中的渣垢通過(guò)微生物代謝。 在該步驟中，可加入化學(xué)、生物催化劑，加速代謝 [5] 。 生化處理后的污水流入二沉池，在二沉池中經(jīng)由紫外線(xiàn)照射、消毒，#后進(jìn)行混凝沉淀、過(guò)濾，為了進(jìn)一步提高純凈度，在過(guò)濾后的污水中，利用再循環(huán)裝置再次混凝、沉淀，#后進(jìn)行消毒、出水 [6] 。
另一部分通過(guò)初淀池后的污水可以根據用戶(hù)需求另做處理， 比如通過(guò)漿液過(guò)濾裝置進(jìn)行過(guò)濾，經(jīng)過(guò)漿液過(guò)濾裝置后的污水通過(guò)泥漿濃縮裝置濃縮，濃縮后的污水流入固液分離裝置，然后用戶(hù)根據固體和液體的用途進(jìn)行處理 [7] 。
2 關(guān)鍵技術(shù)設計
2.1 再循環(huán)裝置設計
再循環(huán)裝置能夠對污水進(jìn)行雙重過(guò)濾和超濾，降低了污水內懸浮物的含量，便于將污水內的細菌和有害物質(zhì)過(guò)濾，提高污水凈化的效果。 除此，還能夠清潔濾網(wǎng)，提高過(guò)濾網(wǎng)的清潔度，其整體結構如圖 3 所示。
該裝置包括支撐板，支撐板的上端一側固定有攪拌箱，攪拌箱內設有攪拌腔，攪拌腔內設有攪拌裝置。 攪拌腔內的底部固定有水泵，水泵的一端連接有連接管 [8] 。 支撐板的上端另一側固定有過(guò)濾罐，過(guò)濾罐內設有空腔， 空腔內的頂部貫穿設有套筒，套筒的下端設有初濾裝置， 空腔內設有連接板，連接板的下端固定有多個(gè)連接桿，多個(gè)連接桿上共同包覆有超濾膜，多個(gè)連接桿的下端共同固定有錐形筒，錐形筒的一端依次貫穿空腔內的底部和支撐板并延伸至支撐板的下端，錐形筒的下端連接有出水管，空腔內底部?jì)A斜設置，空腔內的一端側壁上貫穿設有出水管，過(guò)濾罐的一側固定有真空泵，真空泵上連接有真空管，真空管的一端依次貫穿過(guò)濾罐和連接板并延伸至連接板的下端。
在本技術(shù)方案中，通過(guò)攪拌裝置、水泵和初濾裝置之間的配合，便于對污水進(jìn)行過(guò)濾，解決了污水內懸浮物較多的問(wèn)題，達到了將污水內懸浮物凝結并進(jìn)行雙重過(guò)濾的效果，有利于將污水內懸浮物分離。 在本技術(shù)方案中，通過(guò)超濾膜、錐形筒和真空泵之間的配合，解決了污水內小分子有害物質(zhì)不方便過(guò)濾的問(wèn)題，達到了將污水內的細菌和有害物質(zhì)過(guò)濾的效果，進(jìn)一步凈化污水 [9] 。
2.2 固液分離裝置設計
固液分離裝置能夠快速打撈污水的固體雜質(zhì)，通過(guò)對固體雜質(zhì)擠壓和甩干來(lái)進(jìn)行脫水，從而將固體雜質(zhì)中的污水擠出， 以更好地對污水進(jìn)行處理，其整體結構如圖 4 所示。
固液分離裝置包括污水池，污水池內設有打撈裝置，打撈裝置上設有連接管，連接管一側設有擠壓裝置，擠壓裝置上設有輸料管，輸料管的下端貫穿設有承載箱，且承載箱的一側固定在污水池的一側，輸料管的下端設有轉動(dòng)裝置，轉動(dòng)桿裝置上設有套管，且套管的下端延伸至承載箱的下端，套管上等間距設有多個(gè)通孔， 且通孔均位于承載箱內，套管的下端延伸至承載箱的下端，套管上設有閉合裝置，承載箱的另一側固定有驅動(dòng)電機，驅動(dòng)電機和套管之間通過(guò)傳動(dòng)帶傳動(dòng)連接。
在本技術(shù)方案中，通過(guò)驅動(dòng)電機、輸料管、螺旋輸料桿和通孔進(jìn)行配合， 能快速打撈污水池內的固體雜質(zhì)，便于進(jìn)行后續處理，且通孔的設置便于污水回流， 從而減少打撈上來(lái)雜質(zhì)中污水的含量。 在本技術(shù)方案中，通過(guò)其他驅動(dòng)電機、輸料管、螺旋輸料桿的配合，實(shí)現對固體雜質(zhì)進(jìn)行轉動(dòng)、擠壓，進(jìn)而有效地將雜質(zhì)中殘留的污水壓出，使污水回流，有利于對污水做進(jìn)一步的處理。 通過(guò)其他驅動(dòng)電機、地衣套筒、轉動(dòng)裝置和閉合裝置的配合，在對固體雜質(zhì)進(jìn)行擠壓的同時(shí)， 能使對其進(jìn)行甩干脫水，從而能更好地將固體雜質(zhì)中的污水擠出，進(jìn)而提高污水處理的質(zhì)量，便于收集固體雜質(zhì)，以便處理。
3 軟件設計
本文采用上位組態(tài)軟件實(shí)現與中央控制室以及子控制站的通訊，并對多個(gè)子控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，通過(guò)顯示儀表顯示檢測數據，污水處理的控制示意圖如圖 5 所示。 在啟動(dòng)軟件時(shí)，采用上位組態(tài)軟件配備 WinCC 軟件實(shí)現對污水投入式液位計的組態(tài)，WinCC 具有集成的人機界面（ MHI ）系統和監控管理系統 [10] 。 該系統具有很強的工業(yè)適應性，能夠進(jìn)行數據可視化、報警提示、消息歸檔、報表等功能。 WinCC還提供各種 PLC 控制下系統驅動(dòng)軟件，使得 PLC 非常容易地與上位計算機進(jìn)行連接。
在進(jìn)行污水處理時(shí)，用戶(hù)通過(guò)軟件編程將污水處理的各種指令輸入到軟件。 通過(guò)上位機向底層發(fā)出控制命令而實(shí)施。 底層設備包括但不局限于格柵控制、沉砂池控制、初淀池控制、再循環(huán)控制、漿液過(guò)濾控制、泥漿濃縮控制等 [11] 。 中央控制室接收上位機的控制指令，根據控制的類(lèi)型，將命令分發(fā)給各個(gè)子控制室內，不同的子控制室再將控制值傳遞給其范圍內的驅動(dòng)結構。 比如，在通過(guò)水泵將污水泵出時(shí)，通過(guò)液位計檢測水位信息，然后將檢測到的水位數據饋送至控制運算器， PLC 可編程控制器將水位傳感器檢測的檢測值與預期的設定值之間的差來(lái)控制水泵的運行 [12] 。 如果水位升高到設定的水位時(shí)，水泵根據 PLC 可編程控制器根據設定的程序開(kāi)始運行；如果水位降低到設定的程度值時(shí)，啟動(dòng)程序自動(dòng)控制水泵按照設定的程序關(guān)閉。 驅動(dòng)機構通常為電磁閥、伺服電機、電缸等，執行機構為水泵等。 當執行沉砂工作時(shí)，控制沉砂的子控制室將控制命令傳遞到控制沉砂的 PLC 可編程控制器，則執行沉砂操作 [13] 。 當需要執行再循環(huán)工作時(shí)，控制再循環(huán)裝置的子控制室將控制命令傳遞到再循環(huán)裝置的 PLC 可編程控制器，則可執行再循環(huán)操作。 底層工作現場(chǎng)根據軟件組態(tài)顯示工藝流程畫(huà)面 [14] 。 本文設計的組態(tài)軟件能夠生動(dòng)、形象地顯示污水處理情況。 比如顯示現場(chǎng)采集的模擬量信號和數字量信號，通過(guò)文字、圖形的方式來(lái)顯示給用戶(hù)。 污水處理過(guò)程中的工作參數，比如溫度、濕度、液位、流量、壓力等可清楚地顯示 [15] 。 被控制的沉砂池、初淀池、再循環(huán)、漿液過(guò)濾、泥漿等各個(gè)模擬量參數通過(guò)趨勢曲線(xiàn)圖顯示給用戶(hù)使用。 根據用戶(hù)需要可進(jìn)行模擬量的數據歸檔、組態(tài)報表打印等。
4 結語(yǔ)
本文通過(guò)設計出一套工業(yè)污水智能投入式液位計實(shí)現工業(yè)污水自動(dòng)化沉淀、過(guò)濾，采用西門(mén)子公司的 S7-300 、 S7-200 系列以及歐姆龍公司的 CJ1W 系列的 PLC 控制系統對各模塊進(jìn)行控制操作，實(shí)現了污水處理的自動(dòng)化控制過(guò)程。 并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與各個(gè)子控制站和中央控制室信息通訊，實(shí)現檢測數據的實(shí)時(shí)上傳，并配備上位組態(tài) WinCC 軟件實(shí)時(shí)顯示。 本文設計的污水投入式液位計耗能少、成本低、易實(shí)現。 通過(guò)在污水處理廠(chǎng)試運行，大大滿(mǎn)足了污水自動(dòng)化處理的要求，提高了污水處理效率，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
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