基于PLC的大型超滤污水处理控制系统的研究

1、引言

随着水处理工艺流程的快速发展，其控制方法也越来越复杂，而对于大型超滤污水处理系统将存在更多的自动控制难题。如何实现超滤污水处理系统高效、稳定、可靠及安全的运行，将成为大型超滤污水处理系统未来大规模发展所需研究的重点。本文以北京市小红门污水处理厂60万吨/天超滤污水处理系统为研究对象，通过对反洗和气擦洗时廊道竞争问题的解决，不但保证了超滤膜的安全，同时也实现了产量的最大化;针对于来水量的非稳定性问题，采用自适应梯阶进水控制方法，实现了“按需控制”的理念，即根据当前实际需要处理的水量去控制系统的处理能力，保证了整个超滤系统的持续稳定的运行;水锤问题一直是限制大型超滤控制系统发展的问题之一，本研究通过采用变频S曲线停泵及PWM阀门控制技术，较好的减少了水锤冲击。为了实现高效产水，采用队列调度算法，可以合理解决廊道竞争的问题。引入双环网技术(大环+小环)，实现了整个系统的稳定性。

2、超滤污水处理系统

       2.1超滤污水处理系统原理

超滤污水处理是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的的净化、分离和浓缩的目的。超滤污水处理系统是应用大规模的超滤膜对大量污水的筛选最终达到净化筛选的功能，从而实现污水处理的效果。本文研究的系统所采用的是碧水源超滤膜。

2.2超滤污水处理控制概况

超滤污水处理控制系统是通过采用自动化控制技术，实现超滤污水处理系统的自动控制及自动生产的系统。本控制系统采用罗克韦尔自动化PLC作为主控制器，以阀岛作为远程I/O来控制系统中的廊道气动阀，通过“主环+子环”的系统网络，将各个站点进行连接通讯。

图1为本系统的硬件配置图。本系统共由三个主站和48个子站构成，三个主站都具有以太网通信功能，并自成一个大环网。每个主站下分别连接有16个子站，这16个子站自成为一个小环网。为了后续描述方便，我们将三个主站和48个子站分别作了编号和区域划分命名。具体分为1号主站和其下的16个子站，我们将其称为超滤1系列，其内16个子站我们将其按廊道号一一对应成为1至16号子站。2号主站及其下的16个子站称为超滤2系列，同理其子站编号为17至32号子站。3号主站及其下的16个子站称为超滤3系列，同理其子站编号为33至48号子站与超滤的33号至48号廊道设备一一对应。

每个子站是具有以太网口的，且每个系列的16个子站从地理位置来讲，距离较近，因此系统中采用4组阀岛子站共用一个交换机。交换机与交换机之间采用光纤链接。阀岛与交换机之间采用双绞线链接。超滤系统上位机监控系统位于大环网中，可对整个超滤系统进行监控。

3、超滤污水处理控制系统

本系统从控制功能上将分为进水控制、产水及酸碱清洗控制、水锤及其他附属控制三部分。

3.1进水控制

进水控制需要实现将集水池中的水注入超滤膜中。但是在注入过程中，考虑到超滤膜丝的耐压性，因此应使用恒压的方式向超滤膜注水。集水池作为一个缓冲来水的容器，有一定的水量承载能力，但是不能进行大量未为承载，只能应变小水量的变化，因此在控制中需要考虑到来水量的变化对集水池冲击的同时，还应充分考虑超滤膜的处理水量的能力问题。

本系统每个系列由8台进水泵，分别需要采用恒压进水的方式。压力的设定与产水的流量是一一对应，此参数由碧水源超滤膜的性能决定，可根据其产品说明书中查询参数对照表。在正常运行过程中，集水池的液位应保持在一个安全的液位范围内。但是集水池的来水量随着每天人们生活排水量决定，而排水量又与人们的日常生活习惯有关。

二十四小时平均进水量趋势图如图2所示，从图可以看出，在早上7点左右进水量逐渐增大，当到达十一点左右到达第一次峰值。这是由于人们早上用水量增大，通常情况下早上七点左右为用水高峰，而通过管网的延时，导致进水量在十点左右到达高峰。同样的十三点和第二天零点分别是两次进水高峰。第三次高峰段的延长是由于这段时间人们生活所致，例如晚饭时间用水及洗澡时间的用水等造成水量的持续高峰。

针对于每天用水高峰，我们可以在水处理进水控制部分实时调节处理量参数来解决，但是过于频繁的调节水处理量参数对于整个膜系统会有较大的影响。第一，过于频繁调节水处理量参数会导致超滤膜所受压力频繁变化，而且由于过于频繁压力变化会存在较多的尖峰，这些压力峰值容易对超滤膜产生压力冲击，不利于膜的寿命。第二，频繁调节水处理量参数容易导致其他附属设备的频繁调整，影响整个系统的稳定性，而且也会削减其附属设备的寿命。但是不去按照来水量去调整水处理量很容易造成集水池外溢或处理不及时相关连带后果。因此进水控制方面既要去满足自适应进水量去控制进水，又不能过于频繁的操作水处理量参数。

基于以上问题，我们提出了一种自适应梯阶进水的控制方法，此方法既可以满足根据来水量的变化对水处理参数进行调整，又不会频繁的调整水处理参数，进而可以根据来水量大小对产水量的大小进行自动调整，最终实现根据自适应来水量的产水功能。

我们假设t时刻来水流量为Fi(t)，集水池的液位就为L(t)，S为集水池的底面积，膜进水量Fo(t),ΔL_i(t)为来水液位增量，L_(t-1)(t)为t-1时的液位，ΔL_o(t)为超滤系统处理产量对业务液位增量。可得知：