基于PLC的大型超濾污水處理控制系統(tǒng)的研究

1、引言：隨著水處理工藝流程的快速發(fā)展，其控制方法也越來越復(fù)雜，而對于大型超濾污水處理系統(tǒng)將存在更多的自動控制難題。如何實(shí)現(xiàn)超濾污水處理系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、可靠及安全的運(yùn)行，將成為大型超濾污水處理系統(tǒng)未來大規(guī)模發(fā)展所需研究的重點(diǎn)。

本文以北京市小紅門污水處理廠60萬噸/天超濾污水處理系統(tǒng)為研究對象，通過對反洗和氣擦洗時廊道競爭問題的解決，不但保證了超濾膜的安全，同時也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的最大化;針對于來水量的非穩(wěn)定性問題，采用自適應(yīng)梯階進(jìn)水控制方法，實(shí)現(xiàn)了“按需控制”的理念，即根據(jù)當(dāng)前實(shí)際需要處理的水量去控制系統(tǒng)的處理能力，保證了整個超濾系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行.

水錘問題一直是限制大型超濾控制系統(tǒng)發(fā)展的問題之一，本研究通過采用變頻S曲線停泵及PWM閥門控制技術(shù)，較好的減少了水錘沖擊。為了實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)水，采用隊(duì)列調(diào)度算法，可以合理解決廊道競爭的問題。引入雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)(大環(huán)+小環(huán))，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、超濾污水處理系統(tǒng)

2.1超濾污水處理系統(tǒng)原理

超濾污水處理是一種與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過程，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動力，以超濾膜為過濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當(dāng)原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細(xì)小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側(cè)，成為濃縮液，因而實(shí)現(xiàn)對原液的的凈化、分離和濃縮的目的。超濾污水處理系統(tǒng)是應(yīng)用大規(guī)模的超濾膜對大量污水的篩選最終達(dá)到凈化篩選的功能，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的效果。本文研究的系統(tǒng)所采用的是碧水源超濾膜。

2.2超濾污水處理控制概況

超濾污水處理控制系統(tǒng)是通過采用自動化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超濾污水處理系統(tǒng)的自動控制及自動生產(chǎn)的系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化PLC作為主控制器，以閥島作為遠(yuǎn)程I/O來控制系統(tǒng)中的廊道氣動閥，通過“主環(huán)+子環(huán)”的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，將各個站點(diǎn)進(jìn)行連接通訊。

圖1為本系統(tǒng)的硬件配置圖。本系統(tǒng)共由三個主站和48個子站構(gòu)成，三個主站都具有以太網(wǎng)通信功能，并自成一個大環(huán)網(wǎng)。每個主站下分別連接有16個子站，這16個子站自成為一個小環(huán)網(wǎng)。為了后續(xù)描述方便，我們將三個主站和48個子站分別作了編號和區(qū)域劃分命名。

具體分為1號主站和其下的16個子站，我們將其稱為超濾1系列，其內(nèi)16個子站我們將其按廊道號一一對應(yīng)成為1至16號子站。2號主站及其下的16個子站稱為超濾2系列，同理其子站編號為17至32號子站。3號主站及其下的16個子站稱為超濾3系列，同理其子站編號為33至48號子站與超濾的33號至48號廊道設(shè)備一一對應(yīng)。

每個子站是具有以太網(wǎng)口的，且每個系列的16個子站從地理位置來講，距離較近，因此系統(tǒng)中采用4組閥島子站共用一個交換機(jī)。交換機(jī)與交換機(jī)之間采用光纖鏈接。閥島與交換機(jī)之間采用雙絞線鏈接。超濾系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)位于大環(huán)網(wǎng)中，可對整個超濾系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3、超濾污水處理控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)從控制功能上將分為進(jìn)水控制、產(chǎn)水及酸堿清洗控制、水錘及其他附屬控制三部分。

3.1進(jìn)水控制

進(jìn)水控制需要實(shí)現(xiàn)將集水池中的水注入超濾膜中。但是在注入過程中，考慮到超濾膜絲的耐壓性，因此應(yīng)使用恒壓的方式向超濾膜注水。集水池作為一個緩沖來水的容器，有一定的水量承載能力，但是不能進(jìn)行大量未為承載，只能應(yīng)變小水量的變化，因此在控制中需要考慮到來水量的變化對集水池沖擊的同時，還應(yīng)充分考慮超濾膜的處理水量的能力問題。

本系統(tǒng)每個系列由8臺進(jìn)水泵，分別需要采用恒壓進(jìn)水的方式。壓力的設(shè)定與產(chǎn)水的流量是一一對應(yīng)，此參數(shù)由碧水源超濾膜的性能決定，可根據(jù)其產(chǎn)品說明書中查詢參數(shù)對照表。在正常運(yùn)行過程中，集水池的液位應(yīng)保持在一個安全的液位范圍內(nèi)。但是集水池的來水量隨著每天人們生活排水量決定，而排水量又與人們的日常生活習(xí)慣有關(guān)。

二十四小時平均進(jìn)水量趨勢圖如圖2所示，從圖可以看出，在早上7點(diǎn)左右進(jìn)水量逐漸增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)十一點(diǎn)左右到達(dá)第一次峰值。這是由于人們早上用水量增大，通常情況下早上七點(diǎn)左右為用水高峰，而通過管網(wǎng)的延時，導(dǎo)致進(jìn)水量在十點(diǎn)左右到達(dá)高峰。同樣的十三點(diǎn)和第二天零點(diǎn)分別是兩次進(jìn)水高峰。第三次高峰段的延長是由于這段時間人們生活所致，例如晚飯時間用水及洗澡時間的用水等造成水量的持續(xù)高峰。

針對于每天用水高峰，我們可以在水處理進(jìn)水控制部分實(shí)時調(diào)節(jié)處理量參數(shù)來解決，但是過于頻繁的調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)對于整個膜系統(tǒng)會有較大的影響。第一，過于頻繁調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)會導(dǎo)致超濾膜所受壓力頻繁變化，而且由于過于頻繁壓力變化會存在較多的尖峰，這些壓力峰值容易對超濾膜產(chǎn)生壓力沖擊，不利于膜的壽命。

第二，頻繁調(diào)節(jié)水處理量參數(shù)容易導(dǎo)致其他附屬設(shè)備的頻繁調(diào)整，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且也會削減其附屬設(shè)備的壽命。但是不去按照來水量去調(diào)整水處理量很容易造成集水池外溢或處理不及時相關(guān)連帶后果。因此進(jìn)水控制方面既要去滿足自適應(yīng)進(jìn)水量去控制進(jìn)水，又不能過于頻繁的操作水處理量參數(shù)。

基于以上問題，我們提出了一種自適應(yīng)梯階進(jìn)水的控制方法，此方法既可以滿足根據(jù)來水量的變化對水處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，又不會頻繁的調(diào)整水處理參數(shù)，進(jìn)而可以根據(jù)來水量大小對產(chǎn)水量的大小進(jìn)行自動調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)自適應(yīng)來水量的產(chǎn)水功能。

我們假設(shè)t時刻來水流量為Fi(t)，集水池的液位就為L(t)，S為集水池的底面積，膜進(jìn)水量Fo(t),ΔL_i(t)為來水液位增量，L_(t-1)(t)為t-1時的液位，ΔL_o(t)為超濾系統(tǒng)處理產(chǎn)量對業(yè)務(wù)液位增量?？傻弥?/p>

首先從公式(4)中可以看出為了讓L(t)達(dá)到一個相對穩(wěn)定的值，必須讓F_i(t)與F_o(t)接近。但是實(shí)際是不可能接近的，而且不能實(shí)時逼近。因?yàn)槿绻麑?shí)時逼近，則會造成超濾系統(tǒng)水處理參數(shù)頻繁變化。因此將其變換為公式(6),我們?yōu)榱耸笷_o(t)不頻繁變動，即給它暫時設(shè)定一個固定值，這樣對于F_i(t)的一個范圍，這時會存在一個ΔL(t)的范圍與之對應(yīng)，L_(t-1)(t)是前一次的時刻值,運(yùn)用遞歸的思想，可以將其考慮為一個固定值，這樣便可以將來水量范圍轉(zhuǎn)換為一個固定處理水量F_o(t)和一個液位L(t)的一個范圍。

根據(jù)本超濾系統(tǒng)進(jìn)水的規(guī)律，通過多次的實(shí)驗(yàn)測試，我們最終定下了一組更適合本超濾系統(tǒng)的液位范圍和流量的對應(yīng)數(shù)據(jù)組，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1是本系統(tǒng)中梯階自適應(yīng)液位與流量壓力的參數(shù)對照表。這里的壓力與流量是對應(yīng)的，其壓力是根據(jù)膜的參數(shù)信息進(jìn)行對照查詢所得。液位與流量則是通過粗略計(jì)算和實(shí)驗(yàn)矯正所得。當(dāng)集水池液位大于6米時，存在溢出風(fēng)險，這個時候系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)?shù)陀?米時，為了防止提升泵干抽，我們將停止系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過按照表1的參數(shù)控制，本系統(tǒng)可以較好的應(yīng)對來水量的變化，并且系統(tǒng)水處理參數(shù)也不會頻繁變化。

3.2過濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制

超濾系統(tǒng)中過濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制是超濾控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。超濾過濾產(chǎn)水過程是一個多時段不同事件的運(yùn)行過程。這個過程包含了產(chǎn)水、水反洗、氣水反洗及排空四個階段。同一廊道每個階段是唯一的。其中產(chǎn)水階段的運(yùn)行直接與產(chǎn)量掛鉤，其他階段只是為了對超濾膜進(jìn)行保護(hù)。

單廊道的過濾產(chǎn)水過程流程圖如圖3所示。從圖中可看出超濾產(chǎn)水過程所包含的四個階段依次順序執(zhí)行，之后再次循環(huán)。在這四個階段只有產(chǎn)水和排空是屬于單個廊道的獨(dú)立行為，而單個廊道進(jìn)行水反洗、氣水反洗階段時所使用的設(shè)備是廊道的公共設(shè)備，即氣擦洗空壓機(jī)、反洗水泵及其他附屬公共設(shè)備。

因此在進(jìn)行水反洗和氣水反洗時，每個時間段應(yīng)最多有一個廊道且最多僅有一個廊道進(jìn)行此階段的行為。但是實(shí)際運(yùn)行中，由于多廊道都運(yùn)行在正常的過濾產(chǎn)水過程中，這樣就會造成廊道與廊道之間的水反洗或氣水反洗的沖突。通常將水反洗和氣水反洗統(tǒng)稱為反洗。將各廊道過濾產(chǎn)水過程的反洗階段的沖突的現(xiàn)象稱為廊道反洗競爭，簡稱廊道競爭。

在過濾產(chǎn)水清洗過程中對廊道競爭問題處理不合理的話容易使超濾系統(tǒng)產(chǎn)量降低，甚至很有可能降低超濾膜的壽命。因?yàn)楫?dāng)很多廊道同時請求反洗時，如果不能得到及時反洗且繼續(xù)工作過長時間，會對膜壽命有影響。

但是如果多個廊道有反洗請求，正在反洗一個廊道，而其他具有反洗請求的廊道等待的話，這樣超濾系統(tǒng)的產(chǎn)量又會降低。而且隨著廊道數(shù)量的增加，廊道競爭現(xiàn)象越劇烈。因此解決廊道競爭問題實(shí)際是對于競爭廊道的反洗請求即要及時(相對)響應(yīng)，又要處理好競爭廊道的運(yùn)行狀態(tài)。

這里我們采用隊(duì)列法來處理廊道競爭問題。隊(duì)列法是一種遵循先進(jìn)先出原則的調(diào)度方法。具體原理如圖4所示。隊(duì)列調(diào)度由入隊(duì)列、出隊(duì)列和調(diào)度隊(duì)列空間三部分組成。入隊(duì)列是根據(jù)廊道反洗請求情況將有反洗需求的廊道壓入到隊(duì)列空間的過程。出隊(duì)列則是根據(jù)當(dāng)前的反洗設(shè)備的運(yùn)行狀況將需要反洗的廊道彈出隊(duì)列的過程。反洗調(diào)度隊(duì)列空間即扮演一個存儲調(diào)度序列的角色，同時其還具有優(yōu)化和排布序列的功能。

下面是將一個廊道反洗請求入隊(duì)列的過程：

查詢是否有反洗請求，如果有進(jìn)行到下一步，否則繼續(xù)查詢。

查詢隊(duì)列空間是否為空，如果為空且有廊道正在反洗，則將此反洗請求壓入隊(duì)列調(diào)度空間后進(jìn)行下一步;如果為空且無正在反洗廊道，則直接響應(yīng)此廊道反洗請求，并返回至(1);如果隊(duì)列空間非空，則直接將此反洗請求壓入隊(duì)列調(diào)度空間后進(jìn)行下一步。

清除此廊道的反洗請求。

如上為此入隊(duì)列的步驟，但是可以看出對于入隊(duì)列步驟的第二步邏輯過于混亂，對于PLC來說，太耗資源，因此我們對以上步驟進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：

查詢是否有反洗請求，如果有進(jìn)行下一步，否則繼續(xù)查詢。

查詢是否有廊道正在反洗，如果無廊道清洗，直接響應(yīng)反洗請求，并返回(1);否則進(jìn)行下一步。

將此廊道的反洗請求壓入隊(duì)列空間，并清除此廊道的反洗請求。

可以看出在第二步時，首先查詢“是否有廊道正在反洗”可以避免在此查詢隊(duì)列空間，對于入隊(duì)列效率有所提高。

出隊(duì)列實(shí)際上是對按照隊(duì)列空間的排列順序?qū)λ璺聪吹睦鹊肋M(jìn)行彈出的過程，此過程的具體步驟如下：

查詢是地址空間是否為空，如果是，繼續(xù)查詢，否則下一步。

查詢是否有廊道正在反洗，如果是，繼續(xù)返回(1)，否則下一步。

就近對彈出隊(duì)列空間的所需反洗的廊道，響應(yīng)此廊道的反洗。

確認(rèn)彈出的廊道，并清楚殘留在隊(duì)列空間此廊道占位。

對隊(duì)列空間序列進(jìn)行進(jìn)位排列，并返回(1)。

如上描述了整個出隊(duì)列的過程，其(3)的“就近”指的是離出隊(duì)列進(jìn)出口最近方向。

通過對調(diào)度隊(duì)列的各部分的描述，可以看出，隊(duì)列調(diào)度具有以下的特點(diǎn)：(1)時效性。在整個隊(duì)列調(diào)度過程中，由于入口和出口的分開方式，包成了出口按需彈出隊(duì)列，入口按實(shí)際情況進(jìn)行壓入隊(duì)列。(2)先進(jìn)先出。在整個超濾產(chǎn)水過程中，采用先進(jìn)先出的方式，可以保證需反洗的廊道的等待時間不會過長，最終保證了每個廊道響應(yīng)反洗的等待時間達(dá)到最短，也保證了每個廊道的等待時間達(dá)到均衡，增強(qiáng)了廊道競爭的公平性。

其次關(guān)于超濾中的酸堿洗，則是按照用戶要求進(jìn)行，這里時間存在隨機(jī)性，因此不做贅述。

3.3水錘及其他附屬控制

因開泵、停泵、開關(guān)閥門過于快速，使水的速度發(fā)生急劇變化，特別是突然停泵引起的水錘，可以破壞管道、水泵、閥門，并引起水泵反轉(zhuǎn)，管網(wǎng)壓力降低等。水錘效應(yīng)有極大的破壞性：壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌，還會損壞閥門和固定件。在極短的時間里，水的流量從零增到額定流量。由于流體具有動能和一定程度的壓縮性，因此在極短的時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高和過低的沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱為水錘。

由于本超濾系統(tǒng)規(guī)模大，管道粗，水錘明顯。水錘位置主要存在于本系統(tǒng)的提升泵出水管、反洗管、超濾膜進(jìn)水管及超濾膜出水管中。對于這些管道及設(shè)備安裝位置可知，各位置引起水錘原因是有所不同，具體如表2所示：

從表2可以看出，在本系統(tǒng)中造成水錘效應(yīng)的設(shè)備主要分為水泵和氣動閥。因此我們?nèi)绻鳒p或消除水錘的話，則也許從這兩個方面考慮。

通過對現(xiàn)場的觀察和計(jì)算，我們得知水錘主要存在于關(guān)閥和停泵時，且屬于直接水錘。而直接水錘與停泵時間及關(guān)閥速度有關(guān)系，因此要解決直接水錘，在水泵方面應(yīng)采用水泵緩?fù)５姆绞絹斫鉀Q，而對于氣動閥換面關(guān)閉的實(shí)現(xiàn)，我們采用PWM控制的方式來控制氣動閥的緩慢關(guān)閉。

在本系統(tǒng)中提升泵、反洗水泵均為變頻控制，因此我們可以采用通過設(shè)置變頻器的停車時間和停車方式來實(shí)現(xiàn)。并且在多次試驗(yàn)后，停車方式采用S曲線停車效果較好。在停車時間方面，測試得出，本系統(tǒng)提升泵停車時間設(shè)置為25.3秒為最佳，而反洗水泵停車時間設(shè)置為11.5秒為最佳。

針對于氣動閥緩慢關(guān)閉的功能，我們采用PWM的控制方法。本系統(tǒng)中，對氣動閥的控制采用閥島。閥島控制是通過閥島上的可編程控制器直接控制氣缸的通斷來實(shí)現(xiàn)氣動閥的打開或關(guān)閉。由于其對氣缸開閉進(jìn)行直接控制，因此具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

我們可以通過控制PWM的占空比來可以控制氣缸開度，進(jìn)而通過對PWM占空比實(shí)時調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)氣動閥的緩開緩閉。對于占空比的調(diào)整，我們假設(shè)一個氣動閥需要緩慢關(guān)閉，要求關(guān)閉時間為8s，則占空比的從100%到0的調(diào)整時間就為8s。如果需要精確的話，可以考慮到氣動閥的氣動裝置的延遲時間，便可實(shí)現(xiàn)精確地緩閉時間控制。通過對關(guān)閉時間的測試，本系統(tǒng)中超濾膜進(jìn)水管緩閉時間設(shè)置為8.6秒水錘最弱，產(chǎn)水氣動閥的緩閉時間設(shè)置為7秒時水錘最弱。

超濾系統(tǒng)中還包含了氣擦洗、儀表空壓機(jī)等附屬設(shè)備的控制，其控制主要是與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動，所以這里不在贅述。

4、結(jié)語

采用自適應(yīng)梯階進(jìn)水方式，將集水池液位始終穩(wěn)定在一個安全的范圍內(nèi)，特別是在來水高峰期時，效果較為明顯。使用隊(duì)列調(diào)度法，較好地解決了大型超濾系統(tǒng)中的廊道競爭問題，從了提高了本超濾系統(tǒng)的產(chǎn)量。采用S曲線停泵及PWM閥門緩閉的控制方法，削減了水錘效應(yīng)，增強(qiáng)了管道的安全及穩(wěn)定性。通過以上的技術(shù)應(yīng)用，保證了北京市小紅門污水處理廠超濾系統(tǒng)長期高效、穩(wěn)定、可靠及安全的運(yùn)行。