基于PLC的大型超濾污水處理控制系統的研究

★溫強華，趙江華，郝金光（北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206）

基于PLC的大型超濾污水處理控制系統的研究

★溫強華，趙江華，郝金光（北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206）

通過對超濾污水處理系統中存在產水效率低、系統不穩定性、水錘嚴重等問題的研究，本文引入了“廊道競爭”、“自適應梯階進水”、“S曲線停泵”、“PWM閥門控制”等控制方法，最終實現了超濾污水處理系統的長期穩定高效可靠運行。

超濾；廊道競爭；水錘；自適應；PWM

1 引言

隨著水處理工藝流程的快速發展，其控制方法也越來越復雜，而對于大型超濾污水處理系統將存在更多的自動控制難題。如何實現超濾污水處理系統高效、穩定、可靠及安全的運行，將成為大型超濾污水處理系統未來大規模發展所需研究的重點。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，同時也實現了產量的最大化；針對于來水量的非穩定性問題，采用自適應梯階進水控制方法，實現了“按需控制”的理念，即根據當前實際需要處理的水量去控制系統的處理能力，保證了整個超濾系統的持續穩定的運行；水錘問題一直是限制大型超濾控制系統發展的問題之一，本研究通過采用變頻S曲線停泵及PWM閥門控制技術，較好的減少了水錘沖擊。為了實現高效產水，采用隊列調度算法，可以合理解決廊道競爭的問題。引入雙環網技術（大環+小環），實現了整個系統的穩定性。

2 超濾污水處理系統

2.1 超濾污水處理系統原理

超濾污水處理是一種與膜孔徑大小相關的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的的凈化、分離和濃縮的目的。超濾污水處理系統是應用大規模的超濾膜對大量污水的篩選最終達到凈化篩選的功能，從而實現污水處理的效果。本文研究的系統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是通過采用自動化控制技術，實現超濾污水處理系統的自動控制及自動生產的系統。本控制系統采用羅克韋爾自動化PLC作為主控制器，以閥島作為遠程I/O來控制系統中的廊道氣動閥，通過“主環+子環”的系統網絡，將各個站點進行連接通訊。

圖1為本系統的硬件配置圖。本系統共由三個主站和48個子站構成，三個主站都具有以太網通信功能，并自成一個大環網。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網。為了后續描述方便，我們將三個主站和48個子站分別作了編號和區域劃分命名。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16個子站我們將其按廊道號一一對應成為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號廊道設備一一對應。

圖1 超濾自動控制系統配置圖

每個子站是具有以太網口的，且每個系列的16個子站從地理位置來講，距離較近，因此系統中采用4組閥島子站共用一個交換機。交換機與交換機之間采用光纖鏈接。閥島與交換機之間采用雙絞線鏈接。超濾系統上位機監控系統位于大環網中，可對整個超濾系統進行監控。

3 超濾污水處理控制系統

本系統從控制功能上將分為進水控制、產水及酸堿清洗控制、水錘及其他附屬控制三部分。

3.1 進水控制

進水控制需要實現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，但是不能進行大量未為承載，只能應變小水量的變化，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，還應充分考慮超濾膜的處理水量的能力問題。

本系統每個系列由8臺進水泵，分別需要采用恒壓進水的方式。壓力的設定與產水的流量是一一對應，此參數由碧水源超濾膜的性能決定，可根據其產品說明書中查詢參數對照表。在正常運行過程中，集水池的液位應保持在一個安全的液位范圍內。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慣有關。

二十四小時平均進水量趨勢圖如圖2所示，從圖可以看出，在早上7點左右進水量逐漸增大，當到達十一點左右到達第一次峰值。這是由于人們早上用水量增大，通常情況下早上七點左右為用水高峰，而通過管網的延時，導致進水量在十點左右到達高峰。同樣的十三點和第二天零點分別是兩次進水高峰。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高峰。

圖2 集水池平均來水量趨勢圖

針對于每天用水高峰，我們可以在水處理進水控制部分實時調節處理量參數來解決，但是過于頻繁的調節水處理量參數對于整個膜系統會有較大的影響。第一，過于頻繁調節水處理量參數會導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生壓力沖擊，不利于膜的壽命。第二，頻繁調節水處理量參數容易導致其他附屬設備的頻繁調整，影響整個系統的穩定性，而且也會削減其附屬設備的壽命。但是不去按照來水量去調整水處理量很容易造成集水池外溢或處理不及時相關連帶后果。因此進水控制方面既要去滿足自適應進水量去控制進水，又不能過于頻繁的操作水處理量參數。

基于以上問題，我們提出了一種自適應梯階進水的控制方法，此方法既可以滿足根據來水量的變化對水處理參數進行調整，又不會頻繁的調整水處理參數，進而可以根據來水量大小對產水量的大小進行自動調整，最終實現根據自適應來水量的產水功能。

我們假設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，膜進水量Fo(t),?L_i (t)為來水液位增量，L_(t-1) (t)為t-1時的液位，?L_o (t)為超濾系統處理產量對業務液位增量?？傻弥?/p>

?L_i (t)=?t (F_i (t))/S (1)

?L_o (t)=?t (F_o (t))/S (2)

L(t)=L_(t-1) (t)+?L_i (t)-?L_o (t) (3)

將（1）、（2）帶入公式（3）中：

L(t) =L_(t-1) (t)+?t (F_i (t))/S-?t (F_o (t))/S(4)

將公式做變換得公式（5）,（6）：

F_i (t)=(L(t)-L_(t-1) (t))S/?t+F_o (t) (5)

假設?L(t)=L(t)-L_(t-1) (t)，將其帶入（5）可得公式（6）

F_i (t)=(?L(t)S)/?t+F_o (t) (7)

首先從公式（4）中可以看出為了讓L(t)達到一個相對穩定的值，必須讓F_i (t)與F_o (t)接近。但是實際是不可能接近的，而且不能實時逼近。因為如果實時逼近，則會造成超濾系統水處理參數頻繁變化。因此將其變換為公式（6）,我們為了使F_o (t)不頻繁變動，即給它暫時設定一個固定值，這樣對于F_i (t)的一個范圍，這時會存在一個?L(t)的范圍與之對應，L_(t-1) (t)是前一次的時刻值,運用遞歸的思想，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。

根據本超濾系統進水的規律，通過多次的實驗測試，我們最終定下了一組更適合本超濾系統的液位范圍和流量的對應數據組，具體對應關系如表1所示：

表1 自適應梯階進水參數對照表

表1是本系統中梯階自適應液位與流量壓力的參數對照表。這里的壓力與流量是對應的，其壓力是根據膜的參數信息進行對照查詢所得。液位與流量則是通過粗略計算和實驗矯正所得。當集水池液位大于6米時，存在溢出風險，這個時候系統滿負荷運行。當低于3米時，為了防止提升泵干抽，我們將停止系統運轉。

通過按照表1的參數控制，本系統可以較好的應對來水量的變化，并且系統水處理參數也不會頻繁變化。

3.2 過濾產水及酸堿清洗控制

超濾系統中過濾產水及酸堿清洗控制是超濾控制系統研究的重點之一。超濾過濾產水過程是一個多時段不同事件的運行過程。這個過程包含了產水、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。其中產水階段的運行直接與產量掛鉤，其他階段只是為了對超濾膜進行保護。

單廊道的過濾產水過程流程圖如圖3所示。從圖中可看出超濾產水過程所包含的四個階段依次順序執行，之后再次循環。在這四個階段只有產水和排空是屬于單個廊道的獨立行為，而單個廊道進行水反洗、氣水反洗階段時所使用的設備是廊道的公共設備，即氣擦洗空壓機、反洗水泵及其他附屬公共設備。因此在進行水反洗和氣水反洗時，每個時間段應最多有一個廊道且最多僅有一個廊道進行此階段的行為。但是實際運行中，由于多廊道都運行在正常的過濾產水過程中，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稱為反洗。將各廊道過濾產水過程的反洗階段的沖突的現象稱為廊道反洗競爭，簡稱廊道競爭。

圖3 單廊道過濾產水過程流程圖

在過濾產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產量降低，甚至很有可能降低超濾膜的壽命。因為當很多廊道同時請求反洗時，如果不能得到及時反洗且繼續工作過長時間，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，這樣超濾系統的產量又會降低。而且隨著廊道數量的增加，廊道競爭現象越劇烈。因此解決廊道競爭問題實際是對于競爭廊道的反洗請求即要及時（相對）響應，又要處理好競爭廊道的運行狀態。

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

圖4 隊列調度法原理

下面是將一個廊道反洗請求入隊列的過程：

查詢是否有反洗請求，如果有進行到下一步，否則繼續查詢。

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

清除此廊道的反洗請求。

如上為此入隊列的步驟，但是可以看出對于入隊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行優化，具體步驟如下：

查詢是否有反洗請求，如果有進行下一步，否則繼續查詢。

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

將此廊道的反洗請求壓入隊列空間，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列空間，對于入隊列效率有所提高。

出隊列實際上是對按照隊列空間的排列順序對所需反洗的廊道進行彈出的過程，此過程的具體步驟如下：

查詢是地址空間是否為空，如果是，繼續查詢，否則下一步。

查詢是否有廊道正在反洗，如果是，繼續返回（1），否則下一步。

就近對彈出隊列空間的所需反洗的廊道，響應此廊道的反洗。

確認彈出的廊道，并清楚殘留在隊列空間此廊道占位。

對隊列空間序列進行進位排列，并返回（1）。

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

通過對調度隊列的各部分的描述，可以看出，隊列調度具有以下的特點：（1）時效性。在整個隊列調度過程中，由于入口和出口的分開方式，包成了出口按需彈出隊列，入口按實際情況進行壓入隊列。（2）先進先出。在整個超濾產水過程中，采用先進先出的方式，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反洗的等待時間達到最短，也保證了每個廊道的等待時間達到均衡，增強了廊道競爭的公平性。

其次關于超濾中的酸堿洗，則是按照用戶要求進行，這里時間存在隨機性，因此不做贅述。

3.3 水錘及其他附屬控制

因開泵、停泵、開關閥門過于快速，使水的速度發生急劇變化，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，管網壓力降低等。水錘效應有極大的破壞性：壓強過高，將引起管子的破裂，反之，壓強過低又會導致管子的癟塌，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流量的巨大變化將引起對管道的壓強過高和過低的沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產生噪聲，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱為水錘。

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

表2 水錘分布及引起水錘設備照表

從表2可以看出，在本系統中造成水錘效應的設備主要分為水泵和氣動閥。因此我們如果削減或消除水錘的話，則也許從這兩個方面考慮。

通過對現場的觀察和計算，我們得知水錘主要存在于關閥和停泵時，且屬于直接水錘。而直接水錘與停泵時間及關閥速度有關系，因此要解決直接水錘，在水泵方面應采用水泵緩停的方式來解決，而對于氣動閥換面關閉的實現，我們采用PWM控制的方式來控制氣動閥的緩慢關閉。

在本系統中提升泵、反洗水泵均為變頻控制，因此我們可以采用通過設置變頻器的停車時間和停車方式來實現。并且在多次試驗后，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，本系統提升泵停車時間設置為25.3秒為最佳，而反洗水泵停車時間設置為11.5秒為最佳。

針對于氣動閥緩慢關閉的功能，我們采用PWM的控制方法。本系統中，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現氣動閥的打開或關閉。由于其對氣缸開閉進行直接控制，因此具有響應速度快的特點。我們可以通過控制PWM的占空比來可以控制氣缸開度，進而通過對PWM占空比實時調整，可以實現氣動閥的緩開緩閉。對于占空比的調整，我們假設一個氣動閥需要緩慢關閉，要求關閉時間為8s，則占空比的從100%到0的調整時間就為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，便可實現精確地緩閉時間控制。通過對關閉時間的測試，本系統中超濾膜進水管緩閉時間設置為8.6秒水錘最弱，產水氣動閥的緩閉時間設置為7秒時水錘最弱。

超濾系統中還包含了氣擦洗、儀表空壓機等附屬設備的控制，其控制主要是與相關設備的聯動，所以這里不在贅述。

4 結語

采用自適應梯階進水方式，將集水池液位始終穩定在一個安全的范圍內，特別是在來水高峰期時，效果較為明顯。使用隊列調度法，較好地解決了大型超濾系統中的廊道競爭問題，從了提高了本超濾系統的產量。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，增強了管道的安全及穩定性。通過以上的技術應用，保證了北京市小紅門污水處理廠超濾系統長期高效、穩定、可靠及安全的運行。

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Research of Large Ultraf i ltration Sewage Treatment Control System Based on PLC

Trough the research of the problems such as low water efficiency, system instability, serious water hammer and other issues in the ultrafiltration sewage treatment system, this paper introduces the control methods such as "Corridor competition", "Adaptive ladder water", "S curve pump off" and "PWM valve control", and finally realized the long term stable, efficient and reliable operation of ultrafiltration sewage treatment system.

Ultrafiltration; Corridor competition; Water hammer; Adaptive; PWM

溫強華（1986-）,男，北京人，工程師，碩士，現就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統工作。

B

1003-0492(2017)05-0099-05

TP273

趙江華（1974-），男，黑龍江人，中級工程師，本科，現就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事水處理電控系統工作。

郝金光（1971-），男，北京人，高級工程師，碩士，現任北京碧水源科技股份有限公司的技術副總監兼部門經理，研究方向為自動化控制工程。