Обзор

　　1. Общая информация:

　　Соответствующие данные показывают, что в США на каждые 10 тысяч человек приходится 1 очистная станция, в Великобритании и Германии — 1 станция на каждые 7–8 тысяч человек, тогда как в Китае на 1,5 миллиона человек приходится всего 1 очистная станция. Поэтому в Китае очистка сточных вод является насущной задачей, а рынок услуг по очистке сточных вод демонстрирует динамичное развитие.

　　2. Распространённые технологии очистки сточных вод:

　　Методы очистки сточных вод в основном делятся на физические, химические, физико-химические и биологические. Эти методы могут применяться как по отдельности, так и в сочетании друг с другом в зависимости от конкретной ситуации. В настоящее время основным методом очистки сточных вод является биологический, который дополняется физическими и химическими методами. Среди наиболее распространённых технологий выделяют следующие:

　　(1) Традиционный метод активного ила. Древнейший процесс очистки сточных вод, ключевыми компонентами которого являются аэротенк и отстойник. В ходе пребывания в аэротенке органические вещества из сточной воды адсорбируются микроорганизмами, содержащимися в аэротенке, и затем окисляются до неорганических соединений. После этого микробные флокулы опускаются на дно отстойника, и через некоторое время можно получать чистую воду. При этом, чтобы поддерживать концентрацию ила в аэротенке, часть активного ила, прошедшая отстаивание в отстойнике, должна рециркулировать обратно в аэротенк.

 

 

　　Преимущества этого процесса включают: высокую степень удаления органических веществ; высокую нагрузку на ил; небольшой объем резервуара; низкое энергопотребление и низкие эксплуатационные расходы.

　　Недостатки этого процесса включают: большое количество занимаемой площади при использовании обычной аэрации, что приводит к высоким инвестициям в строительство; способность удовлетворять лишь некоторым соответствующим показателям стандартов очистки сточных вод; склонность к возникновению явления «разбухания ила»; низкая эффективность удаления фосфора и азота.

　　(2) Способ A/O. Это технология очистки сточных вод, разработанная на основе традиционного метода активного ила; здесь A обозначает Anoxic (анаэробный), а O — Oxic (аэробный). Способ A/O представляет собой биологическую технологию очистки сточных вод с использованием анаэробно-аэробной системы. Благодаря введению дополнительных аэробных и анаэробных резервуаров, образующих систему нитрификации—денитрификации, данный процесс эффективно удаляет азот из сточных вод, обеспечивая выраженный эффект дезазотирования. Однако система нитрификации—денитрификации требует тщательного контроля, что повышает требования к управлению процессом и становится одним из его основных недостатков.

　　(3) Метод окислительного канала. Является разновидностью метода активного ила, относящимся к типу активного ила с низкой нагрузкой и продленной аэрацией. Смесь сточных вод и активного ила постоянно циркулирует по кольцевому аэрационному каналу, отсюда и второе название — «циркуляционный аэротенк». Метод окислительного канала обладает такими преимуществами, как простота технологического процесса и сооружений, отсутствие первичного отстойника и бака нитрификации ила, высокий уровень удаления органических веществ, возможность удаления азота и фосфора (для чего перед каналом дополнительно устраивается анаэробный резервуар), малое количество избыточного ила, легко поддающегося обезвоживанию, а также стабильность результатов очистки. Однако у данного метода есть недостатки: низкая нагрузка, большая площадь, высокое энергопотребление и сравнительно высокие эксплуатационные расходы. Он целесообразен для средних и малых очистных сооружений с низкой нагрузкой. В зависимости от конструктивных особенностей различают следующие варианты: метод окислительного канала Карусель, метод О贝尔а и интегрированный метод окислительного канала.

　　Также существуют методы A2/O, A/B, SBR и UNITANK; подробно останавливаться на них здесь не будем — если вам нужна детальная информация, обратитесь к соответствующим профессиональным материалам.

　　3. Форма управления системой очистки сточных вод

　　(1) Система DCS. Это сокращение от системы распределённого управления, также известной как распределённая компьютерная система управления, которая формируется путём взаимного проникновения компьютерных технологий, технологий обработки сигналов, технологий измерения и контроля, сетевых коммуникационных технологий и других областей. Она состоит из компьютера и полевых терминалов, соединённых между собой сетью, объединяющей полевые управляющие станции, датчиковые станции, операционные станции и управляющие станции для реализации функций децентрализованного управления, централизованной эксплуатации и управления. В основном используется в различных производственных процессах, позволяя повысить уровень автоматизации производства и эффективность управления; её основные особенности следующие:

　　① Применение иерархического распределённого управления сокращает объём передаваемой системой информации и делает системные приложения более простыми.

　　② Реализовано истинное распределённое управление, что позволило распределить риски системы и повысить её надёжность.

　　③ Хорошо расширяет возможности.

　　④ Богатые программные и аппаратные ресурсы, способные соответствовать различным требованиям.

　　⑤ Хорошая оперативность, быстрая реакция.

　　(2) Система управления на основе полевой шины. Она развилась из систем DCS и PLC и представляет собой автоматическую систему управления, основанную на полевой шине. Эта система осуществляет передачу и обмен данными между интеллектуальными устройствами и компьютером по открытым, стандартизированным коммуникационным протоколам, что позволяет реализовать интегрированную автоматическую систему управления и мониторинга; её преимущества перечислены ниже:

　　① Можно использовать богатые программные и аппаратные ресурсы компьютера.

　　② Быстрая реакция, хорошая реальность.

　　③ Протоколы связи открыты, что позволяет взаимно подключать разные продукты.

　　(3) Система ПЛК. Программируемый логический контроллер используется в качестве управляющего устройства системы, реализуя функциональные требования автоматики; также можно использовать компьютер в качестве верхнего уровня, подключаясь к ПЛК через сеть для осуществления оперативного мониторинга производственного процесса. Её особенности следующие:

　　① Простота программирования, короткий цикл разработки и легкость обслуживания.

　　② Широкая универсальность, удобство в использовании.

　　③ Высокий уровень контроля.

　　④ Модульная структура, высокая масштабируемость.

　　Проектирование системы

　　1. Принцип работы системы очистки сточных вод

　　(1) Общая схема системы управления: как показано на рисунке 2, в качестве основного контроллера используется PLC NA400, который осуществляет управление запуском, остановкой и регулированием скорости соответствующего оборудования, анализируя входные сигналы кнопок операционной панели, данные различных датчиков, а также соответствующие аналоговые входы.

　　

 

　　Рисунок 2

　　(2) Процесс работы: в ручном режиме управление различными устройствами осуществляется с помощью кнопочных команд на панели управления без каких-либо логических ограничений, то есть можно управлять ими независимо от состояния датчиков. В автоматическом режиме реализовано замкнутое управление: система включает и выключает оборудование в зависимости от данных, получаемых с внешних датчиков. Ход работы показан на рисунке 3.

　　① Подключите питание, включите автоматический режим управления, запустите погружной смеситель и скребок для ила.

　　② Запускайте грубые и тонкие решеточные машины, осуществляя прерывистую работу — то есть, работая определённое время, затем останавливаясь на некоторое время, и повторяя цикл.

　　③ Управление работой и остановкой очистного устройства на основе возвращаемого состояния разности уровня жидкости.

　　④ Погружные насосы в насосной камере включаются, выключаются и управляются по количеству в зависимости от уровня жидкости.

　　⑤ Дисковый аэратор управляется на основе аналогового сигнала, поступающего от датчика растворённого кислорода и обрабатываемого PLC, а также контролирует запуск и остановку сепаратора.

　　⑥ Работа и остановка насоса для рециркуляции осадка контролируются в зависимости от уровня жидкости.

　　⑦ В системе обезвоживания ила запуск центробежного дегидратора осуществляется с использованием последовательного управления, при этом оборудование включается по очереди.

　　

 

　　Рисунок 3

　　 2. Конфигурация аппаратной системы

　　(1) Выбор ПЛК. Исходя из функциональных требований и степени сложности электрической системы управления очистки сточных вод, а также с учетом экономичности и надежности, в качестве управляющего главного устройства для электрической системы управления очистки сточных вод выбран ПЛК NA-400. Данная система предполагает большое количество цифровых входов/выходов, а также требует сбора аналоговых сигналов и использования функций управления на основе аналоговых данных; поэтому дополнительно потребуется модуль расширения аналоговых входов/выходов. Конкретная конфигурация приведена в таблице 1.

　　

 

　　(2) Распределение входных/выходных точек ПЛК

　　① Часть цифровых входов: в данной системе управления необходимые входные сигналы практически все являются цифровыми, включая различные управляющие кнопки, поворотные кнопки и цифровой ввод — всего 31 цифровой вход, как указано в таблице 2.

　　

 

　　Таблица 2

　　② Часть цифровых выходов. В этой системе управления основными устройствами, управляющими процессом, являются различные контакторы, клапаны и т. д.; всего предусмотрено 19 точек вывода, конкретное распределение которых приведено ниже:

　　

 

　　Таблица 3

　　③ Часть аналогового входа. Поскольку необходимо собирать данные, возвращаемые кислородным анализатором, был расширен модуль аналогового ввода-вывода, подробно представленный в таблице 4.

　　

 

　　Таблица 4

　　④ Часть аналогового выхода. В данной системе управления необходимо обработать полученные аналоговые данные, а затем управлять преобразователем частоты через аналоговый выходной порт, что, в свою очередь, позволит контролировать работу других устройств, как показано в таблице 5.

　　

 

　　Таблица 5

　　(3) Другое распределение ресурсов

　　① Контакторы Всей системе требуется 17 контакторов: контактор решёточного станка, контактор очистителя отходов, контактор погружного насоса, контактор сепаратора, контактор дискового аэратора, контактор погружного смесителя, контактор скребка для ила и т.д.

　　② Преобразователь частоты использует преобразователь SIEMENS MM430, который предназначен специально для нагрузок вентиляторов и насосов. В данной системе управления необходимо осуществлять коммуникационное управление преобразователем, поэтому сначала требуется настроить его параметры, в первую очередь произведя корректировку следующих параметров, как показано в таблице 6.

　　

 

　　Для преобразователя частоты подсистемы при ручной настройке используется управление посредством связи, поэтому необходимо изменять параметры преобразователя частоты.

　　③ Различные кнопки, человеко-машинный интерфейс, датчики перепада уровня жидкости, измерители растворённого кислорода и т.д.

　　3. Проектирование программной системы

　　При разработке программы используются многие вспомогательные элементы, такие как промежуточные реле, регистры, таймеры и др. Чтобы облегчить программирование и внесение изменений, перед написанием программы следует сначала составить список возможных вспомогательных элементов, как показано в таблице 7.

　　

 

　　(1) Программа ручного управления: после включения системы, при выборе ручного режима управления можно управлять работой каждого устройства с помощью кнопок на панели. Настройка вручную прежде всего удобна для проведения отладки при первоначальной установке производственной линии и проверки, способны ли все устройства функционировать нормально. Программа ручного управления выглядит следующим образом.

　　

 

　　

 

　　(2) Программа автоматического управления: в производстве чаще всего применяется автоматический контроль процессов; система управляет запуском и остановкой оборудования, а также регулирует скорость с помощью обратной связи от датчиков. Программа автоматического управления приведена ниже.

　　

 

　　(3) Функциональные программы: в данной системе используется модульное программирование; функциональные блоки включают грубую и тонкую решётки, погружные насосы, систему очистки от загрязнений, систему рециркуляции осадка, а также связь с частотными преобразователями. Здесь приводятся примеры лишь нескольких из них, при этом особое внимание уделено функциональному блоку, отвечающему за связь с частотными преобразователями.

　　① Программа системы грубой решётки, обеспечивающая управление грубой решёткой и очистной машиной; следующая система представляет собой релейную схему.

　　

 

　　② Программа системы аэрационного обезпесчевания, обеспечивающая управление работой, регулировкой скорости и остановкой дискового аэратора; схема программы в виде трапеции для системы аэрационного обезпесчевания приведена ниже.

　　

 

　　

 

　　③ Программа считывания параметров преобразователя частоты, предназначенная для выходной частоты преобразователя; следующая программа в виде диаграммы Ганта для считывания параметров преобразователя приведена ниже.

　　

 

　　④ Указание PID, используемое для обработки аналоговых сигналов; выходные данные AOUT передаются в %QW0001 для вывода аналогового сигнала, который управляет работой других устройств.

　　

　　1. Проблемы с аппаратным обеспечением

　　В системе очистки сточных вод основные аппаратные проблемы включают механическую конструкцию, а также схему и подключение периферийных цепей ПЛК.

　　Проблемы с механической конструкцией в основном касаются места установки дискового аэратора, которое необходимо размещать в соответствии со структурой окислительного бассейна. При правильном расположении даже небольшое количество аэраторов способно обеспечить необходимую функцию насыщения кислородом. Что касается внешних аппаратных подключений ПЛК, основное внимание уделено добавлению некоторых защитных устройств. Поскольку выходы ПЛК подключены к таким компонентам, как контакторы, резкое отключение и включение контакторов может вызвать скачкообразные формы тока, что приведёт к повреждению выходных клемм ПЛК. Поэтому необходимо установить дополнительные защитные устройства, например, диоды обратного тока, чтобы продлить срок службы контактов.

　　2. Проблемы с программным обеспечением

　　После завершения написания программы необходимо сначала выполнить её программную имитацию на компьютере, чтобы в первую очередь проверить наличие различных ошибок; для этого можно использовать встроенное в NAPro программное обеспечение для моделирования. Затем следует проверить программу на логические ошибки с помощью моделирования аппаратного обеспечения. При отладке можно производить настройку по отдельным функциональным модулям, а в конце провести общий этап отладки.

　　Краткий итог дизайна

　　Данная система управления использует PLC серии NA400 компании Nanjing Aoto Technology Co., Ltd. в качестве основного управляющего устройства. В этой системе с помощью комбинации таймеров и счетчиков реализована длительная настройка времени, а управление преобразователем частоты осуществляется методом аналогового контроля, при котором с помощью команд PID обеспечивается замкнутый контур, что позволяет удовлетворить требования к управлению системой очистки сточных вод. Здесь хочется выразить благодарность инженеру-электрику компании Shandong Feiyang Environmental Engineering Co., Ltd. Чжан Юньфэну, чья активная помощь значительно обогатила содержание статьи.