1  引言
    隨著人口與經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，世界水資源的需求量不斷增加，水資源不斷惡化，水資源緊缺已成為世人所關(guān)注的性問題。我國(guó)水資源狀況不容樂觀。我國(guó)城市缺水現(xiàn)象更為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)660個(gè)城市，有400多個(gè)城市供水不足，其中有50多個(gè)城市嚴(yán)重缺水，平均每年因缺水影響工業(yè)產(chǎn)值2000多億元。水資源的匱乏已經(jīng)成為我國(guó)21世紀(jì)面臨的重大環(huán)境問題之一，在很大程度上制約了生產(chǎn)力了發(fā)展，降低了人民的生活質(zhì)量。中水工程就是污水資源化的一種重要方法，采用中水回用系統(tǒng)后，使污水處理后回用，有著雙重意義，既可以減少對(duì)環(huán)境的污染，又可增加可利用的水資源的數(shù)量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。石家莊鐵道學(xué)院在02年利用國(guó)家*的專項(xiàng)資金進(jìn)行了校園污水管網(wǎng)改造工程，該工程采用SBR工藝處理洗浴廢水并回用于沖洗廁所，日處理量為306噸。在二期改造中，針對(duì)原來繼電器控制系統(tǒng)暴露出的問題，電氣系統(tǒng)采用模塊化計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、工藝的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，利用變頻器組成中水自動(dòng)恒壓給水系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的全自動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)約了能耗和人力，提高了整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)管理水平。

2  中水處理工藝流程簡(jiǎn)介
    民用小區(qū)中，中水回用的對(duì)象一般限于兩方面：小區(qū)公共用水，即小區(qū)綠地的澆灑、綠化和小區(qū)景觀用水、消防用水等；雜用水，即公共建筑和居民住宅的沖洗廁所用水、洗車、建筑施工等。在中水處理工藝中，生物處理具有效果穩(wěn)定、剩余污泥產(chǎn)量低、抗沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但必須解決暴氣噪音問題。另外活性污泥法及其它的變形工藝流程，包括氧化溝、SBR、AB法、A/O法、A/A/O法等技術(shù)都在小區(qū)中水回用處理中廣泛應(yīng)用，處理效果良好但需對(duì)污泥進(jìn)行處理。近年來，膜生物反映器（MBR）暴氣生物濾池（BAF）和循環(huán)活性污泥工藝（CASS）等新技術(shù)也開始在住宅小區(qū)中水處理工程中得到應(yīng)用，處理效果良好。序批式活性污泥法（Sequencing Bath Reactor）（簡(jiǎn)稱SBR法），是近年來發(fā)展起來的一種污水處理新技術(shù)。針對(duì)城市污水的脫氮、除磷，具有運(yùn)行效果好、成本低的優(yōu)勢(shì)。SBR與傳統(tǒng)的水處理工藝的zui大區(qū)別在于它以時(shí)間順序來分割流程各單元，整個(gè)過程對(duì)于單個(gè)操作單元而言是間歇進(jìn)行的，但是通過多個(gè)單元組合調(diào)度后又是連續(xù)的，因而也可以用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。系統(tǒng)中，反應(yīng)池在一定時(shí)間間隔內(nèi)充滿污水，以間歇處理方式運(yùn)行，處理后混合液沉淀一段時(shí)間后，從池中排除上清液，沉淀的生物污泥則留于池內(nèi)，用于再次處理污水，這樣反復(fù)運(yùn)行，構(gòu)成了序批式處理工藝。

   本污水處理站采用一級(jí)預(yù)處理和二級(jí)生化處理方式。從澡堂排出來的污水,經(jīng)格柵后到集水池，通過提升泵再到SBR池。生化處理共有兩套SBR裝置， 1#SBR池和2#SBR池并列運(yùn)行。進(jìn)行生化處理完后的水再進(jìn)行消毒、過濾之后，進(jìn)入中水池，由變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)向用戶提供沖廁水直接送往學(xué)生公寓用于沖廁。該工藝一個(gè)反應(yīng)周期由進(jìn)水段、反應(yīng)段、沉淀段、排水段、靜置段五個(gè)工作段構(gòu)成。進(jìn)水段是全部過程的開始，程序啟動(dòng)則啟動(dòng)進(jìn)水泵，向反應(yīng)器注水，當(dāng)反應(yīng)器的水位上升至水位上*液位傳感器發(fā)出信號(hào)，進(jìn)水泵停止，進(jìn)水段結(jié)束。而后，曝氣風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，通過曝氣頭向反應(yīng)器中的污水進(jìn)行充氧，當(dāng)曝氣時(shí)間到后則曝氣風(fēng)機(jī)停止工作，計(jì)時(shí)開始進(jìn)入沉淀階段，沉淀段結(jié)束時(shí)，啟動(dòng)潷水器開始潷水。當(dāng)反應(yīng)器的水位下降至水位下*，液位傳感器發(fā)出信號(hào)，同時(shí)潷水器停止動(dòng)作，進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行周期。處理后的中水經(jīng)過消毒、除味經(jīng)過濾器進(jìn)入中水儲(chǔ)存池，中水恒壓供水系統(tǒng)按照用戶用水量的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行狀態(tài)，保證中水管網(wǎng)的壓力。

3  控制系統(tǒng)的功能
    中水處理站共有12臺(tái)電機(jī)分別用于提升 、曝氣、潷水和恒壓給水。包括四臺(tái)4.0kW提升泵，四臺(tái)2.2kW曝氣機(jī)、兩臺(tái)2.2kW潷水器以及兩臺(tái)4.0kW供水泵。四臺(tái)提升泵分兩組采用一用一備的方式分別從調(diào)節(jié)池向兩個(gè)SBR反應(yīng)池供水，在1#和2#SBR池中各有兩臺(tái)曝氣機(jī)和一臺(tái)潷水器工作。整個(gè)控制系統(tǒng)的主要功能如下：
3.1 調(diào)節(jié)池的控制：液位控制調(diào)節(jié)池進(jìn)水提升泵，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位超過保證水位時(shí)，啟動(dòng)提升泵向SBR池供水；當(dāng)水位超低時(shí)自動(dòng)停泵。當(dāng)SBR池處于反應(yīng)、沉淀、潷水、靜置階段時(shí)，進(jìn)水泵處于關(guān)閉狀態(tài)，直到下一個(gè)循環(huán)開始。

3.2 SBR反映池的控制：當(dāng)SBR池檢測(cè)液位及運(yùn)行條件均滿足要求時(shí)需啟動(dòng)曝氣機(jī)，運(yùn)行3-4小時(shí)（可調(diào)）后停止，進(jìn)行沉淀1-1.5小時(shí)后，啟動(dòng)潷水器經(jīng)過濾器向中水池潷水，直到SBR池液位到達(dá)預(yù)定位置后停機(jī)靜置0.5小時(shí)后，開始下一循環(huán)。1#和2#反應(yīng)池既可以同時(shí)并列運(yùn)行也可以獨(dú)立運(yùn)行。

3.3中水管網(wǎng)的變頻恒壓給水控制：為保證中水管網(wǎng)的壓力自動(dòng)恒定，滿足用戶的需求，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)。在用戶設(shè)定中水管網(wǎng)壓力后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和壓力傳感器的管網(wǎng)實(shí)際壓力信號(hào)，采用“一定一變”配合的運(yùn)行模式，自動(dòng)調(diào)整加壓泵中定量泵的啟停和變頻泵的轉(zhuǎn)速，在較高的精度范圍內(nèi)保證管網(wǎng)的壓力恒定。無論用水高、低峰均可在保證供水壓力的前提下zui大限度的節(jié)省電能。同時(shí)，減少了由于無謂磨損、頻繁啟停等原因?qū)λ迷斐傻膿p害；以及用水低峰時(shí)，由于管網(wǎng)壓力過高造成跑、冒事故。為了防止在用水高峰情況下中水量不足，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)中水池液位，當(dāng)?shù)陀谝欢ǔ潭葧r(shí)則自動(dòng)打開市網(wǎng)清水閥門補(bǔ)入一些清水，彌補(bǔ)中水的不足。

3.4 上位機(jī)的管理功能:上位機(jī)以直觀的動(dòng)畫圖形及中文方式顯示水池液位、管網(wǎng)壓力、水泵及閥門運(yùn)行狀態(tài)、耗電量、產(chǎn)水量、設(shè)備狀況等信息；特別是上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)PLC的控制過程進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)的在線修改，大大方便了用戶。

    當(dāng)發(fā)生電氣、液位、機(jī)械等故障時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行聲、光報(bào)警，并采取相應(yīng)措施。上位機(jī)故障時(shí)，PLC及變頻器可以組成獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行工作；若整個(gè)上、下位自動(dòng)系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場(chǎng)控制柜具有手動(dòng)功能，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的不間斷。

4  控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成監(jiān)控管理級(jí)，PLC、變頻器和傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)按照遞階式DCS系統(tǒng)模式設(shè)計(jì)，操作管理方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、效率高。

4.1上位機(jī)系統(tǒng)：采用研華工控機(jī)IPC610，軟件平臺(tái)采用MCGS （Monitor and Control Generated System）組態(tài)軟件。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種方式，向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，可充分利用Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)，比以往使用機(jī)開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性。

4.2 PLC主控單元：現(xiàn)場(chǎng)控制器采用的是日本三菱公司的FX-1S-30MR系列小型可編程序控制器作為主控單元，它具有16路開關(guān)量的輸入、14路開關(guān)量的輸出，同時(shí)擴(kuò)展一個(gè)四路模擬信號(hào)模塊。它具有RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口，由它按照工藝要求的液位、時(shí)間、壓力等不同要求完成提升、曝氣、潷水和恒壓給水各個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制功能以及現(xiàn)場(chǎng)液位、壓力等信號(hào)的采集和傳輸?？刂瞥绦蚴歉鶕?jù)對(duì)SBR反應(yīng)池的五個(gè)運(yùn)行階段所需要的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)于曝氣時(shí)間、沉淀時(shí)間及靜置時(shí)間均可由上位機(jī)在線設(shè)定，而進(jìn)水與排水則靠液位的上下限來控制水泵的啟動(dòng)/停止。SBR反應(yīng)池的各段工藝過程及其執(zhí)行時(shí)間均嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行，在自動(dòng)狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)均送往上位機(jī)顯示。

4.3管網(wǎng)變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)：中水管網(wǎng)由兩臺(tái)4.0kW供水泵采用“一定一變”的方式向中水管網(wǎng)供水。變量泵的調(diào)節(jié)由ABB 400系列變頻器來完成，由壓力傳感器采取用戶管網(wǎng)的壓力信號(hào)（4-20mA）分別送至變頻器控制單元和PLC，與給定信號(hào)比較后經(jīng)PID運(yùn)算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)送至變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)出水泵轉(zhuǎn)速。若變頻器的輸出大于49Hz一定時(shí)間后,管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到要求，延時(shí)確定后，PLC啟動(dòng)定量泵 ，直至管網(wǎng)壓力恒定。若變頻器輸出頻率小于23Hz一定時(shí)間后，管網(wǎng)壓力仍超過給定值，則關(guān)閉定量泵，配合調(diào)整變量泵直至壓力穩(wěn)定。變頻調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)圖見圖2。

4.4手動(dòng)控制單元：系統(tǒng)采用冗余式后退結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，PLC可以*獨(dú)立的完成所有控制功能。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，在上、下位機(jī)均發(fā)生故障以及進(jìn)行工藝調(diào)整的時(shí)候，技術(shù)人員可以手動(dòng)啟、停任意電機(jī)和閥門。

5  控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
5.1上位機(jī)的管理軟件設(shè)計(jì)：該部分程序主要完成設(shè)備行狀況的圖形顯示監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫管理、檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報(bào)警等功能。
 監(jiān)控操作：人機(jī)操作界面是整個(gè)系統(tǒng)與用戶之間的交流窗口，提供一種直觀圖形化的功能實(shí)現(xiàn)。通過其*的動(dòng)畫功能、語音功能向監(jiān)控中心操作員展示各個(gè)數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)控制的過程。完成對(duì)中水處理的數(shù)據(jù)采集及控制參數(shù)設(shè)置；監(jiān)控生產(chǎn)作業(yè)過程，包括顯示控制過程畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖；顯示重要設(shè)備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)；輔助管理日常生產(chǎn)業(yè)務(wù)，提供決策參考。

事故報(bào)警：生產(chǎn)過程中設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)如液位超限、曝氣故障等，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警顯示，并通過報(bào)警打印機(jī)打印輸出，形成記錄文件；報(bào)警數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)以備事后分析。

數(shù)據(jù)存檔和生產(chǎn)報(bào)表：系統(tǒng)自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，通過報(bào)表打印機(jī)打印輸出，形成生產(chǎn)記錄文件，并且文檔可由EXCEL或其它電子表格軟件進(jìn)行自定義處理。
    設(shè)計(jì)的任何一副畫面都是由對(duì)象組成。每個(gè)對(duì)象都有其屬性。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)畫面中不同對(duì)象所發(fā)揮的作用都是將對(duì)象的各種屬性進(jìn)行必要的設(shè)置或與相應(yīng)屬性控制函數(shù)進(jìn)行必要的鏈接來實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)操作界面為層次漸進(jìn)風(fēng)格。上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖3所示。

5.2現(xiàn)場(chǎng)控制單元軟件設(shè)計(jì)：
   可編程控制器作為主控單元，幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)邏輯控制均與其有關(guān)。它的控制程序具有較 強(qiáng)的邏輯性要求。在PLC的程序設(shè)計(jì)中必須考慮到較復(fù)雜的互鎖及時(shí)間控制關(guān)系。設(shè)計(jì)每天運(yùn)行四個(gè)周期，每個(gè)周期6小時(shí)左右，1#SBR反應(yīng)池*周期開始在5：00，2#SBR反應(yīng)池延后1小時(shí)啟動(dòng)。

5.3系統(tǒng)通信方式
    該系統(tǒng)通信部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)（即PLC）的通信，通過上位機(jī)可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)可以發(fā)出控制指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。上位機(jī)IPC通過COM1口（RS232）經(jīng)通信適配器4520和CF-11與PLC的外圍串行端口連接。串口通信協(xié)議為：波特率-9600bit/s，起始位-1位，數(shù)據(jù)位-7位，停止位-2位。
6   結(jié)束語
    目前，我國(guó)的中水處理控制管理系統(tǒng)總體水平偏低，標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，在技術(shù)上傳統(tǒng)方法較多。具有投資較高，效率較低，處理能力不強(qiáng)和水量平衡不易實(shí)現(xiàn)等不足，另外中水處理自動(dòng)化水平較低。隨著國(guó)家相關(guān)法制建設(shè)的加快和水處理相關(guān)各項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，中水處理應(yīng)朝著現(xiàn)代化的新型的方向發(fā)展：即管理的法制化，中水處理的標(biāo)準(zhǔn)體系將逐步完善，中水市場(chǎng)不斷規(guī)范；控制的現(xiàn)代化，中水工程的控制技術(shù)將日趨集成化、自動(dòng)化。

    中水處理作為一個(gè)行業(yè)來說是很有發(fā)展前途的，大力完善中水處理設(shè)施和各項(xiàng)技術(shù)，zui終在我國(guó)建立起完善的中水回用系統(tǒng)將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展以及人民的生活大有裨益的。作為工程技術(shù)人員，要努力的摸索中水處理的新途徑和新方法，不斷尋找新的戰(zhàn)地面積小、技術(shù)集成化程度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的中水工藝流程。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，這是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本控制系統(tǒng)將上位機(jī)、PLC、變頻器、相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，軟、硬件設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)調(diào)試方便，且系統(tǒng)各級(jí)之間可獨(dú)立運(yùn)行，保證了中水站的不間斷生產(chǎn)。實(shí)踐證明，系統(tǒng)不僅滿足了工藝的需要，而且提高了中水處理的整體管理水平，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有極大的推廣價(jià)值。