1  引言
    隨著人口與經(jīng)濟的增長，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。我國水資源狀況不容樂觀。我國城市缺水現(xiàn)象更為嚴重，據(jù)統(tǒng)計，全國660個城市，有400多個城市供水不足，其中有50多個城市嚴重缺水，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21世紀面臨的重大環(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)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。石家莊鐵道學(xué)院在02年利用國家*的專項資金進行了校園污水管網(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)采用模塊化計算機控制技術(shù)，實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、工藝的自動運行狀態(tài)；同時，利用變頻器組成中水自動恒壓給水系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的全自動經(jīng)濟運行，節(jié)約了能耗和人力，提高了整個系統(tǒng)的技術(shù)管理水平。

2  中水處理工藝流程簡介
    民用小區(qū)中，中水回用的對象一般限于兩方面：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、抗沖擊負荷等優(yōu)點，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污泥進行處理。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)。針對城市污水的脫氮、除磷，具有運行效果好、成本低的優(yōu)勢。SBR與傳統(tǒng)的水處理工藝的zui大區(qū)別在于它以時間順序來分割流程各單元，整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調(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)池在一定時間間隔內(nèi)充滿污水，以間歇處理方式運行，處理后混合液沉淀一段時間后，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)運行，構(gòu)成了序批式處理工藝。

   本污水處理站采用一級預(yù)處理和二級生化處理方式。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池并列運行。進行生化處理完后的水再進行消毒、過濾之后，進入中水池，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。該工藝一個反應(yīng)周期由進水段、反應(yīng)段、沉淀段、排水段、靜置段五個工作段構(gòu)成。進水段是全部過程的開始，程序啟動則啟動進水泵，向反應(yīng)器注水，當反應(yīng)器的水位上升至水位上*液位傳感器發(fā)出信號，進水泵停止，進水段結(jié)束。而后，曝氣風(fēng)機啟動，通過曝氣頭向反應(yīng)器中的污水進行充氧，當曝氣時間到后則曝氣風(fēng)機停止工作，計時開始進入沉淀階段，沉淀段結(jié)束時，啟動潷水器開始潷水。當反應(yīng)器的水位下降至水位下*，液位傳感器發(fā)出信號，同時潷水器停止動作，進入下一個運行周期。處理后的中水經(jīng)過消毒、除味經(jīng)過濾器進入中水儲存池，中水恒壓供水系統(tǒng)按照用戶用水量的大小自動調(diào)節(jié)水泵運行狀態(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臺電機分別用于提升 、曝氣、潷水和恒壓給水。包括四臺4.0kW提升泵，四臺2.2kW曝氣機、兩臺2.2kW潷水器以及兩臺4.0kW供水泵。四臺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SBR反應(yīng)池供水，在1#和2#SBR池中各有兩臺曝氣機和一臺潷水器工作。整個控制系統(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)池進水提升泵，當調(diào)節(jié)池液位超過保證水位時，啟動提升泵向SBR池供水；當水位超低時自動停泵。當SBR池處于反應(yīng)、沉淀、潷水、靜置階段時，進水泵處于關(guān)閉狀態(tài)，直到下一個循環(huán)開始。

3.2 SBR反映池的控制：當SBR池檢測液位及運行條件均滿足要求時需啟動曝氣機，運行3-4小時（可調(diào)）后停止，進行沉淀1-1.5小時后，啟動潷水器經(jīng)過濾器向中水池潷水，直到SBR池液位到達預(yù)定位置后停機靜置0.5小時后，開始下一循環(huán)。1#和2#反應(yīng)池既可以同時并列運行也可以獨立運行。

3.3中水管網(wǎng)的變頻恒壓給水控制：為保證中水管網(wǎng)的壓力自動恒定，滿足用戶的需求，設(shè)計了全自動變頻調(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)實際壓力信號，采用“一定一變”配合的運行模式，自動調(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，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，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)自動檢測中水池液位，當?shù)陀谝欢ǔ潭葧r則自動打開市網(wǎng)清水閥門補入一些清水，彌補中水的不足。

3.4 上位機的管理功能:上位機以直觀的動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；特別是上位機對現(xiàn)場PLC的控制過程進行運行參數(shù)數(shù)據(jù)的在線修改，大大方便了用戶。

    當發(fā)生電氣、液位、機械等故障時系統(tǒng)進行聲、光報警，并采取相應(yīng)措施。上位機故障時，PLC及變頻器可以組成獨立控制系統(tǒng)進行工作；若整個上、下位自動系統(tǒng)均發(fā)生故障，現(xiàn)場控制柜具有手動功能，以保證系統(tǒng)運行的不間斷。

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)控制計算機構(gòu)成監(jiān)控管理級，PLC、變頻器和傳感器、執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成現(xiàn)場控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)按照遞階式DCS系統(tǒng)模式設(shè)計，操作管理方便、運行穩(wěn)定可靠、效率高。

4.1上位機系統(tǒng)：采用研華工控機IPC610，軟件平臺采用MCGS （Monitor and Control Generated System）組態(tài)軟件。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式，向用戶提供解決實際工程問題的方案，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，比以往使用機開發(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，同時擴展一個四路模擬信號模塊。它具有RS-485標準串口，由它按照工藝要求的液位、時間、壓力等不同要求完成提升、曝氣、潷水和恒壓給水各個系統(tǒng)的邏輯控制功能以及現(xiàn)場液位、壓力等信號的采集和傳輸。控制程序是根據(jù)對SBR反應(yīng)池的五個運行階段所需要的時間進行自動控制，對于曝氣時間、沉淀時間及靜置時間均可由上位機在線設(shè)定，而進水與排水則靠液位的上下限來控制水泵的啟動/停止。SBR反應(yīng)池的各段工藝過程及其執(zhí)行時間均嚴格按時序進行，在自動狀態(tài)下，操作人員在中心控制室可以通過人機界面實現(xiàn)遠程遙控操作。現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)均送往上位機顯示。

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（4-20mA）分別送至變頻器控制單元和PLC，與給定信號比較后經(jīng)PID運算后產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號送至變頻器，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一定時間后,管網(wǎng)壓力仍達不到要求，延時確定后，PLC啟動定量泵 ，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手動控制單元：系統(tǒng)采用冗余式后退結(jié)構(gòu)設(shè)計，在上位機系統(tǒng)發(fā)生故障時，PLC可以*獨立的完成所有控制功能。同時系統(tǒng)設(shè)置自動、手動轉(zhuǎn)換裝置，在上、下位機均發(fā)生故障以及進行工藝調(diào)整的時候，技術(shù)人員可以手動啟、停任意電機和閥門。

5  控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
5.1上位機的管理軟件設(shè)計：該部分程序主要完成設(shè)備行狀況的圖形顯示監(jiān)測、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫管理、檢測數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報警等功能。
 監(jiān)控操作：人機操作界面是整個系統(tǒng)與用戶之間的交流窗口，提供一種直觀圖形化的功能實現(xiàn)。通過其*的動畫功能、語音功能向監(jiān)控中心操作員展示各個數(shù)據(jù)采集及實時控制的過程。完成對中水處理的數(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時數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢圖；顯示重要設(shè)備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和存儲；輔助管理日常生產(chǎn)業(yè)務(wù)，提供決策參考。

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

數(shù)據(jù)存檔和生產(chǎn)報表：系統(tǒng)自動生成日報表、月報表和統(tǒng)計報表，通過報表打印機打印輸出，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行自定義處理。
    設(shè)計的任何一副畫面都是由對象組成。每個對象都有其屬性。系統(tǒng)運行時，各個畫面中不同對象所發(fā)揮的作用都是將對象的各種屬性進行必要的設(shè)置或與相應(yīng)屬性控制函數(shù)進行必要的鏈接來實現(xiàn)的，整個操作界面為層次漸進風(fēng)格。上位機監(jiān)控畫面如圖3所示。

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

5.3系統(tǒng)通信方式
    該系統(tǒng)通信部分的主要功能是實現(xiàn)上位機和下位機（即PLC）的通信，通過上位機可以監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時可以發(fā)出控制指令對系統(tǒng)進行控制。上位機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，我國的中水處理控制管理系統(tǒng)總體水平偏低，標準也不統(tǒng)一，在技術(shù)上傳統(tǒng)方法較多。具有投資較高，效率較低，處理能力不強和水量平衡不易實現(xiàn)等不足，另外中水處理自動化水平較低。隨著國家相關(guān)法制建設(shè)的加快和水處理相關(guān)各項技術(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，中水處理的標準體系將逐步完善，中水市場不斷規(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、自動化。

    中水處理作為一個行業(yè)來說是很有發(fā)展前途的，大力完善中水處理設(shè)施和各項技術(shù)，zui終在我國建立起完善的中水回用系統(tǒng)將為我國經(jīng)濟和社會的發(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、易實現(xiàn)自動運行的中水工藝流程。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，這是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。本控制系統(tǒng)將上位機、PLC、變頻器、相應(yīng)傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機的結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，軟、硬件設(shè)計合理，系統(tǒng)調(diào)試方便，且系統(tǒng)各級之間可獨立運行，保證了中水站的不間斷生產(chǎn)。實踐證明，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)濟效益和社會效益，具有極大的推廣價值。