廁所排污自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 廁所排污自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要: 智能化污水處理系統(tǒng)從高密度沉淀污水處理工藝流程出發(fā)，設(shè)計(jì) plc 控制器與現(xiàn)場總線相結(jié)合，建立了具備集中控制和烘干系統(tǒng)控制相結(jié)合的智能化廁所排污系統(tǒng)，并且通過上位機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)污水處理工藝、設(shè)備的全面監(jiān)測，同時(shí)對(duì)污水處理的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)污水長期高效智能化處理的要求。關(guān)鍵詞:廁所排污自動(dòng)化系統(tǒng)；智能控制；干燥系統(tǒng)design and implementation of toilet sewage automation systemabstract: the intelligent sewage treatment system starts fro

2、m the high-density sedimentation wastewater treatment process, and combines the design of plc controller and field bus to establish an intelligent toilet sewage system with centralized control and drying system control, and through the upper computer. monitoring and implementation of comprehensive m

3、onitoring of wastewater treatment processes and equipment, as well as processing of wastewater treatment process data, ultimately achieving the requirements for long-term efficient and intelligent treatment of wastewater.key words: toilet sewage automation system; intelligent control; drying system0

4、引言污水處理工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)環(huán)保處理技術(shù)要求越來越高，尤其是處理效果和速度。目前，一代二代的沉淀池都是靜態(tài)沉淀，速度慢，除污率不高。這種沉淀池占地面積很大1，且沉淀池隨著污水廠的規(guī)模擴(kuò)大而越做越大，對(duì)于土地資源緊缺的城市是十分不經(jīng)濟(jì)的。智能化高效澄清池可為污水處理運(yùn)行緊湊、高效快捷的新工藝產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造條件，可有效降低占地面積和使用成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力，更好地為發(fā)展水處理生產(chǎn)服務(wù)，提高水處理生產(chǎn)與應(yīng)用的高效節(jié)約化水平，利于推行環(huán)境治理，為保護(hù)生存環(huán)境做出貢獻(xiàn)。隨著機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化和智能化的高效污水處理系統(tǒng)提出了更高要求。集廁所排污的收集、污水處理、糞便處理于一體的

5、新型環(huán)保處理裝置，本裝置具有可移動(dòng)性、可選擇組合性、經(jīng)處理后的水質(zhì)能達(dá)到 2 級(jí)水質(zhì)后進(jìn)行廁所內(nèi)部循環(huán)使用而無污水排放、可靠性高、可視化操作簡單方便、手動(dòng)、自動(dòng)雙重操作、節(jié)能等特點(diǎn)。既可自成一體，又可選擇接入現(xiàn)有的廁所對(duì)其的排污進(jìn)行處理。該裝置可廣泛地應(yīng)用于對(duì)各種有廁所排污進(jìn)行的場合。是建設(shè)環(huán)保型廁所的一理想的處理裝置.1廁所排污系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1排污流程廁所排污系統(tǒng)由真空排導(dǎo)、排污收集系統(tǒng)、污水處理三大系統(tǒng)組成。如圖1為廁所排污流程圖。圖1 污水排污流程從圖1可知排污過程為：（1）污水、糞便的收集；由用廁所人員所產(chǎn)生的尿液、洗手污水等污水及糞便，本裝置采用真空排導(dǎo)方式進(jìn)行抽取排空，這種方法能

6、減少100%的用水量，可有效地節(jié)約水資源和有效地降低廁所污水和糞便存儲(chǔ)空間的要求及處理成本；（2）尿液及污水的處理：對(duì)廁所內(nèi)排出的尿液及洗手水等污水，本裝置具有臭氧氧化、電解沉淀、tbfb、acfb、mbr、or 過濾的功能進(jìn)行水處理，而后進(jìn)行加壓送到排尿及排糞所需用水的管路進(jìn)行循環(huán)使用；（3）糞便的處理：廁所排出的糞便在進(jìn)行初級(jí)沉淀后，沉淀部分本裝置具有釩化、壓濾、干燥、粉碎等過程后制成的干的有機(jī)干粉可直接作有機(jī)肥。如表1為污水處理排污指標(biāo)要求。表1 污水處理排污指標(biāo)指標(biāo)進(jìn)水端出水端cod9000mg/lbod6500mg/lss5000mg/l氨氮3000mg/l5（8）mg/l總磷300

7、mg/l0.5mg/lph-6-9腸菌群-103色度-301.2污水排污硬件設(shè)計(jì)1.2.1排污硬件要求智能化高效污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)控制，包括混合、攪拌、流量、分流、清汚等操作; 而且能夠依據(jù)主要污水處理工藝參數(shù)和裝置運(yùn)行參數(shù)（表1排污硬件要求），通過在裝置各處設(shè)置的各類傳感器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用模式辨識(shí)和優(yōu)化技術(shù)，合理的調(diào)整為最佳運(yùn)行狀態(tài)的需求，保證裝置的運(yùn)行效率、處理效果和經(jīng)濟(jì)性。表1 排污硬件要求硬件指標(biāo)硬件要求硬件指標(biāo)硬件要求輸入口徑直徑51mm設(shè)備體積4.0m2.6m2.8m排水口徑直徑25mm設(shè)備質(zhì)量3.0t排干粉口徑直徑51mm工作環(huán)境溫度：-25-50

8、；濕度：40-100%輸入功率12kw輸入電源220v/50hz廁所排污水處理能力為0.3m3/h；電能耗為平均功耗 1.0kw/h 最大功耗：10kw/h。1.2.2排污硬件設(shè)計(jì)廁所排污自動(dòng)化系統(tǒng)系統(tǒng)由控制器、真空排導(dǎo)模塊、污水指標(biāo)檢測模塊、無線傳輸模塊、自動(dòng)控制模塊、干燥系統(tǒng)組成。如圖2為排污硬件結(jié)構(gòu)。圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)核心功能模塊有plc+stm32控制器構(gòu)成，其中干燥系統(tǒng)是系統(tǒng)特有功能。(1)plc主控制器選擇根據(jù)本工程工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)的主控制器選用美國羅克韋爾自動(dòng)化公司旗下 abcontrollogix 系列和 compactlogix 系列 plc。controllogix 系統(tǒng)以緊湊的

9、、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品提供離散控制、驅(qū)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、安全控制、便利的通訊連接。除了 rs.232(df1/dh.485 協(xié)議)通訊口外，網(wǎng)絡(luò)通訊的接口具有模塊化的特點(diǎn)?；?controllogix 系列以上的諸多優(yōu)勢，本工程鼓風(fēng)機(jī)房及總變配電室現(xiàn)場控制站和分變配電室現(xiàn)場控制站內(nèi)控制設(shè)備及檢測儀表數(shù)量多，選用 controllogix 系列控制器。1769 compactlogix 控制器十分適合不需要運(yùn)動(dòng)或安全功能的中小型控制應(yīng)用項(xiàng)目。由于污泥脫水機(jī)房及配電室現(xiàn)場控制站內(nèi)控制設(shè)備和檢測儀表數(shù)量適中，選用1769 compactlogix 控制器。(2)儀表選擇液位計(jì)采用分體式超聲波液位計(jì)

10、，輸出信號(hào)采用 profibus dp 總線輸出，傳感器的防護(hù)等級(jí) ip68，測量盲區(qū)不大于 0.45m，散射角不大于 6 度，變送器的防護(hù)等級(jí) ip65，系統(tǒng)測量精度不低于 0.25%。具有聲智能處理功能軟件，對(duì)于固定干擾或虛假回波有抑制功能，可防止水面波動(dòng)、氣泡、碎片等干擾。格柵前后的液位差測量亦采用超聲波差測量儀表完成。整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)超聲波傳感器作為液位差檢測，傳感器的數(shù)據(jù)由帶兩個(gè)超聲輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換器處理后，控制格柵清理系統(tǒng)，并輸出繼電器信號(hào)，用于控制和報(bào)警。液位差及輸出信號(hào)亦采用 profibus dp 總線輸出。管道內(nèi)及儲(chǔ)罐內(nèi)壓力測量采用選用壓力變送器，壓力變送器將壓力的變化轉(zhuǎn)變成電

11、流信號(hào)輸出，其精度為 0.075%，防護(hù)等級(jí)為 ip65，信號(hào)輸出為 420ma。電磁流量計(jì)用于測量管道內(nèi)污水及藥液流量。電磁流量計(jì)利用法拉第電磁感應(yīng)測量原理33，測其測量精度為 0.25%，采用 profibus dp 通訊協(xié)議。熱質(zhì)式流量計(jì)用于氣體流量檢測，熱質(zhì)流量計(jì)直接監(jiān)測質(zhì)量流量，不需要溫度、壓力的補(bǔ)償，精度為2%，用 profibus dp 通訊協(xié)議。在線濁度分析儀、ph/t 分析儀實(shí)時(shí)連續(xù)檢測；變送器防護(hù)等級(jí)：ip66。支持 profibusdp 通訊協(xié)議和 420ma 繼電器輸出。氧化還原電位傳感器、溶解氧測量傳感器防護(hù)等級(jí) ip68。氨氮、cod 測量、總磷測量采用流通式傳感器

12、，配置相應(yīng)的安裝附件及變送器。變送器防護(hù)等級(jí) ip65，傳感器的防護(hù)等級(jí)達(dá)到 ip68，支持 profibus dp 通訊協(xié)議。甲烷氣體及硫化氫氣體報(bào)警儀。報(bào)警儀輸出信號(hào)為 420ma，防護(hù)等級(jí) ip65。（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊為便于將廁所排污測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧c端，系統(tǒng)配置rs232串口通信。系統(tǒng)中使用stm32控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制。如圖3為數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)。圖3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊真空電機(jī)保護(hù)器通過電流互感器從電機(jī)上取得檢測電流，之后轉(zhuǎn)化為電壓量輸入至單片機(jī)模擬io輸入通道。單片機(jī)接收到此信號(hào)后將會(huì)調(diào)用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（a/d）模塊進(jìn)行處理。pic16f690單片機(jī)有12個(gè)模擬i/o輸入

13、通道，這些通道被多路轉(zhuǎn)換到同一采樣保持電路。采樣保持電路的輸出與轉(zhuǎn)換器的輸入相連接。轉(zhuǎn)換器通過逐次逼近法產(chǎn)生二進(jìn)制值，并將結(jié)果或剩余的10位數(shù)據(jù)存入adresl（9eh）和adresh（1eh）。可通過軟件方式選擇vdd或施加在vref引腳上的電壓作為轉(zhuǎn)換使用的參考電壓。其內(nèi)部框圖如圖4所示。圖4 a/d框圖a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果有兩種格式：左對(duì)齊和右對(duì)齊（見圖5），都存貯在寄存器adresh和adresl中。本設(shè)計(jì)采取左對(duì)齊的格式，當(dāng)輸入電壓最大為2.3v時(shí)，10位a/d格式轉(zhuǎn)換后的精度為2.3/1023=0.0032v，8位a/d格式轉(zhuǎn)換后的精度為2.3/255=0.013v。對(duì)于最大檢測電流為3

14、00a的電流保護(hù)器來說，8位a/d格式的精度約為1.17v，在允許誤差范圍之內(nèi)。因此本設(shè)計(jì)后期數(shù)據(jù)處理時(shí)直接忽略最后兩位數(shù)字，將10位a/d轉(zhuǎn)換值變?yōu)?位，以在精度允許范圍內(nèi)便于數(shù)據(jù)處理。圖5 10位的a/d結(jié)果形式單片機(jī)在啟動(dòng)a/d模塊后對(duì)三路模擬量輸入輪流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每轉(zhuǎn)換完一輪后對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行比較，取出其中最大值作為顯示電流值，若此值大于電流保護(hù)值則過載報(bào)警標(biāo)志為置位，同時(shí)開始計(jì)時(shí)；若此值大于電流保護(hù)值3倍則堵轉(zhuǎn)報(bào)警標(biāo)志位置位，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。另外，若最小電流值小于最大電流值50%，則缺相報(bào)警標(biāo)志位置位，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)器到達(dá)設(shè)置時(shí)間時(shí)即認(rèn)為已發(fā)生保護(hù)器應(yīng)報(bào)警的三種情況之一，此時(shí)根據(jù)

15、標(biāo)志位即可判斷報(bào)警源。隨后跟相關(guān)報(bào)警指示燈常亮以指示報(bào)警原因，單片機(jī)通知zigbeerm模塊報(bào)警源，rm模塊通過zigbee無限網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將報(bào)警信息發(fā)送至cm模塊。2廁所排污系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)廁所排污系統(tǒng)要求，廁所排污系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。如下進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。2.1上位機(jī)設(shè)計(jì)為提高軟件開發(fā)效率上位機(jī)軟件采用c#編寫，系統(tǒng)使用開源sqlite和mysql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行廁所排污檢測數(shù)據(jù)管理。上位機(jī)負(fù)責(zé)向用戶展示下位機(jī)采集信息。如圖為廁所上位機(jī)軟件流程圖。圖6 上位機(jī)程序流程圖上位機(jī)中功能模塊比較多，文章對(duì)干燥系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。（1）超重干燥系統(tǒng)在智能環(huán)保廁所屏幕（屏幕一）上操作：點(diǎn)擊屏幕，進(jìn)入“智能

16、環(huán)保廁所系統(tǒng)”主界面，在“超重干燥系統(tǒng)”界面內(nèi)分別有“自動(dòng)頁面”、“參數(shù)設(shè)定”、“手動(dòng)頁面”等三個(gè)超重干燥功能模塊的按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕便進(jìn)入相應(yīng)的功能模塊。在超重干燥屏幕（屏幕四）上操作：點(diǎn)擊“超重干燥系統(tǒng)”界面上方的“自動(dòng)頁面”進(jìn)入“超重干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)”界面，裝置進(jìn)入“超重干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)”界面狀態(tài)見圖7所示。圖7超重干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)界面在超重干燥屏幕（屏幕四）上操作：在“超重干燥自動(dòng)控制系統(tǒng)”界面右下邊點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕進(jìn)入“干燥自動(dòng)參數(shù)設(shè)定”界面，見圖8所示。圖8干燥自動(dòng)參數(shù)設(shè)定界面在干燥控制屏幕（屏幕五）上操作：點(diǎn)擊屏幕，進(jìn)入“微波干燥”主界面，微波干燥功能模塊的按鈕，點(diǎn)擊相應(yīng)的

17、按鈕便進(jìn)入“干燥控制畫面”界面圖9.圖9 干燥控制畫面2.2下位機(jī)設(shè)計(jì)下位機(jī)的軟件在 ealview mdk 環(huán)境下編寫。首先對(duì)處理器進(jìn)行初始化，進(jìn)行 gpio 端口、系統(tǒng)時(shí)鐘、usat、a/d 轉(zhuǎn)換器等模塊的配置。然后進(jìn)行排污系統(tǒng)溫度、bod、ss、氨氮、ph、cod等指標(biāo)的采集。2.3算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)確定裝置的測試重復(fù)性時(shí)，選擇控制量限、最大負(fù)載，在功率因素 1.0、0.5 ( l) 分別確定基本誤差0.05級(jí)及以下裝置進(jìn)行不少于5次測量，0.03級(jí)及以上裝置進(jìn)行不少于 10 次測量，每次測量必須從開機(jī)初始狀態(tài)重新調(diào)整至測試狀態(tài)。按式（1）計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差 s( % ) :通過測試廁所排污自動(dòng)

18、化系統(tǒng)等級(jí)為0.05級(jí)，測量最大負(fù)載的實(shí)際功率值和的實(shí)際誤差值，計(jì)算分析裝置輸出功率穩(wěn)定度和測試重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值。3系統(tǒng)不確定度分析不確定度分為a類不確定度和b類不確定度。a 類不確定度各分量可用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表征，對(duì)三相四線被檢測單元在平衡負(fù)載點(diǎn)為:220v /10a 和 在裝置重復(fù)性條件下獨(dú)立測量 5次，得到的測量值為兩次誤差的平均值，用統(tǒng)計(jì)分析方法獲得實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差 s。通過計(jì)算a類不確定度標(biāo)準(zhǔn)偏差s0.01.4結(jié)論智能化廁所排污處理系統(tǒng)使得高效澄清池污水在節(jié)約能源和降低原材料消耗方面效益顯著，占地面積小，污水處理的效率高、出水水質(zhì)好等方面有實(shí)際意義。本文僅對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的工藝流程、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討。實(shí)際上，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，包含軟硬件中斷程序、pid 控制程序的改進(jìn)、人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、仿真軟件 s7 plcsim 的模擬運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理等。通過對(duì)智能化污水處理系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性試驗(yàn)，及時(shí)改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中遇到的問題，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1高飛,周敬宣