厕所排污自动化系统设计与实现

厕所排污自动化系统设计与实现

朱仁官

上海柯端克机电科技有限公司 上海 201306

摘要: 智能化污水处理系统从高密度沉淀污水处理工艺流程出发，设计 PLC 控制器与现场总线相结合，建立了具备集中控制和烘干系统控制相结合的智能化厕所排污系统，并且通过上位机监控实现污水处理工艺、设备的全面监测，同时对污水处理的工艺数据进行处理，最终实现污水长期高效智能化处理的要求。

关键词:厕所排污自动化系统；智能控制；干燥系统

Design and implementation of toilet sewage automation system

Abstract: The intelligent sewage treatment system starts from 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 monitoring 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 system

0引言

污水处理工业的不断发展，对环保处理技术要求越来越高，尤其是处理效果和速度。目前，一代二代的沉淀池都是静态沉淀，速度慢，除污率不高。这种沉淀池占地面积很大［1］，且沉淀池随着污水厂的规模扩大而越做越大，对于土地资源紧缺的城市是十分不经济的。智能化高效澄清池可为污水处理运行紧凑、高效快捷的新工艺产业化创造条件，可有效降低占地面积和使用成本，提高产品的市场竞争力，更好地为发展水处理生产服务，提高水处理生产与应用的高效节约化水平，利于推行环境治理，为保护生存环境做出贡献。

随着机电一体化和计算机控制技术的发展，对自动化和智能化的高效污水处理系统提出了更高要求。集厕所排污的收集、污水处理、粪便处理于一体的新型环保处理装置，本装置具有可移动性、可选择组合性、经处理后的水质能达到 2 级水质后进行厕所内部循环使用而无污水排放、可靠性高、可视化操作简单方便、手动、自动双重操作、节能等特点。既可自成一体，又可选择接入现有的厕所对其的排污进行处理。该装置可广泛地应用于对各种有厕所排污进行的场合。是建设环保型厕所的一理想的处理装置.

1厕所排污系统硬件设计

1.1排污流程

厕所排污系统由真空排导、排污收集系统、污水处理三大系统组成。如图1为厕所排污流程图。

图1 污水排污流程

从图1可知排污过程为：（1）污水、粪便的收集；由用厕所人员所产生的尿液、洗手污水等污水及粪便，本装置采用真空排导方式进行抽取排空，这种方法能减少100%的用水量，可有效地节约水资源和有效地降低厕所污水和粪便存储空间的要求及处理成本；（2）尿液及污水的处理：对厕所内排出的尿液及洗手水等污水，本装置具有臭氧氧化、电解沉淀、TBFB、ACFB、MBR、OR 过滤的功能进行水处理，而后进行加压送到排尿及排粪所需用水的管路进行循环使用；（3）粪便的处理：厕所排出的粪便在进行初级沉淀后，沉淀部分本装置具有钒化、压滤、干燥、粉碎等过程后制成的干的有机干粉可直接作有机肥。如表1为污水处理排污指标要求。

表1 污水处理排污指标

1.2污水排污硬件设计

1.2.1排污硬件要求

智能化高效污水处理控制系统的设计不仅要实现污水处理的自动控制，包括混合、搅拌、流量、分流、清汚等操作; 而且能够依据主要污水处理工艺参数和装置运行参数（表1排污硬件要求），通过在装置各处设置的各类传感器的现场数据采集，运用模式辨识和优化技术，合理的调整为最佳运行状态的需求，保证装置的运行效率、处理效果和经济性。

表1 排污硬件要求

厕所排污水处理能力为≤0.3m^3/h；电能耗为平均功耗 1.0kw/h 最大功耗：10kw/h。

1.2.2排污硬件设计

厕所排污自动化系统系统由控制器、真空排导模块、污水指标检测模块、无线传输模块、自动控制模块、干燥系统组成。如图2为排污硬件结构。

图2 系统结构

核心功能模块有PLC+STM32控制器构成，其中干燥系统是系统特有功能。

(1)PLC主控制器选择

根据本工程工艺特点，系统的主控制器选用美国罗克韦尔自动化公司旗下 ABControlLogix 系列和 CompactLogix 系列 PLC。Controllogix 系统以紧凑的、经济的产品提供离散控制、驱动控制、运动控制、过程控制、安全控制、便利的通讯连接。除了 RS.232(DF1/DH.485 协议)通讯口外，网络通讯的接口具有模块化的特点。基于 ControlLogix 系列以上的诸多优势，本工程鼓风机房及总变配电室现场控制站和分变配电室现场控制站内控制设备及检测仪表数量多，选用 ControlLogix 系列控制器。1769 CompactLogix 控制器十分适合不需要运动或安全功能的中小型控制应用项目。由于污泥脱水机房及配电室现场控制站内控制设备和检测仪表数量适中，选用1769 CompactLogix 控制器。

(2)仪表选择

液位计采用分体式超声波液位计，输出信号采用 Profibus DP 总线输出，传感器的防护等级 IP68，测量盲区不大于 0.45m，散射角不大于 6 度，变送器的防护等级 IP65，系统测量精度不低于 0.25%。具有声智能处理功能软件，对于固定干扰或虚假回波有抑制功能，可防止水面波动、气泡、碎片等干扰。格栅前后的液位差测量亦采用超声波差测量仪表完成。整个系统由两个超声波传感器作为液位差检测，传感器的数据由带两个超声输入信号的转换器处理后，控制格栅清理系统，并输出继电器信号，用于控制和报警。液位差及输出信号亦采用 Profibus DP 总线输出。管道内及储罐内压力测量采用选用压力变送器，压力变送器将压力的变化转变成电流信号输出，其精度为 0.075%，防护等级为 IP65，信号输出为 4~20mA。

电磁流量计用于测量管道内污水及药液流量。电磁流量计利用法拉第电磁感应测量原理[33]，测其测量精度为 0.25%，采用 Profibus DP 通讯协议。热质式流量计用于气体流量检测，热质流量计直接监测质量流量，不需要温度、压力的补偿，精度为±2%，用 Profibus DP 通讯协议。在线浊度分析仪、pH/T 分析仪实时连续检测；变送器防护等级：IP66。支持 Profibus

DP 通讯协议和 4～20mA 继电器输出。氧化还原电位传感器、溶解氧测量传感器防护等级 IP68。氨氮、COD 测量、总磷测量采用流通式传感器，配置相应的安装附件及变送器。变送器防护等级 IP65，传感器的防护等级达到 IP68，支持 Profibus DP 通讯协议。甲烷气体及硫化氢气体报警仪。报警仪输出信号为 4~20mA，防护等级 IP65。

（3）数据传输模块

为便于将厕所排污测量数据传输到PC端，系统配置RS232串口通信。系统中使用STM32控制器进行系统控制。如图3为数据传输模块设计。

图3 数据传输模块设计

（4）数据转化模块

真空电机保护器通过电流互感器从电机上取得检测电流，之后转化为电压量输入至单片机模拟IO输入通道。单片机接收到此信号后将会调用数模转换器（A/D）模块进行处理。PIC16F690单片机有12个模拟I/O输入通道，这些通道被多路转换到同一采样保持电路。采样保持电路的输出与转换器的输入相连接。转换器通过逐次逼近法产生二进制值，并将结果或剩余的10位数据存入ADRESL（9Eh）和ADRESH（1Eh）。可通过软件方式选择VDD或施加在VREF引脚上的电压作为转换使用的参考电压。其内部框图如图4所示。

图4 A/D框图

A/D转换结果有两种格式：左对齐和右对齐（见图5），都存贮在寄存器ADRESH和ADRESL中。本设计采取左对齐的格式，当输入电压最大为2.3V时，10位A/D格式转换后的精度为2.3/1023=0.0032V，8位A/D格式转换后的精度为2.3/255=0.013V。对于最大检测电流为300A的电流保护器来说，8位A/D格式的精度约为1.17V，在允许误差范围之内。因此本设计后期数据处理时直接忽略最后两位数字，将10位A/D转换值变为8位，以在精度允许范围内便于数据处理。

图5 10位的A/D结果形式

单片机在启动A/D模块后对三路模拟量输入轮流进行转换，每转换完一轮后对三个转换结果进行比较，取出其中最大值作为显示电流值，若此值大于电流保护值则过载报警标志为置位，同时开始计时；若此值大于电流保护值3倍则堵转报警标志位置位，同时开始计时。另外，若最小电流值小于最大电流值50%，则缺相报警标志位置位，同时开始计时。当计时器到达设置时间时即认为已发生保护器应报警的三种情况之一，此时根据标志位即可判断报警源。随后跟相关报警指示灯常亮以指示报警原因，单片机通知ZigBeeRM模块报警源，RM模块通过ZigBee无限网络协议将报警信息发送至CM模块。

2厕所排污系统软件设计

根据厕所排污系统要求，厕所排污系统由上位机软件和下位机软件。如下进行详细设计。

2.1上位机设计

为提高软件开发效率上位机软件采用C#编写，系统使用开源SQLite和MySQL数据库进行厕所排污检测数据管理。上位机负责向用户展示下位机采集信息。如图为厕所上位机软件流程图。

图6 上位机程序流程图

上位机中功能模块比较多，文章对干燥系统进行详细分析。

（1）超重干燥系统

在智能环保厕所屏幕（屏幕一）上操作：点击屏幕，进入“智能环保厕所系统”主界面，在“超重干燥系统”界面内分别有“自动页面”、“参数设定”、“手动页面”等三个超重干燥功能模块的按钮，点击相应的按钮便进入相应的功能模块。在超重干燥屏幕（屏幕四）上操作：点击“超重干燥系统”界面上方的“自动页面”进入“超重干燥自动控制系统”界面，装置进入“超重干燥自动控制系统”界面状态见图7所示。

图7超重干燥自动控制系统界面

在超重干燥屏幕（屏幕四）上操作：在“超重干燥自动控制系统”界面右下边点击“参数设置”按钮进入“干燥自动参数设定”界面，见图8所示。

图8干燥自动参数设定界面

在干燥控制屏幕（屏幕五）上操作：点击屏幕，进入“微波干燥”主界面，微波干燥功能模块的按钮，点击相应的按钮便进入“干燥控制画面”界面图9.

图9 干燥控制画面

2.2下位机设计

下位机的软件在 ＲealView MDK 环境下编写。首先对处理器进行初始化，进行 GPIO 端口、系统时钟、USAＲT、A/D 转换器等模块的配置。然后进行排污系统温度、BOD、SS、氨氮、PH、COD等指标的采集。

2.3算法设计与实现

确定装置的测试重复性时，选择控制量限、最大负载，在功率因素 1.0、0.5 ( L) 分别确定基本误差0.05级及以下装置进行不少于5次测量，0.03级及以上装置进行不少于 10 次测量，每次测量必须从开机初始状态重新调整至测试状态。按式（1）计算实验标准差 s( % ) :

通过测试厕所排污自动化系统等级为0.05级，，测量最大负载的实际功率值和的实际误差值，计算分析装置输出功率稳定度和测试重复性的标准偏差估计值。

3系统不确定度分析

不确定度分为A类不确定度和B类不确定度。A 类不确定度各分量可用实验标准差表征，对三相四线被检测单元在平衡负载点为:220V /10A 和 在装置重复性条件下独立测量 5次，得到的测量值为两次误差的平均值，用统计分析方法获得实验标准差 s。通过计算A类不确定度标准偏差S<0.01.

4结论

智能化厕所排污处理系统使得高效澄清池污水在节约能源和降低原材料消耗方面效益显著，占地面积小，污水处理的效率高、出水水质好等方面有实际意义。本文仅对整个污水处理系统的工艺流程、控制系统结构方案和系统的软硬件设计进行了初步的探讨。实际上，整个系统相当复杂，包含软硬件中断程序、PID 控制程序的改进、人机界面的设计、仿真软件 S7 － PLCSIM 的模拟运行，对系统参数进行优化处理等。通过对智能化污水处理系统进行区域性试验，及时改进系统运行过程中遇到的问题，使得整个系统能够平稳高效运行。

参考文献

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[6]王晓瑜.基于SIEMENSS7-200PLC及HMI的污水处理监控系统设计与仿真[J].自动化与仪表,2018,33(09):28-31.