一种生物废水灭活系统的设计与实现
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摘 要：生物废水的直接排放不仅严重污染环境，而且浪费资源。针对目前制药厂生物废水处理的不足，本文设计了一种生物废水灭活系统，该系统以西门子200系列PLC为核心控制器，并增加触摸屏控制。PLC监测生物废水的温度、液位、流量、压力等输入模拟量，并根据反馈信息进行自动控制，从而达到生物废水连续灭活的目的。本文详细介绍了系统的软硬件设计，经测试，该系统能够满足生物废水连续灭活的要求，系统运行情况良好。
关键词：生物废水 灭活 PLC 触摸屏
中图分类号：X702 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0128-02
随着制药工业的发展，制药废水的处理已经成为环境保护的一大难题。制药工业废水主要包含抗生素类工业废水、合成药物生产废水、中成药生产废水、各类制剂生产过程的冲洗水和冲洗废水四大类[1]。这些废水成分复杂，有机物含量高，毒性大，生化性很差，如果将生物废水直接排放不仅严重污染环境，而且也浪费资源。
本文针对传统灭菌系统采用手动控制、操作危险性大等问题，采用西门子PLC结合西门子触摸屏实现生物废水灭活系统整个工作过程的自动运行及可视化处理，不仅节约成本，而且提高了操作的安全性和可靠性，为生物制药废水处理实现自动控制提供参考。
1 总体设计方案
整个系统设计方案如图1所示，系统由PLC、触摸屏、各种仪器仪表（温度计、液位计、压力传感器、流量计）、水泵、热交换器、阀门等组成。生物废水通过排放管路收集到灭活水箱中，液位计测量水箱的液位并反馈给PLC，PLC根据反馈信息来控制水泵的启动与停止，同时水泵会根据出水流量，自动调节水泵的频率，确保达到正常流量，生物废水经过水泵初次经过换热器，由灭活温度传感器得到当前灭活水的温度并反馈给PLC，经过系统处理后，按照比例开启比例调节阀加入工业蒸气对生物废水进行加热，当生物废水的温度达到85℃时，维持3min，达到杀灭活性菌体的目的。然后再次经过换热器，形成二次温度加热，同时冷却排放水的温度，从而达到高效利用换热器，高效使用热能的目的。同时可以在触摸屏上设置各种参数以及显示当前阀门状态和水泵状态运行频率，实现整个系统的灵活控制。
2 系统硬件设计
本系统采用的PLC为西门子S7-226PLC，此PLC包含24路输入，16路输出，拥有充足的使用空间，并且仍然有备用空间，226配用2个PORT 端口，可以同时连接触摸屏，以及连接电脑[2]。模拟量输入采用西门子231EM231模块， 此模块拥有4路模拟量输入，可以完全接收系统的温度、压力、液位、流量的4到20ma输入，并且在EM231模块上自带稳定输入信号的功能，使用也十分简单。模拟量输出采用西门子EM232模块，主要让PLC输出信号给变频器，让变频器按照PLC输出信号，输出频率，用来调节水泵的频率[3]。数字量输出采用EM222，此模块有8路DO，用来控制水泵开启信号到中间继电器的连接，同时连接报警器，在系统报警器起明示作用。
3 系统软件设计
整个系统的运行是由PLC来自动控制的，同时辅以触摸屏进行手动控制，由于采用西门子s7-200PLC以及西门子触摸屏TP1200，故开发平台采用了V4.0 STEP 7Micro WIN SP9进行梯形图编程以及TIA Portal V13进行触摸屏程序的编写。
3.1 PLC自动控制程序设计
（1）自动模式启动程序。当液位大于灭活低液位时，水泵启动，同时水泵会根据出水流量，自动调节水泵频率，以达到正常使用流量，这些也可以通过触摸屏进行设置。（参考值：1.0≤V≤2.0）。
（2）手动与自动模式互锁程序。为防止程序错误，在程序设计时，把自动模式与手动模式做了互锁，即：手动与自动模式在开启的同时会把另外一个断开，这样既保证安全也不会因为错误触发而引起不必要的损失。
（3）水泵保护程序。水泵的正常运行，缺少不了诸多安全措施，在水泵运行时，会因为水箱内没有了需要处理的废水，但是水泵依旧在空转，这样极易容易导致水泵的损坏，为防止这类事件的发生，所以要对水泵进行最低液位保护，即：当液位低于低液位时，系统通过液位传感器得到当前液位，发出信号，PLC接收处理信号并发出指令，令水泵停止运行，从而保护水泵，避免损坏。
（4）根据流量调频程序。水泵调频程序是根据流量计得到瞬时流量，与设定值相比较，若低于平均值则会增加水泵频率0.5Hz，若是大于中间值也会增加1Hz频率，且为防止频繁切换，使用了计时器，延时动作，这样既稳定了系统，又保证了不会损坏阀门、水泵。而且在增加频率时候，设置了最大频率（≤49Hz），为防止满频运行影响水泵使用寿命。
（5）比例调节阀开度程序。 通过调节比例调节阀的开度来调节蒸汽进气量，确保不是大量进入，使温度过高，导致灭活系统不稳定。由温度传感器得到当前通过灭活水的温度，反馈给PLC，经过系统的处理，按照比例开启阀门，进行微小的调整，从而稳定系统温度，达到标准的灭活流程。
3.2 触摸屏界面设计
为了使触摸屏和PLC成功通讯，首先需要对通信模式进行设置，其次就是界面设计以及各种按键功能进行设计。在此界面上可以对灭活液位、灭活温度、灭活流量等参数进行设置，手动启动及停止各个阀门及水泵，从而达到灵活控制生物废水灭活系统的目的。
4 结语
PLC和触摸屏联合控制，是当今流行的自动控制解决方案且安全可靠，相对于工控机、上位机控制，触摸屏不会死机，能很好的保存记录和运行状况，而且相对来说价格也便宜一些。利用PLC对生物废水进行温度、液位、流量、压力的控制，从而实现整个生物废水灭活系统的自动运行，极大的减少了操作人员的工作量，避免了操作人员接触，实现了自动控制，无人看守，节能减排，可持续性发展的大计。
参考文献
[1] 宋鑫，任立人，吴丹，等.制药废水深度处理技术的研究现状及进展[J].广州化工，2012，40（12）：29-30.
[2] 鄭凤翼.图解西门子s7-200系列PLC入门[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3] 吴东.PLC在废水处理系统中的应用[J].大连民族学院学报，2011，13（3）：264-265.
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