نظرة عامة

　　1. نظرة عامة:

　　تُظهر المعلومات ذات الصلة أن الولايات المتحدة تمتلك مصنع معالجة مياه صرف صحي واحدًا لكل 10,000 شخص في المتوسط، في حين يمتلك كل من المملكة المتحدة وألمانيا مصنع معالجة مياه صرف صحي واحدًا لكل 7000 إلى 8000 شخص. أما الصين فتمتلك مصنع معالجة مياه صرف صحي واحدًا فقط لكل 1.5 مليون شخص. لذا، فإن معالجة مياه الصرف الصحي في الصين أمر ملح للغاية، كما أن سوق معالجة مياه الصرف يشهد حالة مزدهرة حقيقية.

　　2. عمليات معالجة مياه الصرف الصحي الشائعة:

　　تتضمن طرق معالجة مياه الصرف الصحي بشكل رئيسي الطرق الفيزيائية والكيميائية والفيزيائية-الكيميائية وكذلك البيولوجية. ويمكن استخدام هذه الطرق إما بشكل فردي وفقًا للظروف الحقيقية، أو بالاشتراك مع بعضها البعض حسب نوعية مياه الصرف المختلفة. وفي الوقت الحالي، تُعتبر طرق المعالجة البيولوجية هي الطريقة الرئيسية في معالجة مياه الصرف، وتُستكمل أحيانًا بطرق المعالجة الفيزيائية والكيميائية. ومن بين العمليات الشائعة نذكر ما يلي:

　　(1) طريقة الحمأة النشطة التقليدية. إنها أقدم عملية لمعالجة مياه الصرف الصحي، وتتكون بشكل رئيسي من خزان التهوية وخزان الترسيب. أثناء بقاء الملوثات العضوية في خزان التهوية، تقوم الكائنات الحية الدقيقة الموجودة فيه بامتصاص معظم المواد العضوية من المياه، ثم تُؤكسد هذه المواد إلى مركبات غير عضوية داخل الخزان. بعد ذلك، تترسب كتل الكائنات الحية الدقيقة في خزان الترسيب، وبعد فترة زمنية معينة، يمكن إخراج المياه النقية. وللحفاظ على تركيز الحمأة في خزان التهوية، يجب إعادة جزء من الحمأة النشطة التي تم ترسيبها في خزان الترسيب إلى خزان التهوية مرة أخرى.

 

 

　　من مزايا هذه العملية: معدل عالٍ لإزالة المواد العضوية؛ حمولة عالية من الحمأة؛ حجم صغير للحوض؛ استهلاك منخفض للكهرباء وتكاليف تشغيل منخفضة.

　　من عيوب هذه العملية: تتطلب طريقة التهوية العادية مساحة كبيرة، مما يؤدي إلى استثمار كبير في البناء؛ وهي تكفي فقط لتلبية المؤشرات ذات الصلة في معايير معالجة مياه الصرف الصحي؛ كما أنها عرضة لحدوث تمدد الطمي؛ ومعدل إزالة الفوسفور والنيتروجين منخفض.

　　(2) طريقة A/O. هي عملية معالجة مياه الصرف الصحي تم تطويرها استنادًا إلى طريقة الحمأة النشطة التقليدية، حيث يرمز A إلى Anoxic (لاهوائي)، ويرمز O إلى Oxic (هوائي). طريقة A/O هي عملية بيولوجية لمعالجة مياه الصرف تتبع نظام التفاعل اللاهوائي-الهوائي للنترجة والتنفس العكسي. تساعد هذه العملية بشكل فعال في معالجة محتوى النيتروجين في مياه الصرف من خلال إضافة خزان هوائي وخزان لا هوائي لتشكيل نظام التفاعل هذا، مما يحقق تأثيرًا واضحًا في إزالة النيتروجين. ومع ذلك، يتطلب نظام التفاعل بين النترجة والتنفس العكسي سيطرة دقيقة جدًا، مما يفرض متطلبات إدارة أعلى على هذه العملية، وهو ما يمثل أحد عيوبها الرئيسية.

　　(3) طريقة الأكسدة بالقناة الدائرية. هي نوع من تحويل طريقة الحمأة النشطة، وتنتمي إلى طرق الحمأة النشطة ذات الحمل المنخفض والتهوية الممتدة. تدور خليط المياه العادمة والحمأة النشطة باستمرار داخل قناة تهوية دائرية الشكل، ولذلك تُعرف أيضًا باسم "حوض التهوية الدائري". تتميز طريقة الأكسدة بالقناة الدائرية ببساطة عملية المعالجة والمنشآت، وعدم وجود خزانات ترسيب أولية أو أحواض نترجة للحمأة، بالإضافة إلى معدل عالٍ لإزالة المواد العضوية، وإمكانية إزالة النيتروجين والفوسفور (عن طريق إضافة حوض لاهوائي أمام القناة)، وكمية قليلة من الحمأة المتبقية يسهل تجفيفها، وثبات جودة المعالجة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تعاني من بعض العيوب مثل الحمل المنخفض، والاستخدام الكبير للأراضي، والاستهلاك العالي للطاقة، والتكاليف التشغيلية المرتفعة نسبيًا، مما يجعلها مناسبة لمصانع معالجة مياه الصرف الصغيرة والمتوسطة الحجم ذات الأحمال المنخفضة. ويمكن تصنيفها بناءً على المنشآت المختلفة إلى: طريقة كاروسيل للأكسدة، وطريقة أوبر للأكسدة، وطريقة الأكسدة المتكاملة.

　　بالإضافة إلى ذلك، هناك طرق A2/O وA/B وSBR وUNITANK، لن نقدم شرحًا مفصلاً عنها هنا. إذا كنت بحاجة إلى معرفة التفاصيل، يرجى مراجعة المواد المهنية ذات الصلة.

　　3. أشكال التحكم في نظام معالجة مياه الصرف الصحي

　　(1) نظام DCS. هو الاختصار لنظام التحكم الموزع، ويُعرف أيضًا بنظام التحكم الحاسوبي الموزع، وهو نتاج تداخل متبادل بين تقنيات الحوسبة وتقنيات معالجة الإشارات وتقنيات القياس والتحكم وتقنيات شبكات الاتصال وغيرها. يتكون من جهاز كمبيوتر ووحدات طرفية في الموقع، وتربط هذه الوحدات عبر شبكة محطات التحكم في الموقع ومحطات الكشف ومحطات التشغيل ومحطات التحكم، مما يتيح إنجاز وظائف التحكم الموزع والتشغيل والإدارة المركزية. يستخدم بشكل رئيسي في مختلف عمليات الإنتاج، ويمكنه رفع مستوى الأتمتة وإدارة العمليات الإنتاجية، ومن أبرز خصائصه ما يلي:

　　① يعتمد التحكم الموزع المتدرج، مما يقلل من كمية نقل المعلومات في النظام ويجعل تطبيقات النظام أكثر بساطة.

　　② تم تحقيق التحكم اللامركزي الحقيقي، مما يُوزع خطر النظام ويرفع من موثوقيته.

　　③ تمتلك قدرة توسعية قوية.

　　④ موارد برامجية ومادية وفيرة، قادرة على التكيف مع مختلف المتطلبات.

　　⑤ جودة عالية في الوقت الفعلي واستجابة سريعة.

　　(2) نظام التحكم بالحافلات الميدانية. وهو يتطور من DCS وPLC، ويُعدّ نظامًا أوتوماتيكيًا للتحكم يعتمد على الحافلات الميدانية. يقوم هذا النظام بنقل البيانات وتبادلها بين الأجهزة الذكية والحاسوب وفقًا لبروتوكولات اتصال مفتوحة ومعايير محددة، مما يتيح تحقيق نظام تحكم وإدارة متكامل أوتوماتيكي، وتتمثل مزاياه فيما يلي:

　　① يمكن الاستفادة من الموارد البرمجية والمادية الغنية للحاسوب.

　　② استجابة سريعة، وخصائص زمنية جيدة.

　　③ بروتوكولات الاتصال مفتوحة، ويمكن ربط منتجات مختلفة ببعضها البعض.

　　(3) نظام PLC. تُستخدم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة كوحدة تحكم لمعالجة النظام، مما يتيح تحقيق المتطلبات الوظيفية لنظام التحكم. كما يمكن استخدام الكمبيوتر كجهاز رئيسي للتواصل مع وحدة التحكم المنطقية عبر الشبكة، لمراقبة عملية الإنتاج في الوقت الفعلي. وتتميز بالخصائص التالية:

　　① برمجة سهلة، دورة تطوير قصيرة، وصيانة سهلة.

　　② متعدد الاستخدامات وسهل الاستخدام.

　　③ قدرة تحكم قوية.

　　④ هيكل معياري، قدرة كبيرة على التوسع.

　　تصميم النظام

　　1. مبدأ عمل نظام معالجة مياه الصرف الصحي

　　(1) مخطط الإطار العام لنظام التحكم: كما هو موضح في الشكل 2، تعد وحدة تحكم PLC NA400 هي المتحكم الأساسي، وتقوم بتنفيذ عمليات تشغيل وإيقاف وضبط سرعة المعدات ذات الصلة من خلال استشعار إدخالات أزرار لوحة التشغيل، ومدخلات المستشعرات المختلفة، وكذلك المدخلات التناظرية ذات الصلة.

　　

 

　　الشكل 2

　　(2) عملية العمل: في الوضع اليدوي، يتم التحكم في مختلف الأجهزة بناءً على إدخالات أزرار لوحة التحكم، دون أي قيود منطقية، مما يعني أنه يمكن التحكم فيها بغض النظر عن حالة المستشعرات. وفي الوضع الآلي، يتم تنفيذ التحكم المغلق الحلقة، حيث يقوم النظام بتشغيل وإيقاف الأجهزة بناءً على حالة المستشعرات الخارجية التي تم اكتشافها، وعملية العمل موضحة في الشكل 3.

　　① قم بتوصيل الطاقة، وابدأ في وضع التحكم الآلي، وشغّل خلاط الغمر وجهاز كشط الحمأة.

　　② تشغيل جهاز الشبكات الخشنة والدقيقة، مع التشغيل المتقطع، أي التشغيل لفترة ثم التوقف لفترة، ومواصلة التشغيل بشكل دوري.

　　③ يتم التحكم في تشغيل وإيقاف جهاز تنظيف الأوساخ بناءً على حالة فرق المستوى التي تم إرجاعها.

　　④ يتم التحكم في تشغيل وتوقيف المضخات الغاطسة في غرفة ضخ المياه، وكذلك في عدد المضخات العاملة، بناءً على ارتفاع مستوى السائل.

　　⑤ تعمل آلة التهوية ذات الأقراص الدوارة بالتحكم بناءً على القيمة التناظرية التي يوفرها مقياس الأكسجين المذاب بعد معالجتها بواسطة جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، كما تتحكم في تشغيل وتوقيف جهاز الفصل.

　　⑥ يتم التحكم في تشغيل وإيقاف مضخة تدوير الحمأة وفقًا لارتفاع مستوى السائل.

　　⑦ في نظام تجفيف الحمأة، يتم تشغيل جهاز التجفيف بالطرد المركزي باستخدام طريقة التحكم التسلسلي، حيث يتم تشغيل أجهزته واحدة تلو الأخرى.

　　

 

　　الشكل 3

　　 2. تكوين نظام الأجهزة

　　(1) اختيار جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC). وفقًا لمتطلبات الوظائف لنظام التحكم الكهربائي الخاص بمنظومة معالجة مياه الصرف الصحي، وكذلك لمستوى تعقيدها، تم اختيار جهاز NA-400PLC ليكون وحدة التحكم الرئيسية لنظام التحكم الكهربائي في منظومة معالجة مياه الصرف الصحي، مع مراعاة العوامل الاقتصادية والموثوقية. يحتوي النظام على عدد كبير من نقاط الإدخال/الإخراج الرقمية، كما يتطلب أيضًا جمع كميات تناظرية والاستفادة من وظائف التحكم بالكميات التناظرية؛ ولذلك، هناك حاجة أيضًا إلى توسيع وحدات إدخال/إخراج الكميات التناظرية. التكوين المحدد موضح في الجدول 1.

　　

 

　　(2) تخصيص نقاط الإدخال/الإخراج لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة

　　① جزء المدخلات الرقمية، في نظام التحكم هذا، تنتمي كميات الإدخال المطلوبة بشكل أساسي إلى الكميات الرقمية، وتشمل بشكل رئيسي مختلف أزرار التحكم وأزرار الدوران والإدخالات الرقمية، بإجمالي 31 مدخلًا رقميًا، كما هو موضح في الجدول 2.

　　

 

　　الجدول 2

　　② جزء الإخراج الرقمي. في نظام التحكم هذا، تشمل الأجهزة الرئيسية التي يتم التحكم في إخراجها مفاتيح كهربائية مختلفة وصمامات وغيرها، بإجمالي 19 نقطة إخراج، تم تخصيصها بالتفصيل كما يلي

　　

 

　　الجدول 3

　　③ جزء المدخلات التناظرية. نظرًا للحاجة إلى جمع البيانات التي يوفرها مقياس الأكسجين الذائب، تم توسيع وحدة إدخال وإخراج تناظرية واحدة، كما هو موضح بشكل مفصل في الجدول 4.

　　

 

　　الجدول 4

　　④ جزء إخراج الكمية التناظرية. في نظام التحكم هذا، يلزم معالجة البيانات المستخلصة من الكمية التناظرية، ثم استخدام منفذ الإخراج التناظري للتحكم في محول التردد، وبالتالي التحكم في تشغيل الأجهزة الأخرى، كما هو موضح في الجدول 5.

　　

 

　　الجدول 5

　　(3) تخصيص الموارد الأخرى

　　① ملامسات النظام يتطلب هذا النظام ما مجموعه 17 ملامسة: ملامسات آلة الشبكة، وملامسات آلة تنظيف الأوساخ، وملامسات المضخة الغاطسة، وملامسات جهاز الفصل، وملامسات جهاز التهوية بالقرص الدوار، وملامسات خلاط المياه الغاطس، وملامسات جهاز كشط الحمأة، وغيرها.

　　② يستخدم محول التردد محول SIEMENS MM430، وهو محول متخصص في أحمال مراوح ومضخات المياه. وفي نظام التحكم هذا، يلزم إجراء التحكم الاتصالي بمحول التردد، لذا يجب أولاً ضبط معلمات المحول، مع إجراء التعديلات الرئيسية على المعلمات التالية، كما هو موضح في الجدول 6.

　　

 

　　لأجهزة تحويل التردد الخاصة بالنظام الفرعي، يتم استخدام التحكم عبر الاتصالات أثناء الضبط اليدوي، ولذلك يلزم تغيير معلمات جهاز تحويل التردد.

　　③ أنواع مختلفة من الأزرار وواجهات الإنسان والآلة وجهاز قياس فرق المستوى وجهاز قياس الأكسجين المذاب وغيرها.

　　3. تصميم أنظمة البرمجيات

　　أثناء عملية تصميم البرنامج، يتم استخدام العديد من العناصر البرمجية مثل مُرحّلات وسيطية وسجلات وموقّتات وغيرها. ولتسهيل البرمجة والتعديل، يتم أولاً إعداد قائمة بالعناصر البرمجية التي قد تُستخدم قبل كتابة البرنامج، كما هو موضح في الجدول 7.

　　

 

　　(1) برنامج التحكم اليدوي: بعد تشغيل النظام، عند اختيار طريقة التحكم اليدوية، يمكن التحكم في تشغيل كل جهاز عن طريق الأزرار الموجودة على اللوحة. تُستخدم الطريقة اليدوية بشكل رئيسي لتسهيل عمليات الضبط أثناء التركيب الأولي للخط الإنتاجي، والتحقق مما إذا كانت الأجهزة تعمل بشكل طبيعي أم لا. وفيما يلي برنامج التحكم اليدوي.

　　

 

　　

 

　　(2) برنامج التحكم الآلي: في الإنتاج، يتم غالبًا استخدام العمليات الآلية للتحكم، حيث تتحكم الأنظمة في تشغيل وإيقاف المعدات، وكذلك في التحكم بسرعة الدوران، وذلك من خلال إشارات التغذية الراجعة من أجهزة الاستشعار. ويظهر برنامج التحكم الآلي كما يلي.

　　

 

　　(3) البرامج الوظيفية: في هذا النظام، يتم استخدام البرمجة المعيارية، وتشمل كتل الوظائف آلات الشبكات الخشنة والدقيقة، والمضخات الغاطسة، وأنظمة إزالة الأوساخ، وأنظمة إعادة تدوير الحمأة، بالإضافة إلى الاتصالات مع محولات التردد. نقدم هنا أمثلة على بعضها فقط، مع التركيز بشكل خاص على كتلة الوظيفة المتعلقة بالاتصال بمحولات التردد.

　　① برنامج نظام جهاز الشبكة الخشنة، يكمل التحكم في جهاز الشبكة الخشنة وجهاز إزالة الأوساخ، ومخطط النظام على شكل سلم موضح أدناه.

　　

 

　　② برنامج نظام ترسيب الرمال بالتهوية، يكمل التحكم في تشغيل جهاز تهوية الأقراص الدوارة وضبط سرعته وإيقافه، والرسم التخطيطي للنظام هو كما يلي.

　　

 

　　

 

　　③ برنامج قراءة المعلمات لجهاز تحويل التردد، يستخدم لتردد الخرج الخاص بجهاز التحويل، والبرنامج البياني للهرم الخاص بقراءة معلمات جهاز التحويل موضح أدناه.

　　

 

　　④ تعليمات PID، تُستخدم لمعالجة الكميات التناظرية، وتُخرج البيانات AOUT إلى %QW0001، وذلك لإخراج كميات تناظرية للتحكم في تشغيل الأجهزة الأخرى.

　　

　　1. المشكلات المتعلقة بالأجهزة

　　تشمل المشكلات الرئيسية في الأجهزة ضمن نظام معالجة مياه الصرف الصحي التصميمات الدائرية الخارجية للهيكل الميكانيكي ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، بالإضافة إلى أماكن التوصيل.

　　تتعلق المشكلات المتعلقة بالهيكل الميكانيكي بشكل رئيسي بموقع تركيب جهاز التهوية القرصي الدوار، والذي يجب وضعه في المكان المناسب وفقًا لتصميم حوض الأكسدة. إذا كان الموقع مناسبًا، يمكن استخدام عدد قليل من أجهزة التهوية للقيام بوظيفة تزويد الأكسجين. أما فيما يتعلق بالتوصيلات المادية الخارجية لجهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، فتتمثل أساسًا في إضافة بعض معدات الحماية. نظرًا لأن المخرجات تتصل عادةً بعناصر مثل الملامسات، فإن الانقطاع والانغلاق المفاجئين للملامسات قد يُحدثان موجات متغيرة مفاجئة تؤدي إلى تلف محطات الإخراج في جهاز PLC. لذلك، من الضروري تركيب بعض أجهزة الحماية، مثل ديودات استمرار التيار، وذلك لزيادة عمر الملامسات.

　　2. المشكلات المتعلقة بالبرمجيات

　　بعد الانتهاء من كتابة البرنامج، يجب أولاً إجراء محاكاة برمجية للبرنامج على الكمبيوتر، وذلك لفحص وجود أي أخطاء بشكل رئيسي، ويمكن استخدام برنامج المحاكاة المدمج في NAPro. بعد ذلك، يتم فحص البرنامج بحثًا عن أخطاء منطقية من خلال محاكاة الأجهزة. وعند التصحيح، يمكن إجراؤه حسب وحدات الوظيفة بشكل منفصل، ثم إجراء التصحيح الشامل في النهاية.

　　ملخص التصميم

　　يستخدم هذا النظام التحكم وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة من سلسلة NA400 لشركة Nanda Aotuo للتكنولوجيا كجهاز تحكم أساسي. وفي هذا النظام، تم تحقيق توقيت طويل المدى باستخدام مزيج من أجهزة المؤقتات وأجهزة العدادات، بينما تُطبق طريقة التحكم في محولات التردد عن طريق التحكم التناظري، مع استخدام تعليمات PID لتحقيق التحكم المغلق، مما يلبي متطلبات التحكم في نظام معالجة مياه الصرف الصحي. وهنا نود أن نشكر المهندس الكهربائي تشانغ يونفينغ من شركة شاندونغ فييانغ لهندسة البيئة، الذي ساهم بقوة في إثراء محتوى المقال بشكل كبير.