基于PLC的污水處理中心自控及監控系統

李曉輝，鄭 晟，孫彥鵬

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

近年我國的污水處理行業雖然取得了較大發展，但仍然存在污水處理廠設計標準低、設備和工藝技術落后等問題。污水處理工藝與其他工藝過程相似，需要在一定的溫度、壓力、流量、液位等工藝條件下進行。污水處理的可變因素較多，水量、濃度、溫度、氣量、微生物狀態、機械運行和系統控制情況等，都會影響污水處理效率以及功能，因此盡快建立自動化程度較高的污水處理廠并高效運作已經成為當下刻不容緩的任務[1]。

根據污水處理中心綜合情況，結合國際國內的先進技術以及經驗，進一步強化污水處理中心自控和計算機監控系統。計算機監控系統能夠即時監控污水處理的每道工序，即控工藝。監控泵站設備運行，使機組能達到計算機控制優化運行；組建上位機系統，經過上位機將泵站運行參數、污水濃度、排水流量、水位高低等工情以及水情信息形象展示出來。計算機監控系統還能夠以視頻形式全方位的監視污水處理中心重點區域，為操作員及時作出反應提供技術保障。

1 系統設計目標

1）強化泵站自控系統，增強泵站自控可靠性，提高自控水平，達到泵站優化運行的目的，運用組態軟件 （ACCRDB9.0）監控工藝流程中的關鍵環節。

2）建立廠區視頻監控系統，使管理者能實時了解廠區重點區域的情況。

2 系統具體設計

污水處理中心自控系統包含兩個子系統，泵站自動監控系統與廠區視頻監控系統。

2.1 泵站自動化監控系統

工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow chart of production process

根據污水處理工藝流程圖，整個泵站自動化監控系統分為3個站，站間相互獨立地構成各自系統，最后各個站的信息全部通過交換機送達上位機進行統一調度和管理。泵站自動化監控系統包括11臺變頻器和3臺PLC控制箱以及所屬配電柜。

2.1.1 1號現場控制站

1號現場控制站主要控制設備包括城區管網污水進水管的4個電動閥，粗格柵提升泵房（6臺泵，3臺變頻控制，3臺軟啟動控制）中3臺變頻控制泵，細格柵間的1個空壓機、3臺泵和3個電動進水閥，沉砂池的5臺電動排泥調節閥，1臺沙水分離器，變頻泵能根據工藝要求設定成液位控制方式和流量控制方式[2]。

本系統所采用控制器為西門子S7-300控制器，控制信息通過工業以太網模塊傳到上位機進行統一管理，網絡系統采用以太網模塊管理，變頻器速度給定和調節閥開口度在上位機直接給定，上位機能實時讀出變頻器反饋速度與調節閥開口度，每個泵的開啟都可以在上位機上面進行[3]。很多重要信息都能夠在上位組態畫面很直觀的顯示出來，如泵的運行信號、污水濃度、變頻器故障信號、流量大小、液位高低、閥的開關到位信號等。

2.1.2 2號現場控制站

2號PLC控制站主要控制設備包括厭氧池潛水攪拌器8臺，氧化溝表面曝氣機12臺，根據水中溶解氧的濃度測定來控制污泥回流泵房的5臺回流泵，3臺排泥泵，二沉池的2臺刮泥機的電機轉速。本系統采用控制器為西門子S7-300控制器與一個擴展機架，本站控制原理與1號站相同。

2.1.3 3號現場控制站

3號PLC控制站主要控制設備有接觸池反沖洗泵3臺，污泥泵房的帶式壓濾機2臺等。該站需完成兩項任務：一是對SBR輸出水進一步加藥處理，除去水中有害微生物，使水質達標；二是將排出的污泥進行加藥處理，并加入適量化肥進行烘干[4]。

系統采用西門子S7-200控制器[5]，控制信息通過工業以太網模塊傳到上位機進行統一管理，網絡系統采用以太網模塊管理，能夠在上位機直接控制泵的起停，監視泵的起停狀態。 兩臺上位機位于中控室中，依據實際工藝流程繪制相應組態畫面，對污水處理工藝流程進行監控。

2.2 廠區視頻監控系統

隨著經濟水平和科技的飛速發展，人們對安全的要求也原來越高，因此監控行業在全球范圍內迅速發展，監控技術也得到進一步發展[6]。根據污水處理中心現實情況，在中心的4個角落安裝4臺，厭氧池1臺，氧化溝2臺，沉砂池1臺，綜合樓1臺，共9臺攝像頭建立廠區視屏監控系統，管理者可以足不出戶實時監控重點區域。

2.2.1 攝像部分

攝像部分是監控系統的“眼睛”，它布置在被監視場所的特定位置上，使其視場角能覆蓋整個被監視的各個部位。在攝象機上加裝電動的（可遙控的）可變焦距（變倍）鏡頭，使攝象機所能觀察的距離更遠、更清楚，攝象機安裝在電動云臺上，用控制器控制，可以使云臺帶動攝象機進行水平及垂直方向的旋轉，進而使攝象機能覆蓋的視覺面積達到最大。最后把監視內容轉換為圖象信號，傳輸給控制中心的監視器。

圖2 PLC控制流程圖Fig.2 PLC flow chart

2.2.2 傳輸部分

傳輸部分是系統圖象、聲音、控制等信號的通道，采用光纖方式傳輸，要求圖像信號經過傳輸系統不能產生明顯失真（色度信號與亮度信號均不產生明顯的失真），保證原始圖像的灰度和清晰度不能有明顯下降。

2.2.3 控制部分

控制部分是整個系統的指揮中心，控制部分主要由總控制臺（有些系統包含副控制臺）組成，總控臺主要功能：視頻信號放大與分配、圖象信號切換、圖象信號校正與補償、圖象信號記錄等；對攝象機、電動變焦鏡頭、云臺等進行遙控，達到對所監視場所全面、細致的了解；對系統防區進行布防、撤防等。當防區出現非法入侵，報警信號立刻傳送到總控制臺，能夠顯示報警防區、閃光燈、聯動警號、前端燈光等設備。

2.3 系統軟件及網絡系統

ACC-RDB9.0監控組態軟件開發過程采用先進軟件工程方法：“測試驅動開發”，使產品品質得到了充分的保證，單臺服務器處理點數可達100 000點，支持多臺服務器相互通信，具有控制、數據采集、數據管理、數據 、報警、記錄、趨勢、報表生成等功能。交換機選用4臺MOXA工業以太網冗余交換機組成以太環網，MOXA支持SNMP協議，可方便地通過串口、telnet進行管理。專用網管軟件Kyvision3.0能夠觀察網絡上每一個節點的設置，通過對網絡全面監視，可以實現全面的負載和故障分析，Kyvision3.0的交互式用戶界面如圖3所示，以及設備圖案化使網絡管理更直接、更方便、更易于理解，工作組方式的管理，使VLAN的劃分以及管理更方便。污水處理中心自動化網絡拓撲圖如圖4所示。

3 結 論

圖3 Kyvision網絡管理軟件主界面Fig.3 Kyvision host interface

圖4 污水處理中心自動化網絡拓撲圖Fig.4 Automatic network topology of sewage disposal

文中構建了以西門子S7-300為控制核心的污水處理自控及監控系統，描述了工藝設計和自動控制及監控系統設計，根據工藝流程整個泵站控制部分分為3個站，站間相互獨立構成系統，各個站的全部信息經過交換機最后到達上位進行統一管理，根據污水處理中心實際情況，布設9臺攝像頭組成廠區視屏監控系統，實現管理者能在中控室內實時監控廠區的各個角落。該系統有較好的擴展功能，實用性和經濟型，實現了集中管理，分散控制，使系統的可靠性增強，危險性降低。

[1]王東云，牛正光.CompactLogix PLC在污水處理系統中的應用[J].電子技術應用，2008（6）：88-93.WANG Dong-yun，NIU Zheng-guang.Application of Compact Logix PLC in sewage disposal system [J].Application of Electronic Technique，2008（6）:88-93.

[2]趙曙光.可編程邏輯器件原理、開發與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.

[3]廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:電子工業出版社，2008.

[4]周文明，鄒曉嵐，熊勝利.自動控制系統在水廠中的應用[J].自動化博覽，1999（3）:18-19.ZHOU Wen-ming，ZOU Xiao-lan，XIONG Sheng-li.Application of automatic control system in water plant[J].Automation Panorama，1999（3）:18-19.

[5]Siemens.西門子S7-200可編程控制器系統手冊[EB/OL]（2004-06）[2011-08-16].http://www.processtext.com/abcpdfmg.htm l.

[6]Schulzrinne H，Casner S，Frederich R，et al.RTP:A transport protocol for real-time applications[J].RFC 1889，1996（1）:1-79.