西門子PLC在城市污水處理廠中的自動化控制系統設計

曹東朝

(深圳市中冶菲斯電氣設備有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著城市經濟快速發展和城市化的進程加快，污水的排放日益增多，水污染已成為不容忽視的事實，成為了制約城市發展和威脅著人民群眾生命安全的定時炸彈。因此，污水處理廠已成為各個城市最為重要的基礎設施之一，而對污水處理廠的自動化程度要求越來越高。然而，目前多數污水處理廠都存在著污水處理自動化程度不高、運行效率低等狀況。因此，為了提高污水處理廠自動化控制程度，本文介紹了西門子PLC在城市污水處理廠中的自動控制系統的設計，對提高整個污水處理的自動化程度有重要意義。

1 污水處理工藝概述

某污水處理廠總規模20萬m3/d，一期實施10萬m3/d，該工程一期共設AAO池2座，工藝流程如下：原水與從沉淀池回流的污泥首先進入厭氧池，在此污泥中的聚磷菌利用原污水中的溶解態有機物進行厭氧釋磷；然后與好氧末端回流的混合液一起進入缺氧池，在此污泥中的反硝化菌利用剩余的有機物和回流的硝酸鹽進行反硝化作用脫氮；脫氮反應完成后，進入好氧池，在此污泥中的硝化菌進行硝化作用將廢水中的氨氮轉化為硝酸鹽同時聚磷菌進行好氧吸磷，剩余的有機物也在此被好氧細菌氧化，最后經沉淀池進行泥水分離，出水排放，沉淀的污泥部分返回厭氧池，部分以富磷剩余污泥排出。生化池出水由纖維濾池過濾后經紫外消毒之后排出；污水處理過程中產生的混合剩余污泥，通過污泥濃縮處理之后作為泥餅外運；污泥處理過程中排出的污水再返污水處理系統重新處理。工藝流程圖如圖1。

2 網絡結構

設計以安全、經濟、可靠、先進為原則，選擇行業內先進水平的軟硬件產品，使系統在結構上具有一定的開放性和可擴展性，本廠選用了西門子S7200/300系列的PLC，自控系統的系統結構由兩層網絡組成，包括控制級、現場級。系統的兩層網絡分別為基于TCP/IP協議的工業以太網絡、現場總線網。2臺操作站、1臺服務器向下接入現場控制網絡。工業以太網為光纖環網，以光纜為通信介質，保證了網絡的可靠性和安全性，下面連接3個PLC現場控制站，分別為進水泵房控制站、生化池控制站、纖維濾池控制站，控制站下設除臭系統、紫外消毒系統、濾池控制單元，控制站和控制單元之間采用工業現場總線Profibus DP方式通訊，系統站和控制單元之間互相獨立，控制單元故障不會影響上級、下級或同級的控制單元的正常運行。為了提供報表、報警打印服務，配置兩臺打印機，實現各種報表以及實時報警和報警歷史的打印功能。操作站相互在線冗余，當主站由于故障不能通訊時，備站立即接管所有控制功能，變為主站向下通過光纖網絡對各現場監控子站進行監控；當故障站恢復正常時，故障期間的系統需存儲的歷史數據、報警記錄等從另一臺站補回，并且2臺計算機重新回到熱備狀態。建立在Windows 2000/XP基礎上的組態軟件提供了功能全面、簡單易用的操作界面，操作人員通過組態軟件實現對全廠生產過程、工藝參數和設備運行狀態進行實時監控，其網絡結構如圖2。

3 控制方式

污水處理廠控制主要設備為三級：就地、自動及遙控，其他設備為二級控制：就地和遙控。“就地級”為最基本控制級，手動操作就地控制箱上的啟停按鈕，該級為最優先級；“自動級”為設備根據現場控制箱內小PLC進行一定程序的自動操作和設備間的連鎖，該級優先級次之；“遙控級”為設備遠程控制級，分“遠程手動”和“遠程自動”二種狀態，當開關處于“遠程手動”時，分控制站PLC及中控室可“點動”下屬設備，當開關處于“遠程自動”狀態時，分控制站PLC根據進行一定程序的自動操作和設備間的連鎖。分控制站PLC可對下屬各電控箱內自動控制程序中的參數設定，各設備的內部連鎖程序設定由就地電控箱內小PLC完成。這樣的設計使生產運行更加安全、可靠，如果上位機或網絡發生故障，不會影響現場PLC站的工作，而且如果現場控制站PLC出現故障，操作人員也可以通過手動控制按鈕完成設備的啟停。

4 實現的功能

在實現現場各監控站內設備運行控制的基礎上，整個控制系統應實現如下功能。

（1）對PLC現場控制站傳送來的檢測信號進行歸類，以各種棒狀圖、趨勢圖、單參數圖和多參數圖進行顯示和存儲。

（2）對PLC現場控制站傳輸來的設備狀態信號進行顯示。

（3）對各檢測值越限和設備狀態故障信號進行匯總報警，報警信號以變色、閃爍顯示和聲響反映。

（4）根據工藝要求和設備運行工況下達控制指令，實現自動運行控制。

（5）實時檢測進水水質，并根據水質的變化自動選擇不同的控制方式，保證處理效果。

（6）動態顯示工藝流程圖和電氣系統圖。

（7）對傳輸數據進行整理、計算、儲存，按要求自動生成日、月、季度生產數表，隨機打印報警信號和設備開停狀態的變化。

（8）建立設備運行檔案，實施設備優化運行管理。

（9）建立與管理系統的有機聯系，實現數據共享和數據交換。

（10）監測PLC現場控制站的工作狀態，監測網絡運行工況及數據傳輸速率。中控界面例圖如圖3。

污水廠各控制站實現的功能如下。

（1）進水泵房控制主站PLC1集成控制實現：

1）系統檢測粗細格柵遠程/就地狀態、運行、故障狀態，啟動停止控制；

2）除砂系統、砂水分離器：遠程/就地信號、運行故障；

3）攪拌機：運行、停機、故障信號；

4）預處理除臭裝置的設備參數如遠程、運行、故障、硫化氫的濃度；

（2）生化池控制主站PLC2集成控制實現：

1）配電房進線柜、母聯柜：合/分閘狀態、故障信號；

2）配電房電量測量儀內的電流，電壓，功率因素等；

3）生化池的潛水攪拌機、初沉污泥泵、鏈板刮泥機：運行/停止、手動/自動、故障、運行/停止控制信號；

4）水平軸流泵：運行/停止、手動/自動、高溫保護、泄漏保護、過載保護、故障、運行/停止控制信號；

5）電動閘門/堰門：開啟、開啟到位、開啟故障，關閉、關閉到位、關閉故障，手動/自動，開啟控制、關閉控制信號；

6）檢測液位、DO值、MLSS值和浮子開關的信號；

7）加藥間的攪拌機、計量泵：遠程/就地、運行、停機、故障、遙控信號。

（3）纖維濾池控制主站PLC3集成控制實現：

1）鼓風機變頻：當前控制方式、運行、故障信號、啟/停控制、頻率控制等；

2）反沖水泵、儲泥池攪拌器：當前控制方式、運行、故障信號、啟/停控制；

3）出泥管閥門：開啟、開啟到位、開啟故障，關閉、關閉到位、關閉故障，手動/自動，開啟控制、關閉控制信號；

4）污泥濃縮脫水機：當前工作狀態、故障、遙控狀態；

5）紫外線消毒：遠程/就地、運行、停機、故障信號；

6）檢測出水水質參數，包括COD、PH、SS值、空氣流量、壓力、溫度等。

結語

綜上所述，以西門子PLC為主控制器，采用模塊化結構編程，程序可讀性強，維護方便，系統運行穩定。上位機人機界面美觀、便于操作，生動形象地反映了污水處理工藝流程和設備運行情況。對于污水處理廠而言，其污水處理自動化控制水平有了明顯改善。因此，西門子PLC將在污水處理廠中得到更為廣泛的應用。

[1]徐孝斌，西門子S7-300在污水處理中的應用[J].科技風,2011（160.）

[2]黃小娟;趙靜;王喬.基于S7-300PLC的城市污水處理工藝流程控制系統設計[J].世界電子元器件,2011（04）.