基于PLC的污水處理系統控制系統設計

蘇東升

（青島恒逸物業管理有限公司，山東青島 266109）

0 引言

水資源的重要性促進了人們對其的開發和利用，與此同時，水資源的短缺與需求量增大之間的矛盾也日趨尖銳，各國政府不僅出臺大量有益于解決水體污染的法律法規，而且加大了在防治水體污染以及治理水污染上的資金和技術支持[1-5]。PLC以其通用性好、可靠性高、編程控制方便、安裝方便等特點得到了廣泛的應用。控制方法一般都為PID 控制，模糊控制逐漸也應用到控制系統中。在污水處理的研究上，建立的數學模型一般都與實際數據存在誤差，而且在節能上與國外相比還有一定的差距，觸摸屏的應用也較為鮮見。本文將PLC[6-8]等控制系統以及觸摸屏[9-10]監控系統的技術應用在污水處理系統的設計中，并與其他生物、自然學科的知識相結合，對于提升污水處理能力、促進污水的循環再生利用將有極大的幫助。

1 污水處理工藝設計要求

圖1 污水處理工藝

污水處理工藝如圖1 所示，按下啟動按鈕后，污水能夠經由進水閥進入系統，并通過粗格柵除污機的初次過濾，將污水送入初級過濾池，實現初級過濾。之后經抽水水泵，從初級過濾池送入管道，并經過細格柵除污機的二次過濾之后，送入次級過濾池。在此實現污水中雜物與污水的分離。在集水池中，攪拌電機開始工作，待污水攪拌均勻后，集水池中的酸堿度檢測設備開始檢測污水的pH值，并通過通訊工具把檢測結果實時傳送給酸堿控制設備，而后，酸泵和堿泵將根據檢測結果控制酸液和堿液的加入，直到污水的pH達到要求標準。之后在SBR池中進行污水的曝氣處理、無氧處理及沉淀過程。預先給SBR 池設定一個液位，在水泵作用下，污水由集水池進入到SBR 池，當污水液面到達SBR 池的預設液位后，SBR 池進水停止。在鼓風機和攪拌電機的共同作用下，污水中溶解氧增多，促進好氧微生物對有機物質的分解利用。此后提供適宜的外界溫度、濕度條件，為池水中的厭氧微生物提供一個適宜的生存環境，使它們能夠很好的分解有機物。在此過程中，產生的污泥將在重力作用下沉降到SBR 池底部，從而實現雜質污泥與處理后污水上清液的分離。當污水沉淀之后，用潷水器引出。潷水器停止工作后，排泥電機開始工作，將SBR 池底殘存的污泥清理干凈。處理后污水進行活性炭吸附處理，除去那些難以被分解的有機物以及其他的一些無機物成分和有毒物質等，使排放的污水滿足污水排放的高標準要求。當系統排泥處理過程結束之后，系統將自動打開進水閥，將新的污水送入到污水處理設備中，從而實現污水處理過程的循環控制。

2 系統硬件的設計

2.1 污水過濾過程設計

按下啟動按鈕，粗格柵除污機的進水閥打開，當一個處理周期結束之后，粗格柵除污機能夠自動啟動，完成新一輪的除污工作。當按下停止按鈕，或者是當初級過濾池、次級過濾池、集水池的液位分別到達其各自的最高液位設定值時，粗格柵除污機都將自動停止工作。初級過濾池進水到設定時間后，細格柵除污機自動啟動；并且初級過濾池液位到達最高限位、次級過濾池液位到達最低限位時，細格柵除污機也將啟動。細格柵除污機的停止采用的原理和方式與粗格柵除污機相同。粗格柵除污機開始工作后，皮帶傳送機應立即開始工作。細格柵除污機停止工作后，皮帶運輸機將延時處理一段時間后再停止運行。系統中裝有3臺水泵，它們的作用都是將前一級處理設備中的污水運送到下一級處理設備中。三個水泵的啟動都是前一設備儲水一定時間后，自動啟動運行的。當初級過濾池液位到達最低限位，或者是次級過濾池、集水池到達最高限位，水泵1 將停止工作；當次級過濾池到達最低限位，或者集水池到達最高限位后，水泵2 將停止工作；當SBR 池的液位到達在污水處理之前預先設定的值之后，水泵3將停止工作。

2.2 集水池和SBR池的電氣設計

集水池控制部分的設計，即控制酸堿液的排放閥，從而調節污水的pH值，使之達到標準。在SBR 池中首先進行的是曝氣處理。污水經水泵3由集水池運輸到SBR 池。到達其液位高限位之后鼓風機和攪拌電機2 開始工作，對污水進行曝氣處理。設定時間繼電器，當曝氣結束之后，給SBR 池提供適宜的無氧、溫度及濕度條件，使無氧處理過程順利進行，并通過時間繼電器控制處理時間，設定的時間值要略大于無氧生物在處理廢水中的最佳處理時間。

2.3 污水的后處理電氣設計

無氧處理后，潷水器開始工作，將收集到的污水再通過活性炭的吸附作用后運送入儲水池中，一般經過這道工序處理后的污水就能夠達到排放標準了。當SBR 池液位到達設定的最低液位之后，池內的潷水器將停止工作，排水結束。當潷水器工作結束后，排泥電機開始工作，將SBR池底部殘存的污水處理泥渣運到儲泥池，然后對儲泥池中的污泥進行進一步的處理，使其達到排放要求。設計的控制時間應該使污泥能夠被徹底的清除干凈。

2.4 電氣設計中的報警設計和總停設計

圖2 系統的電氣設計連接圖

圖3 液位報警電路程序設計

設計中有完善的液位報警部分的設計，當液位值到達最高或者最低限位時，要求相應的指示燈能夠立即閃爍報警，并自動采取相應的控制措施對液位的高度進行調整。

系統設計了一個總的停止按鈕，當按下停止按鈕后，所有的設備都能夠停止工作，原先設定的系統的運行指示燈也將停止工作狀態顯示。

系統的電氣設計連接線路圖如圖2 所示。SB1-SB15 表示各相應的輸入；M0.0-M1.7 表示中間繼電器；Q0.0-Q2.3表示PLC輸出線圈；M表示接地端。

3 系統軟件的設計

污水處理控制系統的軟件設計包括PLC控制程序的編寫和觸摸屏程序的編寫兩大部分。根據輸入輸出口個數的要求，在本設計中選用S7-200系列的PLC。首先根據電氣設計的要求，按照電氣連接圖中的連接，首先對各個變量及輸出進行分配，而后對整個污水處理過程的控制進行程序的編寫。PLC控制程序的編寫采用的是STEP 7-MicroWIN V4.0應用軟件，由于梯形圖語言有著直觀、通俗易懂和易于操作修改等的優點，因此采用梯形圖語言進行程序的編寫。在程序中添加自鎖和互鎖的設置，使系統能夠循環的運行。PLC與計算機之間的通訊使用的是RS-232/PPI多主站通訊電纜。

選用的是步進電機，電機的轉速可以通過編程，改變輸入的脈沖而任意調節。液位的報警電路的設計通過指示燈連續閃爍的方式報警，警報信號指示燈設置為閃爍8 次。也可以加警笛。其程序如圖3所示。針對酸堿度的調節，根據已經設定的傳感器所需要的數據而進行智能調節。程序如圖4所示。PLC程序編寫的流程圖如圖5所示。

在觸摸屏人機界面的設計上，選用的是K-TP 178 Micro 型的觸摸屏，編程軟件選用SIMATIC WinCC flexible 2007。人機界面觸摸屏控制屏設計如圖6所示，點擊集水池、SBR池、酸閥泵手動控制可以查看三者分別的運行控制界面。另外添加了幾個倒計時顯示模塊，以便于操作者掌握和實時觀測各個過程的工作時間。數字顯示模塊則是通過觸摸屏手動改變轉速的數據輸入模塊。

圖4 酸堿度的調節程序設計

4 實驗結果

完成硬件接線和程序的下載之后，將觸摸屏模塊和PLC模塊之間通過通信電纜連接好，按動觸摸屏上的相應控制按鈕之后，觀察觸摸屏上的相應指示燈的工作狀態以及實際接入的電機的工作狀態，通過觀察它們的動作狀態即可以判斷相應的設備是否能夠正常運行。經過演示調試，該控制系統有很好的控制效果，能夠達到污水處理工藝要求和本設計電氣控制的要求，觸摸屏的監控模塊也一直運行正常。

圖5 PLC編程的主程序流程圖

5 結論

本文闡述了在創新改進的基礎上的污水處理系統的工藝流程，并按照實際的設計要求，對系統進行了電氣控制設計、硬件設計、PLC程序設計以及觸摸屏的控制程序的設計。經過不斷的完善和修改，在實驗室條件下進行的演示結果表明本項設計達到了實際的污水處理控制的要求。

圖6 觸摸屏控制屏設計主控制畫面

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