基于PLC控制的污水處理

摘 要：PLC的控制功能具有嚴謹、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優點，因此PLC在現代工業控制領域中早己得到了廣泛的應用。文章介紹了西門子PLC在污水處理中的應用，主要介紹了PLC控制系統的系統配置方案、軟件設計思想和程序結構。

關鍵詞：污水處理；PLC；WINCC；STEP7

1 前言

在現代社會中，經濟及工業技術的發展使得工業廢物的生產量隨之增加。工業廢水和生活廢水給人民生活帶來了極大的影響，因此，如何解決污水問題被全社會廣泛關注，其中有效途徑之一就是建立高度自動化的污水處理廠。污水處理系統主要功能包括現場監控和自動控制兩部分。本系統采西門子S-300 PLC和部分檢測儀表構成下位機，以達到自動控制的功能。整個系統的畫面監測、參數設定和指令控制等功能采用西門子“WINCC V5.1”組態軟件的上位機。該系統集現場監測、設備控制、信息反饋等功能于一體，具有功能完備、自動化程度高、控制原理簡單、易操作等優點。系統的投運極大的降低了操作人員的勞動負荷，提高了管理水平，確保了污水處理工藝長期安全平穩的運行。

2 系統的硬件組成

本系統采用西門子S7-300控制系統。S7-300是模塊化的小型系統，各種單獨的模塊之間可進行廣泛的組合以實現不同的功能[1]。系統設置多機架，包括主機架（CR）和擴展機架（ER），采用接口模塊（IM）實現二者的連接，而數字量和模擬量的輸入輸出則采用信號模塊（SM）。S7-300通過分布式的主機架（CR）和二個擴展機架（ER）的合理配置，可以操作多達24個模塊。為了實現I/O通信，中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通訊接口，編程器、PC機和人機界面等的連接采用多點接口（MPI）。本設計中PLC的硬件配置如下表：

本系統在設計之初就充分考慮了未來功能擴展和改進的實際需要，對數字量輸入輸出模塊（DI/DO）和模擬量輸入輸出模塊（AI/AO）都考慮了余量。該污水處理工藝需要對鼓風機和污泥泵進行動態監測和遠程控制，為此本系統設有一個PLC主站和兩個ET200M從站，如圖1所示。利用SIEMENS公司工業現場總線PROFIBUS-DP可以完成PLC主站與現場ET200M從站之間的主-從通訊。這樣既節約了電纜，又提高了系統的可靠性。將從站1放置在鼓風機房，用以采集鼓風機的轉速等運行參數，由此可以實現操作員對鼓風機運行情況的實時監測和控制。將從站2放置在污泥泵房，用以采集污泥泵的運行參數并對其進行遠程控制。考慮到實際工作流程的需要，用兩臺配置SIEMENS公司CP5611網卡的工業計算機（一臺工程師站和一臺操作員站）并輔以打印機組成了上位機監控系統。上位機監控系統與PLC主站之間的數據通訊則通過PROFIBUS-S7數據通訊網絡完成。同時，配套選用SIEMENS公司的WINCC完成操作員站的畫面組態。

3 污水處理工藝流程

污水處理工藝流程如圖2所示，其核心為由一個厭氧池和一個好氧池組成的反應池。工業污水中往往含有體積較大的塊狀和條狀雜物，這些雜物在通過隔柵時被攔截下來。被攔截下來的雜物通過專門機械收集、壓實，然后輸送到專門的盛放池，待累積一定數量后外運處理。經此工序后的污水經提升泵房，提升至高處，使得污水在重力作用下就能自行流經后續工序。為了降低反應池的負荷，設置了沉砂池。在較低的流速下，污水中的砂子在重力作用下進行沉淀。經沉淀后的污水進入厭氧池，在厭氧池中污泥和厭氧菌的作用下，脫去大部分磷后進入好氧池。好氧池配有鼓風機和攪拌機為其中的好氧菌提供富氧環境，在好氧菌作用下，進一步將有害物質分離出來。然后進入二次沉淀池，將污泥進行沉淀，一部分污泥經泵房回流至厭氧池，剩余的污泥與之前的砂子一起進行濃縮脫水、處理。而此時的污水已達到排放標準，可以外排[3]。

4 控制系統的功能實現

根據現場工藝要求，系統分為下位機和上位機，下面將依次分別介紹下位機和上位機實現的系統控制功能。

4.1 下位機的主要功能是對各類泵、風機、攪拌機等設備的開、停進行自動控制，同時將這些設備的運行參數，以及現場模擬量如溶解氧、泥溫等參數，通過PLC轉化在上位機進行顯示。這些功能的實現都是通過預先編制好的程序進行自動控制，當然根據實際工況需要，可以在線或離線對參數進行調整。

4.2 上位機監控系統的功能實現包括

4.2.1 通過鍵盤或鼠標控制現場設備，控制結果將實時顯示。

4.2.2 在流程圖中實時顯示各設備的運行參數和現場模擬量，以圖表的形式直觀的將系統的運行狀況展現在工藝人員面前；提供控制回路參數設置畫面；提供報警功能，當設備參數超過設定值時，進行閃爍報警。

4.2.3 設置口令保護，以免非工作人員惡意登錄或退出系統，保護系統的安全運行。

5 系統軟件設計

系統軟件設計與硬件進行配套，同樣分為下位機軟件設計和上位機軟件設計，下面分別予以介紹。

5.1 下位機程序設計

本系統在SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1基礎上完成硬件組態、地址和站址的分配以及用戶程序的設計。根據功能的不同將整個污水處理流程分為若干個分流程，例如沉砂池控制（FC4），反應池控制（FB1），每個分流程對應一個功能（FC）或功能塊（FB）。此外，為了實現對模擬量的實時監控，還需要設置一些轉換模塊，通過這些轉換模塊將采集的參數進行轉換最終得到實際的控制量[4]。程序設計時，先編寫不同功能的子程序（功能塊FB、DB、FC）然后通過主程序（OBI）調用，從而實現對各設備的控制。

下面介紹好氧池的控制，好氧池控制流程圖如圖3，好氧池中的污水通過微生物的凈化作用去除有機物[5]。控制水中的含氧量也是污水處理過程控制中關鍵的任務之一。因為好氧池中的好氧菌需生存在富氧環境中，如果水中氧氣不足則會導致好氧菌的死亡，從而失去污水處理功能。因此配備了鼓風機通過曝氣頭向水中提供氧氣，但是鼓風機的能耗很大，達到了整個工藝系統能耗的50%左右，過多的配置鼓風機不但增加能耗，反而會形成小而重的易沉淀絮體使水質惡化。考慮到節能與工藝需要之間的平衡，該系統設5有臺鼓風機和1臺變頻風機向好氧池供氧。為了監測好氧池中的溶解氧，在好氧池的不同地點設有6塊溶解氧測試儀即（DO儀）測量池中的含氧量。在控制系統中為這些DO儀設置一個正常值范圍，在實際運行中，若DO儀的測量值超過了這個正常范圍，PLC就會收到報警信號。PLC根據溶解氧的平均值來控制鼓風機的開、停。如果平均值低于正常值，PLC控制調頻風機加大送風量，如果高于正常值則減小調頻風機的送風量。如果調頻風機已達最大或最小值，則通過增開或關閉一臺普通風機來實現溶解氧的調節。設定PLC每十分鐘進行一次調節，這樣既能滿足工藝需要，又避免了風機的頻繁調節。

5.2 上位機程序設計

本系統上位機采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1，為了增加系統運行安全和穩定性，WINCC運行于Windows NT V4.0操作系統平臺之上。鑒于工程師站和操作員站的功能不同，在工程師站安裝WINCC-RC用于開發，在操作員站安裝WINCC-RT用于運行。WINCC通過讀取下位機的DB塊，在上位機實時顯示各項參數，如顯示實際溫度、鼓風機的開閉狀態等。另外通過共享數據塊DB2將上位機的操作命令傳到下位機的DB塊中，來實現對下位機的在線控制。

6 結束語

當前，工業污水處理對自動化控制程度要求越來越高，PLC控制系統已廣泛應用于污水處理中。PLC控制系統的應用降低了操作人員的勞動強度，并改善了操作人員的工作環境，降低了人力成本。本系統投運以來，因其界面友好、操作簡單、提升對設備的管理水平、提高生產效率等優點而獲得了業主的認可，同時也創造了很好的社會效益和經濟效益。

參考文獻

[1]胡健.西門子S7-300PLC應用教程[M].機械工業出版社，2007.

[2]胡學林.可編程控制器教程[M].電子工業出版社，2005.

[3]王學禮.PLC在污水處理控制系統中的應用[J]，山東紡織經濟，2006.

[4]廖常初.PLC編程及應用[M].機械工業出版社，2003.

[5]吳根樹，劉妍.曝氣池一氧化溝工藝在含油廢水處理中的應用[J].華北航天工業學院學報，2005，（1）：41-43.