自來水廠污水處理自動控制系統設計研究

摘 要：針對自來水廠污水處理尚未完全實現無人值守的現狀，文章結合PLC技術和以太網聯網技術設計了自來水廠污水處理的自動化控制系統，分析了系統的功能和以太網聯網拓撲結構的選型，在此基礎上重點分析了系統的硬件設計和系統層次架構設計，給出了詳細的設計方案，并對系統的軟件設計方案進行了探討，對于進一步提高污水處理的自動化控制水平具有較好的指導意義。

關鍵詞：污水處理；PLC；自動控制；系統設計

中圖分類號：X7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0005-02

自來水生產過程中，沉淀池排泥、濾池沖洗等工藝會產生大量污水。過去，通常對這些污水做直接排放處理。隨著環保要求的提高，以及水資源成本的不斷增加，越來越越多的水廠建立了污水處理系統，對生產過程產生的污水進行回收利用，污水處理的流程如圖1所示。根據筆者的調研，我國目前超過半數的城市自來水廠的污水處理都依賴于觀察法，依靠工人手動調節，很難實現完全自動化處理。污水處理不能完全自動化，一方面降低了污水處理的效率，造成了水資源不能充分利用；另一方面也容易對自來水廠供水的水質造成影響。

鑒于此，本文集中探討污水處理的自動化處理技術，以PLC技術為載體設計基于以太網的遠程自動化處理控制系統，以期能夠實現污水處理的全過程自動化，并以此和廣大自動化控制同行分享。

1 基于以太網的污水自動處理系統總體設計

1.1 系統功能

基于以太網的自來水廠污水自動處理控制系統，其主要功能包含以下幾個方面。

1.1.1 污水處理工藝監測

污水處理是一套復雜的工藝過程，要實現污水處理質量達標，就必須要對各個工藝環節進行監測，例如對含泥量、加藥量、脫水機運行等工藝過程的監測。

1.1.2 設備運行狀態監測

污水處理需要眾多機電裝備的運行，需要整個自動控制系統能夠自動監測設備運行狀態，包括設備的環境參數和運行狀態參數。

1.1.3 遠程聯網管理

包括遠程聯網調度機電設備的運行、遠程聯網控制污水處理工藝以及遠程聯網監測污水處理水質等全過程自動化管理。

1.1.4 系統故障管理

自來水污水處理自動控制管理系統應當具備一定的智能性，當系統發生故障時，能夠自動實現故障定位，并給出可能的故障原因以及故障解決建議。

1.1.5 數據管理

污水處理自動控制系統要能夠自動記錄污水處理的相關數據，包括原料的耗用情況，水質的檢測數據，以及各個機電設備的運行功率、投入和產出數據等。

1.1.6 安全管理

污水自動控制系統支持安全預警機制，當設備出現異常時能夠自動報警，并切斷系統的運行，保證生產車間的安全運行。

1.2 網絡拓撲結構

網絡的拓撲結構有很多種，選擇合適的網絡拓撲結構，對于污水自動處理控制系統的聯網運行的可靠性具有重要影響。目前主要有以下幾種拓撲結構：

1.2.1 總線型

總線型網絡拓撲結構簡單靈活，組網成本低；但是總線型結構網絡故障診斷較為困難。

1.2.2 網型

網型拓撲結構的容錯性較好，可靠性非常高，但是組網成本非常高昂，后期管理維護成本較高。

1.2.3 環型

環型網絡結構結構簡單，組網成本低，同時后期維護成本較低，對組網空間距離不敏感。

綜上所述，自來水廠污水處理控制系統適合采用環型網絡拓撲結構構建遠程自動控制系統，并且遠程控制實時性較好，易于后期功能的擴展升級。

2 污水處理自動控制管理系統的設計與實現

2.1 系統運行模式

基于以太網的遠程自動控制系統，目前主要有兩種系統模式，分別是B/S模式和C/S模式。

2.1.1 B/S模式

所謂B/S模式，就是瀏覽器/服務器模式，這種模式無需開發專用人機交互軟件，借助于瀏覽器實現人機交互，但是服務器負荷較大。

2.1.2 C/S模式

所謂C/S模式，就是客戶端/服務器模式，需要專門設計的人機交互軟件，開發工作量較大，但是大大減輕了服務器的負荷，系統的穩定性有所提高。

鑒于上述兩種系統模式各有優缺點，本自動化控制系統采用兩種模式的結合模式，即系統前端借助瀏覽器實現人機交互，以此減輕整個系統的開發工作量；同時系統后臺增加一臺服務器，用于程序的響應與控制，將數據集中在另一臺服務器上，這樣既可以減輕服務器的負荷，同時又提高了系統的健壯性，提高了系統運行的穩定性和可靠性。

2.2 系統硬件電氣設計

基于PLC的污水自動處理控制系統，最主要的硬件就是PLC，這里選用以可靠性高出名的西門子S7-200系列PLC，核心CPU選用S7-224，該CPU具有14個數字量輸入和10個數字量輸出，能夠滿足中小型污水處理的應用需求。

除了選擇PLC外，還需要設計配電柜，選擇熔斷器、空氣開關等電氣設備，將配電柜安置在污水處理設備車間內，通過環型以太網組網的設計，實現底層機電設備與控制器的聯網。

關于主電路的設計，應當考慮到污水處理的日產量，以及實際的電機數量、水泵數量進行合理設計。通常主電氣回路使用交流接觸器KM1、KM2、KM3分別接回流泵、風機和進水泵，以此構成污水處理的閉環控制。

2.3 系統架構設計

污水處理自動控制系統的架構，主要從以下三個層次進行架構設計。

2.3.1 傳感器檢測層

傳感器檢測主要布置在最低層，也就是直接利用傳感器檢測污水處理設備的工作狀態參數以及環境參數，利用傳感器采集到的數據對污水處理的相關數據進行計算，實現對污水處理工藝的自動化監測。

2.3.2 網絡傳輸層

傳感器將采集到的監測數據，利用環型以太網進行傳輸，傳輸給PLC控制器。環型以太網采用光纖結構布置，在提高網絡通信實時性的同時也能夠提高網絡系統性能的穩定性。

2.3.3 PLC控制器

PLC控制器的主要任務是接收來自底層傳感器傳輸的監測數據，通過對數據的分類分析和計算整理，將相關數據信息發送給頂層——數據信息管理層。

2.3.4 數據信息管理層

數據信息管理層主要是通過基于windows系統開發的可視化人機交互界面實現數據信息的顯示、存儲、分析和打印等需求；另一方面，當數據出現異常或者機電設備出現故障時，該控制中心也能夠發出報警，同時依靠專家系統給出故障診斷結論和建議。

以狀元水廠污水處理系統為例，其結構如下：系統設一PLC主站和遠程IO子站，采用施耐德Quantum系列PLC，現場設操作員站負責所有設備的監控。PLC主站通過光纖冗余MB+環網連接至控制主網。PLC主站、遠程IO子站以及現場單元之間通過MB+協議實現通訊，如圖2所示。

2.4 系統軟件設計

系統的軟件設計，主要包含兩個方面。

2.4.1 PLC程序的設計

PLC 的程序設計主要是利用梯形圖進行程序開發。由于選用的是西門子的S7-200系列的PLC，因此在程序設計上可以選用STEP7軟件進行梯形圖的繪制，這里不予贅述。

2.4.2 數據管理層的可視化程序設計

數據管理層是基于Windows實現的可視化界面，能夠實現良好的人機交互。在程序開發商，主要是利用可視化軟件（如Visual Basic）設計人機交互界面，利用計算機的聯網通信能力實現與PLC的聯網數據交換，從而將最底層的傳感器檢測數據在可視化界面上顯示出來，以實現良好的人機交互的目的。

3 結 語

隨著城市化進程的加快，城市自來水顯得愈來愈珍貴，如何實現生產污水的大規模自動化處理，實現水資源的有效利用，這是每一個自來水廠都需要面對的問題。基于PLC實現的污水自動處理已經比較成熟，但是將污水自動處理控制系統聯網運行并實現無人值守，這是本論文所設計的污水自動處理控制系統的亮點所在。從實際的應用效果來看，該套系統能夠滿足污水自動處理的全過程工藝要求，并且減輕了工人的勞動強度，是值得推廣應用的。對于自來水廠污水自動控制系統的設計應用，無論是在理論方法還是在實際應用方法，都具有較好的指導借鑒意義。

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