基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在污水處理中的應用

唐靖偉，王鵬，許德浩

（1.盤錦北方瀝青股份有限公司，遼寧 盤錦 124022；2.天津中環(huán)自動化技術控制設備有限公司，天津 300384）

0 引言

水是人類生活和國民經(jīng)濟發(fā)展的不可或缺的重要部分。隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，水污染成為阻礙社會發(fā)展的重要問題。其中，工業(yè)水污染問題尤為嚴重。工業(yè)廢水具有污染物種類多、成分復雜、化學需氧量（COD）濃度高、可生化性差、毒害性大等特點。如果不對其進行有效的綜合治理，必將造成嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，危害人類健康，阻礙經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。早期的工業(yè)污水處理進出水切換復雜，控制設備多，非常不便于運行與管理，限制了其發(fā)展。隨著科學技術的不斷發(fā)展，計算機和自動控制技術的加入，污水處理問題迎刃而解。本文設計了一種基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對污水處理過程進行自動控制和遠程監(jiān)控，大大提高了污水處理系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。

1 污水處理工藝流程及系統(tǒng)構(gòu)成

目前，污水處理的主導工藝有AB法與SBR法[1]。本文中的污水處理選用SBR法，是序批式活性污泥法的簡稱，是一種連續(xù)進水、間歇曝氣、間歇排水的工藝。它的原理是通過微生物的活動來凈化污水。

SBR污水處理系統(tǒng)組成及工藝流程如圖1所示。

污水通過主管道進入格柵間，通過粗格柵將體積較大的固體物過濾，再通過細格柵將體積較小的固體物進一步過濾。適時開啟柵渣壓榨輸送一體機將過濾出的固體堆積物進行壓榨并外運。經(jīng)過預處理后，通過大型潛水泵將污水輸送至調(diào)節(jié)池，等待下一步處理。污水進入調(diào)節(jié)池后，通過提升泵，將污水輸送至沉砂池進行砂水分離，污水進入SBR池。適時將砂水分離器分離出的干砂外運，清液回流至調(diào)節(jié)池。SBR反應池為整個工藝的核心，處理周期由進水、反應（曝氣）、攪拌、閑置和潷水5個過程組成，反應期間要保證一定的曝氣量，需要的活性污泥一般情況下為定量，剩余污泥則排向污泥池。凈化后的水在上層由潷水器潷出，加氯消毒后排入自然水體。污泥池的污泥經(jīng)脫水后外運，進行再處理或掩埋。

圖1 污水處理系統(tǒng)組成及工藝流程圖Fig.1 Sewage treatment system and process fl ow

圖2 PLC遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of PLC remote monitoring and control system

根據(jù)污水處理廠的生產(chǎn)工藝，將整個污水處理過程分成3個模塊[2]：

1）污水雜物的去除及預處理。

2）SBR池中進行污水的物理化學反應及水與污泥的分離。

3）水的消毒及污泥處理。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由上位機、下位機和現(xiàn)場儀表設備構(gòu)成，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和自動控制的功能。監(jiān)控中心控制室設立兩臺上位機、一臺打印機[3]。下位機設立3個PLC控制站，即1#PLC站、2#PLC站和3#PLC站分別用于各不同處理過程的控制。PLC選用西門子S7-200系列，上、下位機通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成以太網(wǎng)絡進行通訊。該系統(tǒng)具有極高的性能/價格比。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2 PLC控制系統(tǒng)下位機設計

2.1 1#PLC控制站設計

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)界面Fig.3 Control system interface

1#PLC控制站是污水處理的第一步。PLC連接超聲波液位計、孔板流量計、壓力變送器及溫度變送器作為模擬量輸入信號，粗細格柵機、柵渣壓榨輸送一體機及潛水泵的運行狀態(tài)作為數(shù)字量輸入信號。通過超聲波液位計檢測的污水液位，液位達到高限值時自動啟動潛水泵將污水輸送至下一處理工藝段；液位達到低限值時自動停止?jié)撍玫倪\行，防止干燒。液位的高、低限值可在上位機實時在線修改。各電氣設備均設手動、自動兩種運行模式，可根據(jù)實際運行需要進行選擇。流量計用以計量污水進水量。

2.2 2#PLC控制站設計

2#PLC控制站是整個污水處理過程中最重要的一環(huán)。主要連接檢測儀表有pH計、溶解氧監(jiān)測儀、污泥濃度儀等分析儀表及超聲波液位計、溫度變送器、壓力變送器等儀表作為模擬量輸入信號。主要電氣設備有攪拌機、曝氣機、潷水器、砂水分離器、排砂泵、提升泵等，其中各設備運行狀態(tài)作為數(shù)字量輸入信號，數(shù)字量輸出信號用于控制各設備的啟動/停止。提升泵控制原理與1#PLC控制站中潛水泵控制原理相同，均為通過液位值自動控制。攪拌機、曝氣機、潷水器為循環(huán)順序控制，攪拌機啟動相應的設定時間后，閑置一段時間，然后曝氣機啟動相應的設定時間，閑置一段時間后，攪拌機再次啟動，當循環(huán)運行次數(shù)達到設定次數(shù)時，開啟潷水器，將清水排出。設備運行時間、閑置時間、循環(huán)運行次數(shù)等參數(shù)均可在上位機實時在線修改。

2.3 3#PLC控制站設計

3#PLC控制站是污水處理過程工藝的尾段。主要負責控制二氧化氯消毒機、排泥泵等電氣設備。連接余氯監(jiān)測儀作為模擬量輸入信號，實時監(jiān)測消毒后清水中的余氯指標，以滿足排放標準。連接污泥界面儀作為模擬量輸入信號，實時監(jiān)測污泥池中污泥界面高度，達到設定高度時，自動啟動排泥泵，將污泥外排，低于設定高度時，停止排泥泵。

3 監(jiān)控中心的設計

監(jiān)控中心設上位機兩臺作為操作員站（其中一臺兼工程師站），打印機一臺用于打印歷史趨勢、運行報表等。軟件采用西門子Wincc上位機軟件，與下位機通訊簡單，組態(tài)方便。主監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3所示。

主監(jiān)控系統(tǒng)界面將工藝流程、儀表數(shù)據(jù)顯示、流量累計、自動運行參數(shù)設定、設備運行狀態(tài)反饋及各設備控制功能集中顯示，非常便于操作員對現(xiàn)場運行狀態(tài)的觀察和控制。各設備均設手動、自動兩種運行模式，可根據(jù)實際運行情況投入自動運行。對反應池中的曝氣、攪拌、閑置等過程可進行自動運行時間及運行次數(shù)的設定，并可往復循環(huán)運行。另外，監(jiān)控系統(tǒng)集歷史趨勢查詢、操作記錄查詢、報警記錄查詢、運行報表查詢等功能與一體，并可通過中控室設立的打印機實時打印。

該系統(tǒng)主要特點為：

1）各潛水泵、提升泵可根據(jù)液位自動啟停；各泵可根據(jù)運行時間優(yōu)先啟動運行時間相對較少的泵，避免長期運行某泵導致磨損過大。

2）曝氣時間、曝氣間隔時間、攪拌時間、攪拌間隔時間、循環(huán)運行次數(shù)等參數(shù)均可根據(jù)實際運行情況在監(jiān)控畫面實時調(diào)整，方便用戶對于污水處理過程的控制，可實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了大量人力及運行成本。

4 通訊網(wǎng)絡的設計

通訊網(wǎng)絡是上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機PLC控制系統(tǒng)的連通介質(zhì)，其穩(wěn)定性和實效性直接決定了整個系統(tǒng)的運行狀況好控制功能[4]。本文設計的通訊網(wǎng)絡以Ethernet/IP協(xié)議為基礎。利用光纖將分布式PLC和上位機連接，在中控室設立以太網(wǎng)交換機，組成以太網(wǎng)絡，確保通訊的穩(wěn)定和實效性。同時，由于采用光纖以太網(wǎng)通訊，將各PLC分布在相應的工藝區(qū)域，使得儀表、電氣等設備的連接電纜長度大大減少，節(jié)省了大量施工成本[5-6]。

通訊網(wǎng)絡除以太網(wǎng)外，還對外開放Modbus通訊接口，可通過RS485通訊協(xié)議方便擴展連接第三方設備，系統(tǒng)的擴展性、可兼容性大大提高。

系統(tǒng)預留GPRS無線通訊模塊，方便將運行數(shù)據(jù)實時無線上傳到環(huán)保部門的監(jiān)控中心。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)自投入運行以來，日處理污水能力可達5000t。經(jīng)檢測：pH值、懸浮物濃度（SS）、5日生化需氧量（BOD5）、化學需氧量（COD）、氨氮、總余氯等檢測指標均符合國家排放標準，污水處理達到理想效果。由于采用基于PLC的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，整個污水處理系統(tǒng)運行平穩(wěn)，故障率極低，自動化程度高，操作靈活簡便，基本實現(xiàn)了無人職守運行，為企業(yè)節(jié)省了大量運行成本。

[1]王曙光.S7-300/400 PLC入門與開發(fā)實例[J].2009,2(1):15-18.

[2]李建平,石奮蘇.基于Profibus-DP總線的污水處理系統(tǒng)[J].微計算機信息,2009(25):52-54.

[3]李憶,張莉娜.污水處理工程中的自動控制系統(tǒng)[J].漳州師范學院學報.2006,1:54-58.

[4]蘇云,潘豐,肖應旺.基于組態(tài)王與PLC的遠程控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2004,2.

[5]邵裕森,戴先中.過程控制工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[6]雷霖.PLC通信技術及其應用研究[J].自動化與儀器儀表.1999,5:25-27.