關于西門子PLC在污水處理控制中的應用

摘 要：污水處理事關環境保護和水資源的重復利用，是當前城市運轉所必備的環節之一。但因污水處理的環節多、工況差，依靠人工處理不僅不安全還效率低下。西門子PLC功能強大、適應性好，被廣泛應用于各行各業。文章首先闡述西門子PLC的發展歷程和工作原理，接著以污水處理的具體環節為依托，分析西門子PLC在其間的應用。文章的研究為推進污水自動處理起到拋磚引玉的作用，具有一定的實踐意義。

關鍵詞：西門子PLC；污水處理；自動控制

城市污水臟度高，利用人工處理不但有損工作人員健康，還影響處理效率，因此，推行污水自動處理勢所必然。西門子PLC在自控領域有著非常重要的地位，將其應用到污水處理的控制意義重大。

1 西門子PLC概要

西門子PLC，是德國西門子公司生產的可編程二進制控制器，被廣泛應用在生產生活的各個層面。截止當前，其發展已經歷了SIMATIC S3→SIMATIC S5→SIMATIC S7→TIA等階段。西門子PLC的特點是：（1）活動元件少，因而工作可靠；（2）各類保護齊全，設備安全性高；（3）編程簡單，錯誤率極低。

西門子PLC的工作原理[1]：（1）輸人采樣。在該階段，PLC以掃描方式對數據或狀態進行讀取，在初步處理后輸入至后續階段。（2）程序執行。在該階段，PLC以梯形方式自上而下進行程序掃描（對每一梯級執行從左向右掃描），進行運算后產生執行指令。（3）刷新輸出。即PLC的CPU通過輸出鎖存電路將命令傳達到相應設備中。

2 污水處理流程

就污水處理方法來說，主要有物理法、生物法和化學法等，各種方法各有優缺點。當前的趨勢是將這三類方法綜合運用以達成最優效果。文章以某城市污水處理工藝為例，扼要說明污水處理流程。

2.1 預處理

分三步走：（1）首先將污水送入粗格柵除污機；（2）接著由污水提升泵將污水送入回旋式細格柵除污機進行細篩；（3）最后將污水

注入旋流沉砂池中進行沙泥沉淀。

2.2 污水凈化

將預處理后的污水先送入一次分配井，再通過氧化溝進入二次分配井，最后再到污泥泵房中進行二次沉淀、消毒等。

2.3 污泥處理

即將以上步驟中產生的污泥經由發酵、消毒、脫水等工序，產生沼氣和化肥。

3 基于PLC的污水處理系統設計

3.1 總體框架

污水自動處理系統應設計為集散型系統（含管理層與控制層），其中，管理層負責過程監控及數據分析，控制層負責契合工藝需要的自動操作[2]。

集散型系統的核心為可編程控制器。對于本案，為確保污水處理的安全、可靠，經綜合比較，決定采用上位機+下位機的方式來組建系統。其中，上位機采用西門子WinCC組態軟件，主要實現遠程監測、參數設定、指令下發、數據存儲及故障報警等功能；下位機采用西門子S7-300，其實現數據采集、邏輯協調、自適應控制等任務。

3.2 PLC配置

電源模塊選用6ES7 307-1KA02-0AA0 24VDC 10A；CPU選用CPU315-2PN/DP；DI模塊選用6ES7321-1BL00-9AM0，DO模塊選用6ES7322-1BL00-9AM0，分別處理32點的輸入輸出信號；AI模塊選用6ES7 331-1KF02-9AM0，AO模塊選用6ES7 332-5HF00-9AM0，分別處理處理8點輸入輸出信號。

3.3 PLC程序設計

PLC程序設計基于SIEMENS的Step7 V5.5軟件平臺[3]。為了符合污水處理的流程，我們宜采用模塊化編程方法，即將污水處理中的每個階段對應一個功能塊進行編程，然后通過組織塊OB1進行串接。PLC程序流程如圖1所示。

3.4 其他設計

因文章的主體是研究PLC在污水處理控制的應用，因此其他部分如上位機設計、網絡選擇等不做重點展開，但鑒于整個系統的關聯性，這里對其他部分略作一下說明。

（1）上位機。組態軟件與S7-300采用串行通訊方式進行溝通。S7-300有PORT0和PORT1兩個通訊端口，一般用PORT1作為與上位機通訊端口（直接與RS485總線相連）。運行時，PLC的波特率值選為9600。上位機軟件一般應包括主菜單、系統總貌、參數畫面、趨勢畫面、報警畫面等幾大部分。

（2）網絡。本系統的網絡采用Ethemet/IP工業以太網（符合TCP/IP協議），冗余設計，速率100Mb/s。

4 西門子PLC在污水處理控制的應用

考慮到各種運行可能，污水處理系統需兼具中央控制和就地控制兩種能力。就地控制就是手動操控現場設備（PLC僅起監視作用），主要用于故障情形；當“手動/自動”開關定位在“自動”，則進入中央控制方式。中央控制有兩種：上位機控制和PLC控制。前者的PLC接收上位機指令并將其實現；后者的PLC兼具主控機作用，能根據預設閾值自行產生操作指令，下面主要就這種類型進行闡述。

（1）在污水預處理階段：a.PLC依照“渣耙下降→渣耙閉合→渣耙上升→渣耙停頓→渣耙開啟→渣耙下降”的循環往復邏輯對粗格柵除污機的電機進行操控；對回旋式細格柵除污機的操控與此類似。b.在污水經由粗、細格柵除污機進入污水池后，PLC不斷采集液面高度數據并與閾值比對，若超過閾值則啟動污水提升泵將污水導入旋流沉砂池，同時對旋流沉砂池進行排水、排泥操作。

（2）在污水凈化階段：a.PLC不斷采集一次分配井的液面數據并與預設閾值比對，當達到閾值時PLC發出指令將水導入氧化溝進行外、中、內三層循環，然后進二次分配池。b.與上一步驟類似，PLC通過檢測、比較二次分配池的液面，來控制二次分配池的蓄水-放水動作。c.經由二次分配池的污水進入沉淀池后，PLC采集濁度數據并與閾值比對，當低于閾值時PLC出發“放水”、“放泥”命令。

（3）在污泥處理階段：PLC監控污泥發酵后的甲烷濃度并實時

顯示，以供人工抽氣、取泥（用來除重金屬后做化肥）的判據。

5 結束語

西門子PLC操作靈活、編程方便、性價比高，非常適合于污水自動處理的控制。文章從上下位機設計、PLC配置、PLC在污水處理的具體應用等層面做了詳盡描述，可為推進污水處理添磚加瓦。

參考文獻

[1]張麗麗.西門子PLC控制系統在污水處理控制中的應用[J].世界有色金屬，2015（9）：83-85.

[2]牛健.PLC在污水處理控制系統中的應用[J].黑龍江科學，2013，4（6）：56-58.

[3]李庭貴.西門子PLC在污水處理控制系統中的應用[J].機械工程與自動化，2013（8）：4-6.

作者簡介：頓小偉（1981，9-），男，湖北荊門人，工程師，本科學歷，主要從事工業自動化控制系統工作。