關(guān)于西門子PLC在污水處理控制中的應(yīng)用

摘 要：污水處理事關(guān)環(huán)境保護(hù)和水資源的重復(fù)利用，是當(dāng)前城市運(yùn)轉(zhuǎn)所必備的環(huán)節(jié)之一。但因污水處理的環(huán)節(jié)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(qiáng)大、適應(yīng)性好，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。文章首先闡述西門子PLC的發(fā)展歷程和工作原理，接著以污水處理的具體環(huán)節(jié)為依托，分析西門子PLC在其間的應(yīng)用。文章的研究為推進(jìn)污水自動(dòng)處理起到拋磚引玉的作用，具有一定的實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：西門子PLC；污水處理；自動(dòng)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(dòng)處理勢所必然。西門子PLC在自控領(lǐng)域有著非常重要的地位，將其應(yīng)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(chǎn)的可編程二進(jìn)制控制器，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)層面。截止當(dāng)前，其發(fā)展已經(jīng)歷了SIMATIC S3→SIMATIC S5→SIMATIC S7→TIA等階段。西門子PLC的特點(diǎn)是：（1）活動(dòng)元件少，因而工作可靠；（2）各類保護(hù)齊全，設(shè)備安全性高；（3）編程簡單，錯(cuò)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(shù)據(jù)或狀態(tài)進(jìn)行讀取，在初步處理后輸入至后續(xù)階段。（2）程序執(zhí)行。在該階段，PLC以梯形方式自上而下進(jìn)行程序掃描（對每一梯級執(zhí)行從左向右掃描），進(jìn)行運(yùn)算后產(chǎn)生執(zhí)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(dá)到相應(yīng)設(shè)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(xué)法等，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)前的趨勢是將這三類方法綜合運(yùn)用以達(dá)成最優(yōu)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(yù)處理

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

注入旋流沉砂池中進(jìn)行沙泥沉淀。

2.2 污水凈化

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

2.3 污泥處理

即將以上步驟中產(chǎn)生的污泥經(jīng)由發(fā)酵、消毒、脫水等工序，產(chǎn)生沼氣和化肥。

3 基于PLC的污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體框架

污水自動(dòng)處理系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為集散型系統(tǒng)（含管理層與控制層），其中，管理層負(fù)責(zé)過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析，控制層負(fù)責(zé)契合工藝需要的自動(dòng)操作[2]。

集散型系統(tǒng)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(jīng)綜合比較，決定采用上位機(jī)+下位機(jī)的方式來組建系統(tǒng)。其中，上位機(jī)采用西門子WinCC組態(tài)軟件，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定、指令下發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及故障報(bào)警等功能；下位機(jī)采用西門子S7-300，其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、邏輯協(xié)調(diào)、自適應(yīng)控制等任務(wù)。

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(diǎn)的輸入輸出信號(hào)；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(diǎn)輸入輸出信號(hào)。

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)基于SIEMENS的Step7 V5.5軟件平臺(tái)[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(gè)階段對應(yīng)一個(gè)功能塊進(jìn)行編程，然后通過組織塊OB1進(jìn)行串接。PLC程序流程如圖1所示。

3.4 其他設(shè)計(jì)

因文章的主體是研究PLC在污水處理控制的應(yīng)用，因此其他部分如上位機(jī)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)選擇等不做重點(diǎn)展開，但鑒于整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，這里對其他部分略作一下說明。

（1）上位機(jī)。組態(tài)軟件與S7-300采用串行通訊方式進(jìn)行溝通。S7-300有PORT0和PORT1兩個(gè)通訊端口，一般用PORT1作為與上位機(jī)通訊端口（直接與RS485總線相連）。運(yùn)行時(shí)，PLC的波特率值選為9600。上位機(jī)軟件一般應(yīng)包括主菜單、系統(tǒng)總貌、參數(shù)畫面、趨勢畫面、報(bào)警畫面等幾大部分。

（2）網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用Ethemet/IP工業(yè)以太網(wǎng)（符合TCP/IP協(xié)議），冗余設(shè)計(jì)，速率100Mb/s。

4 西門子PLC在污水處理控制的應(yīng)用

考慮到各種運(yùn)行可能，污水處理系統(tǒng)需兼具中央控制和就地控制兩種能力。就地控制就是手動(dòng)操控現(xiàn)場設(shè)備（PLC僅起監(jiān)視作用），主要用于故障情形；當(dāng)“手動(dòng)/自動(dòng)”開關(guān)定位在“自動(dòng)”，則進(jìn)入中央控制方式。中央控制有兩種：上位機(jī)控制和PLC控制。前者的PLC接收上位機(jī)指令并將其實(shí)現(xiàn)；后者的PLC兼具主控機(jī)作用，能根據(jù)預(yù)設(shè)閾值自行產(chǎn)生操作指令，下面主要就這種類型進(jìn)行闡述。

（1）在污水預(yù)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(huán)往復(fù)邏輯對粗格柵除污機(jī)的電機(jī)進(jìn)行操控；對回旋式細(xì)格柵除污機(jī)的操控與此類似。b.在污水經(jīng)由粗、細(xì)格柵除污機(jī)進(jìn)入污水池后，PLC不斷采集液面高度數(shù)據(jù)并與閾值比對，若超過閾值則啟動(dòng)污水提升泵將污水導(dǎo)入旋流沉砂池，同時(shí)對旋流沉砂池進(jìn)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(shù)據(jù)并與預(yù)設(shè)閾值比對，當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)PLC發(fā)出指令將水導(dǎo)入氧化溝進(jìn)行外、中、內(nèi)三層循環(huán)，然后進(jìn)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(dòng)作。c.經(jīng)由二次分配池的污水進(jìn)入沉淀池后，PLC采集濁度數(shù)據(jù)并與閾值比對，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)PLC出發(fā)“放水”、“放泥”命令。

（3）在污泥處理階段：PLC監(jiān)控污泥發(fā)酵后的甲烷濃度并實(shí)時(shí)

顯示，以供人工抽氣、取泥（用來除重金屬后做化肥）的判據(jù)。

5 結(jié)束語

西門子PLC操作靈活、編程方便、性價(jià)比高，非常適合于污水自動(dòng)處理的控制。文章從上下位機(jī)設(shè)計(jì)、PLC配置、PLC在污水處理的具體應(yīng)用等層面做了詳盡描述，可為推進(jìn)污水處理添磚加瓦。

參考文獻(xiàn)

[1]張麗麗.西門子PLC控制系統(tǒng)在污水處理控制中的應(yīng)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(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2013，4（6）：56-58.

[3]李庭貴.西門子PLC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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(xué)歷，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)工作。