基于PLC的電氣自動化控制水處理系統研究

周友志

摘 要：現階段，國內經濟社會快速發展的同時，也帶來了較為嚴重的水污染問題，不利于經濟社會的可持續發展，因此，水處理問題已引發高度關注。本文對水處理中PLC技術的應用做了全面的系統化分析，基于PLC技術對電氣自動化控制水處理系統進行了硬件及軟件設計，結合實際應用案例做了比較分析。

關鍵詞：PLC；自動化；控制；水處理

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引言

目前，經濟社會的快速發展帶來了較為嚴重的水污染問題，伴隨生態環境的惡化，目前水污染問題也得到廣泛重視，并充分利用快速發展的科學技術實現水污染問題的治理。在水處理問題中，PLC技術的應用使得其電氣自動化水平有了整體提升，實踐表明，水處理效率得到極大改善，且有效地控制了能源消耗問題。隨著全球水資源供應的緊張和對自動化要求的增加，水處理方式將朝著更加高效節能、高度自動化和無人值守的方向發展。目前，PLC在其穩定性和高度自動化程度的不斷加強，使PLC成為在城市污水處理自動化方面的首選。

1 PLC在水處理中的功能

由PLC、在線監測儀表等組成的污水處理廠綜合自動化系統，是污水工藝處理順利達到預期效果的重要手段。其實現的主要功能有3個方面：其一是保證工藝處理生產過程的高效，減輕勞動強度，改善操作環境；其二是實現工藝處理優化運行和生產智能化調度；其三是實現污水廠信息化管理，達到節能降耗、經濟運行的目的。

2 污水處理工藝流程

該污水處理廠設計日均處理污水10萬噸，采用MBR處理工藝，去除COD、BOD5、SS等污染指標的同時，同步去除氮磷，使出水中的TN、NH3-N達到再生水出水水質的要求。處理后出水再經過臭氧接觸氧化等深度處理工藝，使有機物、嗅味、色度等污染指標得到進一步去除。工藝流程簡圖如圖1所示。

MBR處理工藝具有占地面積小、處理效果好、污泥性質穩定。克服了傳統工藝中出水水質不夠穩定、污泥容易膨脹等不足，同時該污水處理系統出水水質滿足《再生水回用于景觀水體的水質標準》，達到再生水水質要求。

3 基于PLC的電氣自動化控制水處理系統設計

3.1 控制系統概述

污水處理廠自動化控制包含遠程輸入輸出單元（RI/O）、PLC控制站（LCS）、中央監控站（CCS）、數據服務器（SEV）以及工廠計算機管理系統（CMS），通過現場高速數據網及1000M光纖工業以太環網組成全廠自控系統，完成對工藝過程的數據采集、監控及管理。主要設備控制方式采用就地控制、遠程手動控制、遠程自動控制的3層控制模式。控制級別由低到高為現場手動控制、遠程手動控制、自動控制。 在正常運行狀態時，全廠采用遠程自動運行方式。

3.2 控制單元的劃分

根據工藝流程和總平面布置，以就近采集和單元控制為劃分子控制系統的原則，設有5個PLC控制站，分別為預處理控制站（粗格柵、提升泵房、細格柵、沉砂池、碳源投加間、膜格柵、進廠水水質監測），變配電站控制站（生化池、鼓風機房、變配電站等），脫水間控制站（污泥濃縮脫水間、貯泥池等），MBR控制站（膜設備間、膜池等），臭氧發生間控制站（臭氧發生間、臭氧接觸池、消毒接觸池、紫外消毒系統、出廠水水質監測等）。

3.3 硬件設計

PLC控制站采用西門子CPU 410 Smart控制器及ET 200 PA Smart系列IO模塊，有冗余及不冗余兩種解決方案。本工程中針對重要的MBR控制站采用冗余方案，其他PLC控制站采用非冗余方案。CPU 410 Smart配備有兩個獨立的Profibus IO接口，標配帶防護涂層（防護級別G3），集成48MB的裝載儲存器，CPU主頻450MHz，平均處理時間110μs，最大IO尋址范圍16KB輸入/輸出。ET 200 PA支持Profibus總線冗余，通過兩個互為備份的接口模塊分別連接到兩個控制器下的總線中，兩個接口模塊可進行無縫切換。

3.4 軟件設計

軟件部分采用PCS7 Smart軟件，包含工程組態系統和操作員系統。工程組態系統可組態基于CPU 410 Smart的控制平臺，并可充分使用APL功能庫、控制模板等完成項目程序的編寫；操作員系統可在工程組態中通過編譯自動生成基本數據，包括變量、消息及畫面操作圖元。污水處理軟件可以顯示整個污水處理廠工藝流程、設備操作、參數設定及生產現場情況，以促進生產的順利和高效進行。除污水處理所需的控制功能外，該系統還包含了生產管理功能，如歷史趨勢查詢，故障信息處理，生產數據管理，報表生成和打印、網絡瀏覽功能、數據共享、遠程監控等功能。

4 實際應用分析

以MBR控制站為例，其控制范圍包括：膜產水系統、維護行清洗系統、恢復性清洗系統、風管反洗系統、剩余污泥系統、混合液回流系統、儀表風系統。傳統控制中各MBR膜單元的產水管流量計與產水泵變頻器作PID控制，恒流量產水，操作人員根據來水情況手動設置膜單元的產水量。實際上市政污水處理廠的進水量不穩定，特別是夜間波動范圍大，導致班組操作人員夜間必需時刻關注來水水量，并根據來水情況手動調整各MBR膜單元的產水量，操作強度很大。本工程在各MBR膜單元的恒流量控制的基礎上，加入膜池的進水渠液位控制，使膜池的進水渠液位控制在設定范圍內，MBR膜單元的產水量隨膜池的進水渠液位變化而自動調節。由液位PID曲線（圖2）可見，設定的液位值與液位變送器的反饋值吻合度較好，能夠滿足實際運行需求，減輕了操作人員工作強度并防止了不合理的膜單元產水量設定。

具體控制方法為：膜池的進水渠液位設置在3.9～4.1，每隔一定時間（液位判斷周期）采集一次進水渠液位計數值。在液位判斷周期內，如果液位高于設定范圍，產水泵則按設定的流量增加值增加產水流量，反之則減少；如果液位在設定范圍內，則產水泵流量不變。當瞬時來水量變化較大時，產水增減量數值應該變大，同時液位判斷周期縮短；反之當瞬時來水量變化較小時，產水增減量數值應該變小，同時液位判斷周期適當延長。

結語

在水處理控制系統的應用中目前主要采用以下三大類控制模式，即手動控制、半自動化控制以及全自動化控制，其對人力的依賴程度依次遞減，控制水平及精度依次提升，其中，全自動化控制借助于工業計算機控制技術實現水處理過程的信號及數據同步，可靠性較高。本文基于AS 410 PLC設計水處理控制系統，極大地提升了實際控制過程的精度以及自動化水平，大大提升了水處理效率。

參考文獻

[1]史廣睿，劉琳琳.電氣自動化控制技術在污水處理廠曝氣量控制的應用[J].黑龍江科技信息，2014 （35）：112.

[2]廖常初.大中型PLC應用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.