可編程控制器污水處理系統優化設計

華北理工大學電氣工程學院 杜文弓

引言

目前，中國污水處理行業發展緩慢，很多工業、生活污水處理廠存在運營不良、收益性差等諸多問題[1]。科學的快速發展為我國污水處理行業提供了高端的技術服務，如DCS、PLC 等各種先進技術，這些系統緊密合作，相互協調，形成污水處理廠的自動管理監控網絡。傳統的控制污水處理系統大部分都依靠人工完成處理過程，處理過程繁瑣、工作效率低、錯誤率高，且處理效果低。如技術人員要對污水進行現場檢測、調控，對于一個大型的污水處理廠來說，需要耗費大量的人力，而且工作效率低。在調試過程中，進行一系列的污水水質測定，如pH 值、液位、溫度等，由于主觀意識占主導，容易出現失誤，導致安全事故頻繁發生，且污水處理效果差。因此，PLC 的應用會在一定程度上促進污水處理行業的發展[2]。

本文的特色在于利用多參數水質監測儀傳感器體積小、功能強等特點，從排污點出水口開始對進入污水處理系統的水質進行全路徑監控，并基于PLC 系統實現平時高效處理，酌情自動處置。

1 污水處理工藝流程

1.1 污水預處理

第一階段主要是為了過濾污水中的固體懸浮物，通常采用物理法，如凝聚、吸附和沉淀等，可以除去大部分固體懸浮物，基本上達到70%～80%，一般可除去25%～40%，接近基本的標準。但是，此時的污水遠遠沒有達到標準，僅僅是除去不能溶解的固體污染物。

1.2 污水生化處理

第二階段主要是用相對環保的物質和污水中的有機污染物、營養鹽類以及重金屬相反應，以此達到凈化污水的目的，通常采用生物法，如生物膜法和曝氣生物濾池等。在第一階段進行初步過濾后，生化需氧量BOD 在這階段可得到有效的去除，去除率達到80%～90%。城市污水經過這階段的凈化后，BOD 含量可以達到正常的標準，低于30 毫克/升[3]。

1.3 污水深度處理

第三階段主要是針對第二階段殘留的污染物進行二次凈化，這是污水處理最后一個階段，被稱為深度處理。在這個階段，污水中的有機污染物磷、氮元素等無機污染物和病原體都能得到有效的處理，使最后出水水質達到標準[4,5]。

2 控制系統的組成

2.1 控制系統的結構

PLC 技術很大程度上促進了工業的快速發展，它是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術互相結合的產物，廣泛地運用于工業環境的各個領域，尤其是對于非連續性信號的采集和輸出的順序控制，以及對配備模擬量的模塊的相應配備。開關數字量的控制在污水處理過程中至關重要，并且在這過程中，泵組的開啟、保護和關閉等都需要進行準確的控制，在污水處理過程中涉及范圍廣。如圖1 是污水處理系統控制管理圖。

圖1 污水處理系統控制管理圖

除此之外，模擬量模塊的配置對于污水處理流程極其重要，尤其是獲取處理過程中污水的各種數據，如溫度、流量、pH 值等，對于污水處理的后續工作尤其關鍵，PLC 通用性和靈活性高，能夠及時地獲取相關數據，并傳送給上位機，進行進一步分析和整合，然后再反饋回PLC。PLC 的通信端口使這一流程能夠準確快速完成。如圖2 是控制系統結構圖。

圖2 污水處理控制系統結構圖

2.2 可編程序控制器硬件選型

2.2.1 PLC 選型

PLC是污水處理監控系統的核心器件，因此污水處理監控系統對其性能方面提出了更高的要求，必須考慮以下幾點因素：

（1）具備強大的數據預處理以及數據傳輸的能力，能夠獨立完成基本的監控任務；

（2）具有穩定的性能，以及較高的故障保護能力；

（3）當某一控制量發生一定變化時，控制器可以依照預定的程序對控制對象及時作出相對應的調整。

綜上，所選控制器必須具備以下功能：數據存儲及數據處理功能、采集數據、容錯功能、通訊功能和故障診斷功能。

SIEMENS 公司所生產的S7-1200 可編程序控制器（PLC,Programmable Logic Controller）是一款模塊化、緊湊型的PLC, 具有良好的擴展性、設計靈活且功能全面等優點，集成了完善的通信接口。

SIMENS S7-1200 主要由CPU 模塊、信號模塊、通信模塊等組成。

（1）CPU 模塊：CPU 作為 S7-1200PLC 的核心處理模塊，有多種分別是 CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C 以及 CPU1215C 等。主要應用于程序的計算及存儲，CPU 將集成電源、微處理器、輸入輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，并且每一種模塊都可以進行擴展，從而滿足多種系統的需求。S7-1200 CPU 和從前版本的最大區別是，它配置了RJ45 以太網接口，僅需一根標準網線即可與PC端進行連接通信。

（2）信號模塊（SM）：信號模塊位于CPU 的右側，主要用于擴展PLC 的數字或模擬輸入輸出的能力。

（3）通信模塊（CP）：RS232 通信模塊可實現點對點的通信，實現與其他的控制軟件組成通信網絡，因此通信模塊代表了PLC 組網能力。

2.2.2 1#I/O 站選型

1#I/O 站負責進水預處理部分設備的信號采集和過程控制，受控設備和輸入輸出點描述見表1 所示。

表1 1#I/O 站I/O 點描述表

2.3 粗格柵和細格柵的過程控制

污水處理廠設置2 套粗格柵，1 臺無軸螺旋輸送壓榨機，2套細格柵。2 套細格柵的柵前柵后均設置超聲波液位探測器。

2.3.1 粗格柵的過程控制

污水進入廠房進行處理的第一個裝置便是粗格柵，它是用來處理污水中的較大的污染物，如塑料袋、樹枝、泡沫板等大體積漂浮物。出來的污水進入提升泵房，提升泵房是對下一裝置細格柵輸送污水的單元。在粗格柵裝置兩側都裝有液位傳感器，粗格柵本身對水流帶來的阻力不大，但是由于這些大型污染物的阻擋，會造成水流阻力的增大，相應地會帶來液位的升高，而粗格柵兩側液位差增大到預設值時，就要啟動除污機處理污染物。粗格柵控制的流程圖如圖3 所示。

2.3.2 細格柵的過程控制

在細格柵井道設置有兩條柵道，每條柵道設有一臺細格柵，每一個細格柵上都設有兩個超聲波液位差傳感器，和粗格柵相似，液位傳感器反饋液位差信息，控制器控制清污機的啟停。細格柵的孔位較于粗格柵更小，用于過濾如紙屑、毛發等污染物。在污水處理廠細格柵系統與粗格柵系統控制過程趨同，以控制細格柵機和轉鼓清污機的運行為要點，流程圖如圖4 所示。

圖3 粗格柵系統工作流程圖

圖4 細格柵系統工作流程圖

3 相關上位機監控軟件開發

3.1 上位機

組態軟件選用的是西門子的WINCC 視窗控制中心，通過這個控制中心，用戶可以實時監控各種圖形內部，并且顯示在畫面上，同時方便用戶進行管理。上位機監控系統中的組裝和建成都通過驅動程序來完成。管線連接和控制設備的情況都在主畫面上，而其他的類似于沉淀系統等都在分畫面上。分工明確的顯示能讓用戶在第一時間獲得各個系統的狀態情況，在畫面上隨著下位機PLC的變化每個參數的設定也會發生變化。通過監控畫面的顯示，工作人員能夠實時掌握主回路和控制回路的運行狀況以及污水的處理情況，通過監控來決定電動機的啟動或關閉狀態。

3.2 下位機

污水處理控制系統的下位機選用的是西門子SIMATIC S7-1200 通用型PLC。通過這個下位機用戶可以直接控制電磁閥和電動機，如果想要采集現場的信號可以通過A/D 轉換單元。電動機的啟停是由PLC 的自檢信息經過外部傳遞過來的信號來控制的。所以如果發生電路短路，電路斷路或者電流過載的情況，電動機會自動停止工作，并且發出警報。污水處理系統的其他功能的啟停大部分也要看PLC 的數據，比如提水泵的啟停是通過液位信號來控制；鼓風機的轉速則是通過因為溶解氧濃度的不同導致的變頻器輸出頻率不同來控制。

3.3 軟件開發

隨著大數據時代的到來，利用軟件技術開發項目也被列入重點領域。使用WinCC 是要先在文件夾中新建一個項目，并輸入該項目的命名，該項目只能進行單獨用戶的選擇，不能多個用戶項目同時進行。在該項目建立保存以后，緊接著需要做的就是將數據進行鏈接。由WinCC 提供的被命名為SIMATICS7 Protocol Suite 的通訊驅動程序支持的網絡類型以及網絡協議的種類多且適用性高，正是通過它和SIMATTCPLC 建立的數據通訊和其通道單元，各種通訊得以暢通，也正是經過WinCC 與SIMATTCPLC 的數據鏈接，得到在變量管理器設計程序時也許用得上的變量。

圖5

4 結論

S7-1200 系列PLC 無論在體積、重量還是功效性能上都在同類PLC 產品中出類拔萃。將WinCC 和STEP7 進行合并，成功地將原本困難復雜的問題有機結合在一起解決，大大縮短了工程的運行時間和人力物力成本，使得系統運行簡單高效。