基于PLC控制的污水处理

摘 要：PLC的控制功能具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点，因此PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。文章介绍了西门子PLC在污水处理中的应用，主要介绍了PLC控制系统的系统配置方案、软件设计思想和程序结构。

关键词：污水处理；PLC；WINCC；STEP7

1 前言

在现代社会中，经济及工业技术的发展使得工业废物的生产量随之增加。工业废水和生活废水给人民生活带来了极大的影响，因此，如何解决污水问题被全社会广泛关注，其中有效途径之一就是建立高度自动化的污水处理厂。污水处理系统主要功能包括现场监控和自动控制两部分。本系统采西门子S-300 PLC和部分检测仪表构成下位机，以达到自动控制的功能。整个系统的画面监测、参数设定和指令控制等功能采用西门子“WINCC V5.1”组态软件的上位机。该系统集现场监测、设备控制、信息反馈等功能于一体，具有功能完备、自动化程度高、控制原理简单、易操作等优点。系统的投运极大的降低了操作人员的劳动负荷，提高了管理水平，确保了污水处理工艺长期安全平稳的运行。

2 系统的硬件组成

本系统采用西门子S7-300控制系统。S7-300是模块化的小型系统，各种单独的模块之间可进行广泛的组合以实现不同的功能[1]。系统设置多机架，包括主机架（CR）和扩展机架（ER），采用接口模块（IM）实现二者的连接，而数字量和模拟量的输入输出则采用信号模块（SM）。S7-300通过分布式的主机架（CR）和二个扩展机架（ER）的合理配置，可以操作多达24个模块。为了实现I/O通信，中央处理单元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通讯接口，编程器、PC机和人机界面等的连接采用多点接口（MPI）。本设计中PLC的硬件配置如下表：

本系统在设计之初就充分考虑了未来功能扩展和改进的实际需要，对数字量输入输出模块（DI/DO）和模拟量输入输出模块（AI/AO）都考虑了余量。该污水处理工艺需要对鼓风机和污泥泵进行动态监测和远程控制，为此本系统设有一个PLC主站和两个ET200M从站，如图1所示。利用SIEMENS公司工业现场总线PROFIBUS-DP可以完成PLC主站与现场ET200M从站之间的主-从通讯。这样既节约了电缆，又提高了系统的可靠性。将从站1放置在鼓风机房，用以采集鼓风机的转速等运行参数，由此可以实现操作员对鼓风机运行情况的实时监测和控制。将从站2放置在污泥泵房，用以采集污泥泵的运行参数并对其进行远程控制。考虑到实际工作流程的需要，用两台配置SIEMENS公司CP5611网卡的工业计算机（一台工程师站和一台操作员站）并辅以打印机组成了上位机监控系统。上位机监控系统与PLC主站之间的数据通讯则通过PROFIBUS-S7数据通讯网络完成。同时，配套选用SIEMENS公司的WINCC完成操作员站的画面组态。

3 污水处理工艺流程

污水处理工艺流程如图2所示，其核心为由一个厌氧池和一个好氧池组成的反应池。工业污水中往往含有体积较大的块状和条状杂物，这些杂物在通过隔栅时被拦截下来。被拦截下来的杂物通过专门机械收集、压实，然后输送到专门的盛放池，待累积一定数量后外运处理。经此工序后的污水经提升泵房，提升至高处，使得污水在重力作用下就能自行流经后续工序。为了降低反应池的负荷，设置了沉砂池。在较低的流速下，污水中的砂子在重力作用下进行沉淀。经沉淀后的污水进入厌氧池，在厌氧池中污泥和厌氧菌的作用下，脱去大部分磷后进入好氧池。好氧池配有鼓风机和搅拌机为其中的好氧菌提供富氧环境，在好氧菌作用下，进一步将有害物质分离出来。然后进入二次沉淀池，将污泥进行沉淀，一部分污泥经泵房回流至厌氧池，剩余的污泥与之前的砂子一起进行浓缩脱水、处理。而此时的污水已达到排放标准，可以外排[3]。

4 控制系统的功能实现

根据现场工艺要求，系统分为下位机和上位机，下面将依次分别介绍下位机和上位机实现的系统控制功能。

4.1 下位机的主要功能是对各类泵、风机、搅拌机等设备的开、停进行自动控制，同时将这些设备的运行参数，以及现场模拟量如溶解氧、泥温等参数，通过PLC转化在上位机进行显示。这些功能的实现都是通过预先编制好的程序进行自动控制，当然根据实际工况需要，可以在线或离线对参数进行调整。

4.2 上位机监控系统的功能实现包括

4.2.1 通过键盘或鼠标控制现场设备，控制结果将实时显示。

4.2.2 在流程图中实时显示各设备的运行参数和现场模拟量，以图表的形式直观的将系统的运行状况展现在工艺人员面前；提供控制回路参数设置画面；提供报警功能，当设备参数超过设定值时，进行闪烁报警。

4.2.3 设置口令保护，以免非工作人员恶意登录或退出系统，保护系统的安全运行。

5 系统软件设计

系统软件设计与硬件进行配套，同样分为下位机软件设计和上位机软件设计，下面分别予以介绍。

5.1 下位机程序设计

本系统在SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1基础上完成硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计。根据功能的不同将整个污水处理流程分为若干个分流程，例如沉砂池控制（FC4），反应池控制（FB1），每个分流程对应一个功能（FC）或功能块（FB）。此外，为了实现对模拟量的实时监控，还需要设置一些转换模块，通过这些转换模块将采集的参数进行转换最终得到实际的控制量[4]。程序设计时，先编写不同功能的子程序（功能块FB、DB、FC）然后通过主程序（OBI）调用，从而实现对各设备的控制。

下面介绍好氧池的控制，好氧池控制流程图如图3，好氧池中的污水通过微生物的净化作用去除有机物[5]。控制水中的含氧量也是污水处理过程控制中关键的任务之一。因为好氧池中的好氧菌需生存在富氧环境中，如果水中氧气不足则会导致好氧菌的死亡，从而失去污水处理功能。因此配备了鼓风机通过曝气头向水中提供氧气，但是鼓风机的能耗很大，达到了整个工艺系统能耗的50%左右，过多的配置鼓风机不但增加能耗，反而会形成小而重的易沉淀絮体使水质恶化。考虑到节能与工艺需要之间的平衡，该系统设5有台鼓风机和1台变频风机向好氧池供氧。为了监测好氧池中的溶解氧，在好氧池的不同地点设有6块溶解氧测试仪即（DO仪）测量池中的含氧量。在控制系统中为这些DO仪设置一个正常值范围，在实际运行中，若DO仪的测量值超过了这个正常范围，PLC就会收到报警信号。PLC根据溶解氧的平均值来控制鼓风机的开、停。如果平均值低于正常值，PLC控制调频风机加大送风量，如果高于正常值则减小调频风机的送风量。如果调频风机已达最大或最小值，则通过增开或关闭一台普通风机来实现溶解氧的调节。设定PLC每十分钟进行一次调节，这样既能满足工艺需要，又避免了风机的频繁调节。

5.2 上位机程序设计

本系统上位机采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1，为了增加系统运行安全和稳定性，WINCC运行于Windows NT V4.0操作系统平台之上。鉴于工程师站和操作员站的功能不同，在工程师站安装WINCC-RC用于开发，在操作员站安装WINCC-RT用于运行。WINCC通过读取下位机的DB块，在上位机实时显示各项参数，如显示实际温度、鼓风机的开闭状态等。另外通过共享数据块DB2将上位机的操作命令传到下位机的DB块中，来实现对下位机的在线控制。

6 结束语

当前，工业污水处理对自动化控制程度要求越来越高，PLC控制系统已广泛应用于污水处理中。PLC控制系统的应用降低了操作人员的劳动强度，并改善了操作人员的工作环境，降低了人力成本。本系统投运以来，因其界面友好、操作简单、提升对设备的管理水平、提高生产效率等优点而获得了业主的认可，同时也创造了很好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1]胡健.西门子S7-300PLC应用教程[M].机械工业出版社，2007.

[2]胡学林.可编程控制器教程[M].电子工业出版社，2005.

[3]王学礼.PLC在污水处理控制系统中的应用[J]，山东纺织经济，2006.

[4]廖常初.PLC编程及应用[M].机械工业出版社，2003.

[5]吴根树，刘妍.曝气池一氧化沟工艺在含油废水处理中的应用[J].华北航天工业学院学报，2005，（1）：41-43.

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