PLC在污水处理控制系统中的应用

【摘要】本文针对余杭污水处理厂的污水处理系统，设计了一套基于PLC的污水处理控制系统，该系统完成对污水处理设备的自动控制、动态工艺流程的监视、工艺参数的监视和设定，以及报警提示和故障诊断等功能，是一个实用性强、自动化程度高的一体化控制系统。通过现场实地调试及系统目前良好的运行状态，证明了该系统设计的正确性及可靠性。

【关键词】PLC，污水处理，控制系统，应用设计

中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A文章编号：

一、前言

随着工农业生产的迅速发展和人民生活水平的不断提高，大量含有高浓度有机物和无机物的水未经处理直接排放到自然水体，使环境和饮用水严重污染。因此，高效节能的城市污水处理技术与工艺成为解决水污染问题的最有效途径。为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地运行，采用西门子S7-300系列可编程序控制器和智能检测仪表组成下位机，实现对现场设备的监控；西门子WINCC V7.0组态软件和服务器组成上位机，实现整个系统的画面监测、参数设定和指令控制等功能。该系统集过程控制和科学管理于一体，具有可靠性高、控制性能优越、管理功能完善等优点，对指导工艺及设备的正常运行，提高自动化控制和管理水平发挥了重要作用。

二、污水处理的工艺流程和常用方法

1.污水处理的工艺流程

余杭污水处理厂污水处理工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

污水通过进水管先后流经粗、细机械格栅去除污水中较大的悬浮杂物，随后进入旋流沉砂池，经过吸砂泵的提升进入砂水分离器，分离出来的污水进入配水井(砂粒定期外运填埋)，之后经厌氧区和好氧区等生物处理设备进入泥水分离区，出水达标后排放至余杭塘河，分离出的污泥一部分经回流污泥泵进人厌氧区，另一部分经过污泥浓缩池进行污泥脱水，分离出来的污水进入配水井（污泥定期外运焚烧）。

2.常见的污水处理方法

（一）污水净化处理系统方案

污水处理的基本原理是利用物理法、化学法和生物法三大类。而对工业污水有其独特的处理方案，工业产生的污水中含有大量的固体渣滓污染物，对于固体渣滓污染物的处理方法一般采用物理法，物理法的基本原理是利用物理作用是悬浮状态的污染物质与水分离，在处理过程中污染物质的性质不发生变化。

(二)磁力分离法

磁力分离式利用磁场力截留和分离废水中污染物质的方法。主要应用于去除废水中磁性及非磁性悬浮物和重金属离子，对废水中有机物和营养物的去除也有帮助。当废水通过磁场时，水中磁性粒子同时受磁场吸引力、外力和重力、粒子互相作用等的作用，如磁力大于外力磁性粒子既能被磁场捕获，从水中分离出来。

三、PLC在污水处理控制系统中的应用方案设计

1.污水处理控制系统总体方案

(一)控制系统构成

本污水处理厂控制系统采用上、下位机的主从式结构，三个PLC站。PLC1、PLC2和PLC3，作为下位机连接污水处理设备，完成现场数据的实时采集和分散控制、状态判别等。中心控制操作站(包括一台工程师站和一台操作员站)作为上位机，以组态软件为核心设计监控界面，实现状态显示、参数设置、故障记录、报警提示、数据存储与报表统计等功能。各控制子站和中控站的主机通过以太网进行通讯和信息交换。系统构成如图2所示。

（二）主要过程控制。该系统完成的过程控制主要包括三部分：机械处理控制、生物处理控制、污泥脱水控制，由三个PLC站分别控制。各过程控制的主要设备如下：

机械处理过程包括：粗、细格栅，潜污提升泵、吸砂泵、砂水分离器等，由PLC1控制；生物处理过程包括：回流污泥泵、潜水搅拌机、水下推进器、转牒曝气机，刮吸泥机等，由PLC2控制；污泥脱水过程包括：剩余污泥泵、脱水机等，由PLC3控制。

3.控制系统硬件组成

该系统的硬件主要包括中央控制室、PLC站和现场设备及仪表三部分，下面分别进行介绍。

（一）中央控制室

中央控制室由一台工程师站和一台操作员站作为监控站，通过工业级以太网交换机与现场PLC站相连，监控站使用工控机，配置西门子的以太网卡CP1613，以WINCC V7.0组态软件为开发平台组态的控制系统显示画面。

（二）PLC站

PLC选用西门子公司的S7-300系列，该系列PLC硬件配置灵活，软件编程方便。PLC的CPU选用CPU315-2DP，它具有大型的程序存储容量，集成了PROFIBUS-DP总线的端口，利用这个端1：3实现与ET200以及现场仪表通信。整个控制系统采用基于TCP／IP协议的工业级以太网实现上、下位机的通讯，从而实现整个污水处理厂的一体化控制。

根据工艺的需要和控制要求，本系统设置3个PLC柜，模拟量输入SM331模块12块，模拟量输出SM332模块2块，数字量输入SM321模块28块，数字量输出SM322模块15块。模拟量输人为DC24V，输出为继电器型。

（三） 现场仪表

现场设备上的一次仪表都是标准的常规仪表，其输出信号为标准的4~20mA或0-5V模拟电信号。模拟信号经ADAM 模块转换滤波后变成工程量进行计算。

4.控制系统软件设计

（一）PLC控制软件

PLC控制软件是利用STEP7 V5.3在Windows XP平台下开发的，完成地址、站址的分配以及用户程序的设计开发。软件采用模块化编程结构，根据所控制设备的实际情况，把整个污水处理流程分为若干个分流程，每个分流程对应一个功能或功能块。将各种控制功能和各站点间的通讯数据分别编写在不同的子程序中，主控程序通过组织块调用各功能。

（二）上位机组态软件

本系统选用WINCC V7.0来完成上位机的组态，对全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控。WINCC V7.0采用标准的Microsoft SQL Server2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览器功能，功能齐全，使用方式灵活。

整套监控系统设有多幅实时监控画面，包括工艺画面、报警画面、报表画面、事件画面和操作记录等。其中工艺画面可显示整个系统的工艺流程，设备的运行状态通过指示灯表示，传感器的瞬时值依据仪表的实际安装位置被分别标注到工艺总图中，其实时数据和历史数据被做成相应的子画面，可在工艺总图中直接点击按钮进入。系统主要实现功能：

（1）显示功能

①显示整个系统的工艺流程；

②显示生产实时数据和设备运行工况：

生产实时数据：如流量、转速、频率等；

累计值的显示：如累计流量、运行台时等；

设备运行工况：如运行、停止、故障；

设备故障信息：如电气故障，存储故障等。

（2）操作功能

①生产工艺控制点设定；②报警限值设定。

（3）报警处理功能

①报警提示；②故障诊断。

（4）数据管理功能

①历史数据存档；②历史数据显示；③历史趋势曲线。

（5）报表功能

本系统具有对各类数据、文件归档，对历史数据记录、处理、裁剪、分析和统计，具有点趋势图、日志、事故追忆，具有制作各类报表，具有图形打印、文件打印，报表打印等功能。

（6）系统安全管理功能

本系统安全管理功能主要涉及控制安全、网络安全、安全管理等。操作级别分为：工程师级和操作员级，对各个级别的操作都设置密码，并能记录操作人员工号、操作内容、时间等，防止非法操作，确保污水厂设备安全有序运行。

四、结束语

余杭污水处理厂控制系统根据污水处理的工艺要求，以西门子PLC为控制核心，用工控机配以WINCC V7.0组态软件实现远程监控，大大降低了操作人员的劳动强度，改善了操作人员的工作环境。设备具有调试简单、操作方便、使用安全、运行可靠、效率高、故障率低，污水处理效果好的特点，同时由于软硬件均采用模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试、维修和扩展，确保了污水处理工艺的高效可靠运行。

参考文献：

[1]刘先春,李书臣,张洪林,赵海峰,中尾真一酒井裕司,刘丹.PLC在污水处理控控制系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2006年3期

[2]赵红 PLC控制系统在油田生产中的应用[J].油气田地面工程,2011年6期