基于PLC、上位机的污水处理监控系统

摘 要：本文通过介绍基于PLC的污水处理监控系统，分析了污水处理的工艺过程，利用PLC对过程的全程自动化控制，并通过组态软件将监控信号上传到中央控制室的上位机。利用PLC、上位机组成的“分布控制，集成管理”的污水处理厂自动控制系统，可实现对污水处理全过程的监测和控制。

关键词：污水处理厂；自动控制系统；PLC；组态软件

1、 工艺简介

A2O工艺是中小规模污水处理厂最常用采用污水工艺，又称AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一个字母的简称（厌氧-缺氧-好氧法），可用于二级污水处理或三级污水处理，以及中水回用，具有良好的脱氮除磷效果。

工艺流程主要有预处理、生化处理、消毒出水、污泥脱水等环节组成。预处理环节由粗格栅间、提升泵房、细格栅间、旋流沉砂池组成；生化处理环节由改良型氧化沟、鼓风机房、回流及剩余污泥泵房、二沉池等组成；出水系统由紫外线消毒池等组成，污泥处理环节由储泥池、污泥脱水机房组成。其工艺流程图如下图1。

污水进入污水厂首先经过粗格栅，大的固体杂质被粗格栅过滤掉（保护后续设备）后，污水进入提升泵房；然后由提升泵房提升泵将污水送至细格栅，在这里悬浮物被细格栅过滤掉；接着污水进入旋流沉砂池，通过搅拌机对污水中的砂子进行洗砂和沉砂，在吸砂泵的作用下去除砂子，为生化处理奠定基础。

下一道工序是污水进入到生化池内进行生物反应。生物池分为厌氧池、缺氧池、好氧池三部分组成。在该工序内，BOD、SS和以各种形式存在的氮和磷将一一被去除。A2O生物脱氮除磷系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌和反硝化菌、聚磷菌组成。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入到大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷除去。

经过生化池处理后的污水再进入到二沉池沉淀，二沉池的功能是泥水分离。然后污水在出水消毒池经过紫外线消毒达标后可直接排放。污泥泵房污泥一部分回流至氧化沟厌氧池，另外一部分剩余污泥由泵输送至贮泥池储存调节；贮泥池污泥送到脱水机房，通过污泥脱水机处理后经由泥车运走。

2、 系统构成

系统主要采用了工业控制计算机（IPC）+可编程控制器（PLC）+现场检测仪表的监控模式。本控制系统通过现场检测仪表采集工艺参数，PLC作为主要现场控制单元，根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。利用IPC作为上位机，进行复杂的数据处理。通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。整个自动化监控系统构成SCADA（Supervisory Control and DataAcquisition）系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。整个系统由中央控制室、分析式控制站和现场仪表及电控柜构成三级监控网络。系统结构如图2所示。

1）中央控制室

中央控制级由两个工程师站、一台激光打印机、一台彩色喷墨打印机、一套UPS等组成。负责监视、管理、控制整个污水处理厂的全部生产过程和工艺过程。实现生产过程无人为干预，生产现场无人值守。

2）现场控制站

污水厂现场设有现场设备分析控制站，现场的各种检测仪表将各种水质参数和物理量参数传递给现场控制单元，经现场控制单元程序计算后，控制相应设备动作，同时现场PLC单元将检测量和控制量利用通讯系统传给监控主机。本厂设置了4个现场设备控制站：

PLC1现场控制主站监控范围包括：粗格栅、进水提升泵房、细格栅旋流沉砂池、鼓风

机房、生化池等构筑物设备的监控及相关检测仪表。PLC2现场控制主站监控范围包括：贮泥池、混凝沉淀池、二沉池、接触池等构筑物设备的监控及相关检测仪表。PLC3、4 污泥脱水间及消毒出水现场控制由设备厂家配套提供，通过工业以太网通讯将监控信号传到中控室。

现场PLC完成对各点信号的采集及控制，提高了系统的可靠性与可维护性。现场PLC站通过工业以太网与中央控制室的工程师站连接。当控制模式选择置于“远程”位置时，操作人员将不能利用电气控制柜或电控箱上的启/停按钮对设备进行运行/停止操作，此时设备的控制权交给计算机控制，PLC将根据操作员站的控制指令，由PLC控制程序“自动"或“手动"控制设备的运行。

3）现场操作箱及仪表系统

各现场操作箱具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个PLC站连接，将各设备状态信号传送到PLC的相关采集模块。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态选择开关打到自动状态，远程控制程序才起作用。所以在进行自动控制调试前，首先要完成对现场各操作箱的调试，在保证现场设备安全的前提下才能进行远程控制。

3、 系统功能

1） 显示功能

监控系统以图形或图像的方式实时动态的显示工艺流程、各设备状态以及厂区概貌。通过画面、曲线、数据表格等方式监视现场设备及仪表，还可以对设备进行相应的控制。画面切换速度也可以进行相关的设置。

2） 报警一览

系统自动进行实时报警和事件处理。当报警发生时，如液位超高或风机超温，系统可快速检测并通过画面状态变化提示，并显示相应报警文本，同时发出声音报警提醒监控人员注意。报警到达时间、确认时间及排除时间、报警值、限位值、当前操作员等相应信息也在报警一览画面上进行显示。报警可手动消音。

3） 历史记录

将所有报警信息和设备操作记录集中在图表内，使用户能随时根据需要查询曾发生的报警及曾做的操作记录，用户可以按照不同的时间段，选择日期来查询历史记录，且带有按类型分组查询功能，主要类型系统故障、设备故障、操作记录、参数设定、信号越限、系统信息、状态变更。操作人员可根据需要查询处相关记录，且可保存到EXCEL中获通过打印机打印出来。

4） 趋势曲线

通过曲线显示工艺数据值的时间变化。在变化显示中，分为显示实时数据的实时趋势和显示过去数据的历史趋势。将历史数据和实时数据集成于图表内，使用户能够分析过程趋势和过程后数据。

5） 报表功能

系统通过SQL或ODBC连接，生成报表，报表分日、月和年报表。数据保存年限一般设为3年。监控系统对系统内采集的实时数据进行处理和保存，并能按照自定义的时间范围查询报表中的数据。报表可处理并显示个模拟数据的平均值、最小和最大值，同时可以设定为定时自动打印方式，也可通过按钮人工打印。报表还可以将数据已EXCEL格式导出。

结束语

该系统采用A2O污水处理工艺，根据工艺要求利用PLC、组态软件构成了一个自动控制系统。污水站采用无人值守的运行方式，系统开机后即可长期自动连续运行，操作直观、简单，并具有较高的智能化程序。系统具有良好的通用性、可扩展性和可维护性。大大降低了操作人员的劳动强度，提高管理水平，取得了良好效果。