基于PLC的污水處理計算機控制系統設計及應用

劉文輝

（內蒙古通遼市扎魯特旗魯北污水處理站 內蒙古 通遼 029100）

0 引言

隨著工業化和城鎮化的發展，環境污染問題引起了業界關注，污水處理、污水控制、水環境保護已經刻不容緩。1949年以后我國興建了不少的大規模污水綜合處理廠，主要采用了傳統的活性污泥方法，由于受到我國當時的工藝技術水平、裝置條件和管理水平的限制，其普遍面臨著脫氮除磷能力相對較低，污水處理系統運行穩定性相對較差等技術上的難題。因此，舊廠的改造、新廠房的新生產技術發展和應用勢在必行[1]。

近幾年，在政府的關注支持下，我國在污水處理設備、軟件程序編程、硬件的選取上有了一定進步，但是相比于國外，我國的污水處理控制系統還有許多不足，需要進一步完善[2]。

1 基于PLC控制污水處理計算機控制系統總體設計

常見的污水處理系統工藝流程主要分為以下幾個環節：首先是對污水的粗處理，將大漂浮物之類的污水垃圾利用格柵分離開，污水再進入下一個處理環節。其次是除砂環節，將污水中的渾濁顆粒物沙子等雜質進行過濾，將過濾后獲得較為清澈的污水再進行第三個環節處理，該環節是屬于氧化殺菌環節，完成上述環節后基本獲得了可再次利用的干凈水，但是還要經過一個沉淀環節，將未處理干凈的雜質進行沉淀，在沉淀環節中實現最終的泥沙和清水的分離[3]。

工業廢水處理系統主要是用來完成城市廢水的凈化，對城市排放的廢水進行系統處理后，其出水水質達到國家標準[4]。長時間以來，工業廢水處理技術發展很快，但依然達不到城市發展的需求。工業廢水處理率低和產能利用率低對城市發展產生重大影響[5]。要實現工業廢水處理技術的簡單、高效、低功耗，并實現自動控制過程，所以使用PLC作為主控制器。

1.1 信號輸入

首先是數字量輸入信號。數字量信號輸入只有兩種狀態，在程序中以“1”和“0”表現出來。主要代表各種開關的開斷信號輸入的數字量連接PLC的方式以及注意事項。通常數字傳感器分為PNP和NPN，但是在這兩種情況下，PLC的連接不能以不同和更強的方式進行混合。數字量的傳感器接線方法有兩線制和三線制。數字量的傳感器有常開（NO）和常閉（NC）兩種功能。其次是模擬量輸入信號。模擬量輸入信號是一個連續的狀態，是非離散量，模擬工廠中無法具象表達的信號，如壓力、流量等。

1.2 控制輸出信號

數字分量輸出，PLC可以利用24 v控制其他較高電壓等級，輸出“0”和“1”兩個狀態。模擬量輸出，非離散型的裝置可以用模擬量輸出，可以實現逐漸變化的控制功能，例如調節閥、液壓的比例放大器。通信控制，一部分設備需要使用通信控制。

1.3 污水處理控制系統工作原理

本次設計的系統以PLC核心控制器，總框圖見圖1。

在手動狀態和自動方式下對系統進行控制，以下為工作過程。

接上電源，啟動潛水機的自動控制模式→間歇性運行粗細格柵機，簡單來說就是先在空中運行一定的時間然后再在空中停止一定的時間，重復地進行→啟動清污機按照液位反饋信號返回的液體水位差設定狀態啟動控制器，使清污機正常運行和工作停止→潛水泵房內部的進水泵可以按照液面高度的要求對其進行操作、停歇和操作數量的調節→自動轉碟曝光空氣機根據臭氧溶解度在臭氧質量計數器中反饋的轉盤空氣系統中的質量模擬臭氧質量，經過PLC公式運算之后對其質量進行自動控制，同時它還對自動控制轉盤空氣臭氧分離機的正常工作和曝氣停止負責→根據水平和液面高低來控制污泥回流泵的啟動和停止→在污泥脫水系統中，離心式脫水機的工作時間要用先后順序相同的控制模式來決定，依次開始啟動它們的設備。

2 計算機控制系統硬件設計

硬件電路是實現該控制系統的“身體”。強健的“身體”是整個系統能夠正常工作的保證。本章就該控制系統的電路和硬件選型進行介紹。

2.1 硬件選型

（1）PLC選型

根據本設計的要求，經多方面考慮，選擇西門子S7—20SMART系列PLC作為工業污水處理系統的電氣控制系統的控制主機。同時增加擴展模塊AE04和AQ02，以滿足變頻器頻率反饋和給定的要求。

（2）接觸器選型

選用正泰NXC系列交流接觸器。它有高標準、長壽命、強適應性、寬電壓、線圈強通用性、模塊化等實用性優點。

（3）變頻器選型

選用異能N600系列變頻器，此變頻器能源利用率高，結構與功能優化，操作方便，可靠性高，功能多樣。

（4）電動機的選型

通過了解電機的參數、工作環境條件、用途、控制方式等來選用電機。

2.2 主電路設計

見圖2為PLC控制電路。

PLC操作方便而且容易掌握。以PLC為工業污水處理系統的基礎主要包括信號輸入和控制輸出信號。

2.3 控制系統的I/O配置

本控制系統涉及兩種量，即模擬量和數字量，分為輸入和輸出。故一共有4種控制量表示，下面分別介紹其分配和定義：

（1）數字量輸入部分

控制系統數字量輸入地址分配，見表1。

表1 控制系統數字量輸入地址分配

（2）數字量輸出部分

控制系統數字量輸出地址分配如表2所示。

表2 控制系統數字量輸出地址分配

（3）模擬量輸入部分

收集溶氧儀設備反饋的相關數據，擴展一個模擬量輸入輸出模塊，如表3反映了具體的I/O配置。

（4）模擬量輸出部分

對模擬量進行數據處理，對變頻器進行控制，進而控制相關設備的運行，見表4。

表4 控制系統模擬量輸出地址分配

3 軟件系統設計及實例

使用西門子公司為S7—200smart系列PLC開發的STEP 7-MicroWIN SMART為本系統的編程軟件。

3.1 基于PLC的污水處理系統流程圖

污水處理控制系統流程，見圖3。

3.2 組態實例

3.2.1 實例工藝流程畫面介紹

選用深圳顯控觸摸屏，對觸摸屏進行上位機畫面組態，左下角三個按鈕為觸摸屏切換按鈕，單擊可以切換畫面，右下角為模式切換和啟停按鈕，當模式為自動模式時，單擊系統啟動，整個系統會進入運行狀態，同時左上角會出現系統運行的提示。點擊系統停止，系統處于停止模式。

調節池提升泵為一備一用，點擊提升泵1#投入。提升泵1投入使用，提升泵2作為備用泵；反之，提升泵1作為備用泵，提升泵2投入使用。

自動泵與提升泵功能類似，不做贅述。

當系統啟動時，風機1投入使用，在風量不足的情況下，可手動投入風機2，投入后風機2變為自動控制。

處理后的水貯存在清水池中，當清水池水量滿時，會通過溢流口排出。當需要清水池里的水二次利用時，點擊啟動按鈕，恒壓供水泵開始工作，清水池液位低時，恒壓供水泵停止工作，待液位高于低水位時，恒壓供水泵繼續工作。點擊停止按鈕，恒壓供水泵停止工作，不受液位控制。

具體工藝流程見圖4。

3.2.2 手動界面畫面介紹

當旋鈕在手動狀態時，水泵、閥門不受自動狀態的控制，通過點擊啟動、停止，可開啟、關閉水泵和閥門。

組態畫面會顯示水泵運行狀態和停止狀態，當熱繼電器熱過載時，組態畫面同時會顯示設備的故障狀態。

手動操作見圖5。

3.2.3 參數設置畫面介紹

通過設置運行和停止時間，可以控制設備過濾N分鐘，停止過濾M分鐘，以N+M為周期運行N個周期后，設備反洗。

當設備進入反洗模式時，反洗A分鐘后，設備再次進入過濾模式，以上面N+M為周期進行過濾。

3.3 觸摸屏的通信

3.3.1 觸摸屏的電源

觸摸屏的工作電壓為直流24 V，給線控觸摸屏提供一個24伏的直流電，觸摸屏進入設置界面，進行參數設置。

3.3.2 觸摸屏的通信

觸摸屏和PLC通過RS-485進行通信，從而實現數據交換，對整個系統進行監控。

4 調試與運行

通過PLC上的以太網口，通過專用的網絡協議，把PLC程序下載到PLC中，點擊程序狀態，可以進行監控，根據要實現的要求，從而調整程序內容，使其滿足設計的要求。點擊觸摸屏上的按鈕，觀察程序里對應的地址是否有動作，如果沒有達到想要的功能和效果，就更改畫面組態或者PLC程序。達到要求后，以此類推。調試界面顯示，見圖6。

5 結語

本文從系統硬件和軟件兩個關鍵環節進行了設計和研究，分析了污水處理的工藝，在探究污水處理的各個環節基礎上，確定了系統控制要求和內容，并設計出總體方案結構，對PLC進行選型，確定S7-200smart系列PLC開發作為主控制器，對每個模塊選擇其型號。系統所用到的所有傳感器選型，選擇出穩定、高效的傳感器，并對應信號采集電路以及總體系統的電源電路。使用STEP 7-MicroWIN SMART軟件編寫了主要控制環節的程序，在PLC中能夠實現其自動控制。采用samkoon觸摸屏進行控制實例演示，使系統不僅減少了人工操作量，也增加了污水處理效率。希望基于P L C的污水處理計算機控制系統能促進計算機控制系統在污水處理領域的發展。