基于PLC的污水处理中心自控及监控系统

李晓辉，郑 晟，孙彦鹏

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

近年我国的污水处理行业虽然取得了较大发展，但仍然存在污水处理厂设计标准低、设备和工艺技术落后等问题。污水处理工艺与其他工艺过程相似，需要在一定的温度、压力、流量、液位等工艺条件下进行。污水处理的可变因素较多，水量、浓度、温度、气量、微生物状态、机械运行和系统控制情况等，都会影响污水处理效率以及功能，因此尽快建立自动化程度较高的污水处理厂并高效运作已经成为当下刻不容缓的任务[1]。

根据污水处理中心综合情况，结合国际国内的先进技术以及经验，进一步强化污水处理中心自控和计算机监控系统。计算机监控系统能够即时监控污水处理的每道工序，即控工艺。监控泵站设备运行，使机组能达到计算机控制优化运行；组建上位机系统，经过上位机将泵站运行参数、污水浓度、排水流量、水位高低等工情以及水情信息形象展示出来。计算机监控系统还能够以视频形式全方位的监视污水处理中心重点区域，为操作员及时作出反应提供技术保障。

1 系统设计目标

1）强化泵站自控系统，增强泵站自控可靠性，提高自控水平，达到泵站优化运行的目的，运用组态软件 （ACCRDB9.0）监控工艺流程中的关键环节。

2）建立厂区视频监控系统，使管理者能实时了解厂区重点区域的情况。

2 系统具体设计

污水处理中心自控系统包含两个子系统，泵站自动监控系统与厂区视频监控系统。

2.1 泵站自动化监控系统

工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow chart of production process

根据污水处理工艺流程图，整个泵站自动化监控系统分为3个站，站间相互独立地构成各自系统，最后各个站的信息全部通过交换机送达上位机进行统一调度和管理。泵站自动化监控系统包括11台变频器和3台PLC控制箱以及所属配电柜。

2.1.1 1号现场控制站

1号现场控制站主要控制设备包括城区管网污水进水管的4个电动阀，粗格栅提升泵房（6台泵，3台变频控制，3台软启动控制）中3台变频控制泵，细格栅间的1个空压机、3台泵和3个电动进水阀，沉砂池的5台电动排泥调节阀，1台沙水分离器，变频泵能根据工艺要求设定成液位控制方式和流量控制方式[2]。

本系统所采用控制器为西门子S7-300控制器，控制信息通过工业以太网模块传到上位机进行统一管理，网络系统采用以太网模块管理，变频器速度给定和调节阀开口度在上位机直接给定，上位机能实时读出变频器反馈速度与调节阀开口度，每个泵的开启都可以在上位机上面进行[3]。很多重要信息都能够在上位组态画面很直观的显示出来，如泵的运行信号、污水浓度、变频器故障信号、流量大小、液位高低、阀的开关到位信号等。

2.1.2 2号现场控制站

2号PLC控制站主要控制设备包括厌氧池潜水搅拌器8台，氧化沟表面曝气机12台，根据水中溶解氧的浓度测定来控制污泥回流泵房的5台回流泵，3台排泥泵，二沉池的2台刮泥机的电机转速。本系统采用控制器为西门子S7-300控制器与一个扩展机架，本站控制原理与1号站相同。

2.1.3 3号现场控制站

3号PLC控制站主要控制设备有接触池反冲洗泵3台，污泥泵房的带式压滤机2台等。该站需完成两项任务：一是对SBR输出水进一步加药处理，除去水中有害微生物，使水质达标；二是将排出的污泥进行加药处理，并加入适量化肥进行烘干[4]。

系统采用西门子S7-200控制器[5]，控制信息通过工业以太网模块传到上位机进行统一管理，网络系统采用以太网模块管理，能够在上位机直接控制泵的起停，监视泵的起停状态。 两台上位机位于中控室中，依据实际工艺流程绘制相应组态画面，对污水处理工艺流程进行监控。

2.2 厂区视频监控系统

随着经济水平和科技的飞速发展，人们对安全的要求也原来越高，因此监控行业在全球范围内迅速发展，监控技术也得到进一步发展[6]。根据污水处理中心现实情况，在中心的4个角落安装4台，厌氧池1台，氧化沟2台，沉砂池1台，综合楼1台，共9台摄像头建立厂区视屏监控系统，管理者可以足不出户实时监控重点区域。

2.2.1 摄像部分

摄像部分是监控系统的“眼睛”，它布置在被监视场所的特定位置上，使其视场角能覆盖整个被监视的各个部位。在摄象机上加装电动的（可遥控的）可变焦距（变倍）镜头，使摄象机所能观察的距离更远、更清楚，摄象机安装在电动云台上，用控制器控制，可以使云台带动摄象机进行水平及垂直方向的旋转，进而使摄象机能覆盖的视觉面积达到最大。最后把监视内容转换为图象信号，传输给控制中心的监视器。

图2 PLC控制流程图Fig.2 PLC flow chart

2.2.2 传输部分

传输部分是系统图象、声音、控制等信号的通道，采用光纤方式传输，要求图像信号经过传输系统不能产生明显失真（色度信号与亮度信号均不产生明显的失真），保证原始图像的灰度和清晰度不能有明显下降。

2.2.3 控制部分

控制部分是整个系统的指挥中心，控制部分主要由总控制台（有些系统包含副控制台）组成，总控台主要功能：视频信号放大与分配、图象信号切换、图象信号校正与补偿、图象信号记录等；对摄象机、电动变焦镜头、云台等进行遥控，达到对所监视场所全面、细致的了解；对系统防区进行布防、撤防等。当防区出现非法入侵，报警信号立刻传送到总控制台，能够显示报警防区、闪光灯、联动警号、前端灯光等设备。

2.3 系统软件及网络系统

ACC-RDB9.0监控组态软件开发过程采用先进软件工程方法：“测试驱动开发”，使产品品质得到了充分的保证，单台服务器处理点数可达100 000点，支持多台服务器相互通信，具有控制、数据采集、数据管理、数据 、报警、记录、趋势、报表生成等功能。交换机选用4台MOXA工业以太网冗余交换机组成以太环网，MOXA支持SNMP协议，可方便地通过串口、telnet进行管理。专用网管软件Kyvision3.0能够观察网络上每一个节点的设置，通过对网络全面监视，可以实现全面的负载和故障分析，Kyvision3.0的交互式用户界面如图3所示，以及设备图案化使网络管理更直接、更方便、更易于理解，工作组方式的管理，使VLAN的划分以及管理更方便。污水处理中心自动化网络拓扑图如图4所示。

3 结 论

图3 Kyvision网络管理软件主界面Fig.3 Kyvision host interface

图4 污水处理中心自动化网络拓扑图Fig.4 Automatic network topology of sewage disposal

文中构建了以西门子S7-300为控制核心的污水处理自控及监控系统，描述了工艺设计和自动控制及监控系统设计，根据工艺流程整个泵站控制部分分为3个站，站间相互独立构成系统，各个站的全部信息经过交换机最后到达上位进行统一管理，根据污水处理中心实际情况，布设9台摄像头组成厂区视屏监控系统，实现管理者能在中控室内实时监控厂区的各个角落。该系统有较好的扩展功能，实用性和经济型，实现了集中管理，分散控制，使系统的可靠性增强，危险性降低。

[1]王东云，牛正光.CompactLogix PLC在污水处理系统中的应用[J].电子技术应用，2008（6）：88-93.WANG Dong-yun，NIU Zheng-guang.Application of Compact Logix PLC in sewage disposal system [J].Application of Electronic Technique，2008（6）:88-93.

[2]赵曙光.可编程逻辑器件原理、开发与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[3]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:电子工业出版社，2008.

[4]周文明，邹晓岚，熊胜利.自动控制系统在水厂中的应用[J].自动化博览，1999（3）:18-19.ZHOU Wen-ming，ZOU Xiao-lan，XIONG Sheng-li.Application of automatic control system in water plant[J].Automation Panorama，1999（3）:18-19.

[5]Siemens.西门子S7-200可编程控制器系统手册[EB/OL]（2004-06）[2011-08-16].http://www.processtext.com/abcpdfmg.htm l.

[6]Schulzrinne H，Casner S，Frederich R，et al.RTP:A transport protocol for real-time applications[J].RFC 1889，1996（1）:1-79.