基于PLC的污水处理系统设计

陆大同欧艳华

（1.百色职业学院，广西 百色 533000；2.柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

基于PLC的污水处理系统设计

陆大同1欧艳华2

（1.百色职业学院，广西 百色 533000；2.柳州职业技术学院，广西 柳州 545006）

针对污水处理的典型工艺流程，设计了基于PLC的污水处理系统。重点对污水处理系统中的页面控制技术进行了深入的研究和设计，通过分析设计了污水处理中的液面控制模型，将污水处理的工艺过程抽象为对污水处理模型的实现。研究了PLC控制器组成结构和控制原理，最后设计了一个基于PLC控制器的污水处理系统，给出了系统组成结构以及详细的自动控制流程。

污水处理；液面；模型；PLC；自动控制

每年我国在工业领域和城市生活领域中都产生了大量的污水。水资源的污染是直接影响着社会经济和国家发展的重大问题，也正因为如此，近年来人们对水资源的保护越来越重视。而与此同时水又是人们生活与工业生产过程中必不可少的物资，因此人们不得不面对随着人类活动的空间越来越大的条件下，水体资源遭受着越来越严重的威胁。为了更好的解决这一问题，最有效的途径是对污水进行净化处理。无论是对生活用水产生的污水，还是对工业生产过程中产生的污水，通过合理的污水净化处理能够有效的降低污水的危害程度，甚至能够将受污染的水体资源转换为干净的水体资源。

不同的环境应用场合所产生的污水，其污染的程度、污染物资组成的成份，都有着十分明显的差异，对这些污水进行处理的过程和工艺流程也大不相同。尤其是在工业生产领域中，排放的污水与工业生产过程以及工业生产的内容有着直接的关系。只有设计有针对性的污水处理工艺，才能够有效的降解这些污水中的有害物质，并顺利的将污水转换为干净的水资源。另一方面，目前随着人们对水资源的保护越来越强，对污水的处理工艺也越来越高。而日趋复杂的污水处理工艺直接导致了污水处理系统设计和运行维护的难度越来越大。为了提高污水处理过程的自动化程度，人们越来越多的在污水处理系统中引入自动控制技术。而基于PLC的控制技术是一种非常经典的工业自动控制技术，利用PLC的可编程技术能够按照用户预先设定的意图，对工业生产过程进行自动化的控制。

本文在对污水处理过程进行研究和分析之后，采用数学建模的方式对污水处理过程进行抽象和建模。并在此基础上设计基于PLC的污水液面控制技术，实现对污水处理过程的自动化的控制。

1 液位控制模型分析

污水处理系统中最关键的一个环节是对污水液面位置的位置。根据污水处理流程在污水处理的多个环节，都涉及到液面位置的控制问题。而且通过液面位置的控制可以实现对污水处理过程中药剂投放量的控制、污水处理时间的控制、药剂处理浓度的控制等等。因此研究和处理污水处理过程中的液面位置控制方法对整个污水处理过程具有非常重要的意义，而且在污水处理过程的各个环节，其液面控制的方法和过程虽然有一定的差异，但其共性也非常明显。因此本文通过对污水处理过程中的液面控制问题进行分析之后，设计了一个通用的液面控制模型，并在该液面控制模型的基础上研究和设计液面控制问题。

针对污水处理过程，本文设计的液面控制模型结构如图1所示。在该液面位置控制模型中，假定需要对一个处理池中的液面位置进行控制，该处理池中的液体分别有一个入口和出口，入口的液体通过水泵和阀门的控制，决定在单位时间内送入处理池中的液体数量。而出口也通过阀门和水泵控制单位时间内流出处理池的水量，液面控制系统的目的就是对该处理池中的液面位置进行精确控制，使得该处理池中的液面位置能够保持在预先设定的液面高度上。

图2 基于PLC的污水处理控制结构

图1 液位控制模型

对该液面位置处理问题的建模结果如下：

假设入口处的潜水泵使用功率为pi，阀门的开度为Ki，入口的进水速度为Qi，进入的进水量为Ri，出口处的潜水泵使用功率为po，阀门的开度为Ko，出口的排水速度为Qo，排出的水量为Ro，处理池初始的液面高度为ho，液面期望调整至的高度为hx，处理池滴面积为S，处理池最大液面高度为，则该处理池液面变化的模型描述为：

式中满足条件：Rmax≤(Ri－Ro) ≤－Rmax而 Ri＝Qit t≥ 0

Ro＝Qot t≥ 0

Qi＝λiKiPi

Qo＝λoKoPo

2 基于PLC控制原理

为了实现污水处理过程中的液面位置控制问题，本文采用基于PLC的控制原理进行污水处理的液面控制。由于污水处理过程中的液面位置控制是一个典型的工业控制问题，本文采用的是工业控制中的PC加NC的控制模式。利用PC技术能够对污水处理系统的任务管理、污水处理流程进行控制，而且通过PC的强大处理能力，以及灵活的开发方式，能够在PC端为用户提供友好的接口，使得用户可以更加方便、高效率的对污水处理过程进行监测、干预，以及控制。而利用NC控制，则充分展现工业控制中的数字化控制的灵活性。通过NC技术能够对污水处理流程中的阀门运动装置进行精确实施的控制。NC处理单元具有比PC控制单元更高的处理效率和更快的响应速度，因此PC加NC的处理模式非常适合污水处理系统中的控制问题。

本文设计的基于PLC技术的控制原理图如图2所示：在该原理图中对污水处理过程进行控制的主要有PC端和PLC控制器实现。其中PC端负责为用户提供人机相互界面，并通过通信网络与多个PLC控制器进行通信互连。PC端可以向PLC控制器下达控制命令和控制程序，同时也能够监测PLC控制器反馈过来的各种工作状态。PLC控制器直接通过数据总线、运动控制器和输出接口与污水处理过程中的运动控制装置互连。同时PLC控制器也通过数据总线与污水处理过程中传感器互连，通过由传感器采集污水处理过程中的各种状态信息，尤其是污水处理过程中的液面位置信息。在PLC控制器对污水处理流程中的各功能模块进行控制时，主要由输出接口通过控制变频器实现对潜水泵、液压系统、步进电机等运动装置的设置。根据污水处理的应用需求，动态的对污水处理过程进行调整，使得污水处理过程在PLC控制器的控制下有序的进行。

本文设计的PLC控制器采用的是西门子S7-300型号的控制器。S7-300这种控制器是西门子公司推出的一种可编程的控制器。这种控制器采用模块化的结构，具有良好的可扩展性和兼容性。在PLC控制器中配备的处理器有多种可选的型号。本文所选取的处理器型号为CPU314型号，根据处理的任务量和性能的要求，可以灵活的选择不同类型的CPU。在S7-300的控制器中可以选取多种不同类型的扩展模块，其最多能够支持的扩展模块高达32个模块。S7-300控制器通过数据总线与各外围模块进行通信，采用总线的通信方式进一步提升了S7-300控制器的通用性和兼容性。S7-300上面为用户提供的编程开发环境为STEP7，STEP7这种编程工具能够为用户提供灵活多样的编程方式，其支持顺序结构图、梯形图、语句表、功能块图以及结构文本等多种编程开发方式，使得用户利用该型号的PLC控制器能够完成多种功能复杂的工业控制应用的开发。

3 污水处理系统详细设计

根据对PLC控制器的原理分析以及液位控制模型的控制，本文设计了如图3所示的基于PLC污水处理系统组成结构图，在图3中描述了整个污水处理的典型工艺流程。污水处理的全过程都通过PLC控制器进行自动精确化的控制。

图3 基于PLC的污水处理系统设计

首先污水通过污水提升泵将污水抽入污水处理池，在污水处理池中首先分析通过精栅格和细栅格对污水进行过滤处理。通过过滤将能够去除掉污水中大部分固体物质，这为污水的后期处理做准确。之后污水通过阀门送入到沉沙池，在沉沙池中将通过沙水分离器和吸沙机对沉沙池的辅助沉沙处理。由PLC控制器控制沙水分离器的运转速度，实现污水中沙子和水体的分离。而吸沙机同样在PLC的控制下控制吸沙的速度和吸沙的功率。污水经过沉沙池之后，将被去除污水中大部分细粒度的沙子和固态悬浮物。之后根据沉沙池的处理状态，由PLC控制器控制沉沙池出口的阀门，将污水排入生物处理反应池。在生物处理反应池中将采用生物处理的技术对污水中的生物物质进行降解和处理。通过PLC控制能够控制特征反应池中各种药物的投放比例以及处理时间，同时由PLC控制器调节生物处理反应池中的报气机工作状态。污水通过生物处理反应池的处理之后，由PLC控制器控制输出阀门，将污水导入到生物过滤池。在生物过滤池由PLC控制器控制吸泥泵辅助对污水的过滤处理。之后污水在阀门的控制下送入二次沉淀池。在二次沉淀池中将进一步对污水小的悬浮物以及漂浮物进行过滤。同时由PLC控制器控制污水在二次沉淀池中的沉淀时间，PLC控制器根据对污水的监测状态控制污水从二次沉淀池中排出，这是一个典型的污水处理流程基本完成。除此之外在污水处理过程中，PLC控制器还将控制浓缩池的分离器对污水处理的各个环节所产生的污泥进行浓缩处理，并由PLC控制器控制电辅加热装置对污泥进行脱水和干燥处理，最终降低污水中污染物的排放量。

从图3的整个污水处理流程可以看出，在基于PLC的污水处理系统中，存在大量的环节都需要通过PLC控制器对污水的处理过程和工艺进行控制。所有在整个工艺处理过程中，污水的流动都是通过潜水泵来驱动污水的流动，因此PLC控制器将通过对潜水泵的控制，实现污水的流向流速的控制。而潜水泵的控制又需要通过变频器控制来实现。因此PLC控制器将直接控制变频器，再通过变频器驱动潜水泵的工作。

除此之外在PLC控制系统中需要对液面的位置进行监测，而且为了有效的实现对污水的流向和流速进行控制，可能通过对页面的监测掌握各污水处理环节中当前液面的位置，并决定污水处理装置的工作状态，因此液面监测传感器是必不可少的。笔者在设计基于PLC的污水处理系统中，采用超声液位计来实现液面位置的监测。超声液位计的工作原理是采用超声波对液面位置进行探测，从而获取页面位置的精确信息。这种探测器不需要与液面直接接触，因此使用非常方便，而且采用超声波的原理进行探测，其测量精度高，易于维护，因此非常适合在污水处理系统中应用。

整个基于PLC控制器的污水处理系统其核心是以PLC控制器的智能控制为中心。从图3的组成结构也可以看出整个污水处理的流程，都依赖于PLC控制器对各个处理环节中的设备装配的控制，同时各个环节之间的污水排放阀门也都通过PLC控制器进行控制。在整个系统的工作过程中PLC控制器，通过部署在污水处理单元，以及污水进入和排放口的阀门状态进行监测，并通过超声液位计对各个污水处理单元中的液面位置进行采样，获取各个单元液面的位置。运行PLC控制器中预先设计的自动控制算法，来计算出在当前状态下污水处理系统各控制单元的控制参数，并通过PLC控制器驱动变频器和潜水泵，实现液位的控制，确保整个污水处理流程正常顺畅的运行。

4 总结

随着人们对环保的重视越来越高，当前对污水的处理应用需求也越来越大。无论是工业废水的排污处理，还是对城市污水的排污处理，每天需要处理的污水量极其庞大，设计基于PLC控制器的污水控制系统能够大幅度提高污水处理的效率和自动化程度，有助于推动人们对污水处理工作的重视。

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The design of sewage treatment system based on PLC

In view of the typical technological process of sewage treatment, sewage treatment system based on PLC is designed. Key page control technique of sewage treatment system carried on the thorough research and design, through the analysis of design of the liquid level control of sewage treatment model, the sewage treatment process abstraction for the implementation of sewage treatment model. Studied the structure and control principle of PLC controller, finally designed a sewage treatment system based on PLC controller, gives the system structure and the details of the automatic control process.

Sewage treatment; liquid level; Model; PLC; automatic control

TP273

A

1008-1151(2015)03-0059-03

2015-02-13

2014年广西教育厅科研项目“基于plc的模糊液位控制器设计”（LX2014531）；2013年广西教育厅科研项目“基于嵌入式的机械臂控制系统设计”（2013YB353）。

陆大同（1969－），男，百色职业学院副教授，从事机电一体化专业教学及研究，研究方向为电工电子技术、PLC技术、电气自动化；欧艳华（1973－），女，柳州职业技术学院讲师，硕士，研究方向为机械制造及自动化。