基于PLC的电气自动化控制水处理系统研究

周友志

摘 要：现阶段，国内经济社会快速发展的同时，也带来了较为严重的水污染问题，不利于经济社会的可持续发展，因此，水处理问题已引发高度关注。本文对水处理中PLC技术的应用做了全面的系统化分析，基于PLC技术对电气自动化控制水处理系统进行了硬件及软件设计，结合实际应用案例做了比较分析。

关键词：PLC；自动化；控制；水处理

中图分类号：TP273 文献标志码：A

0 引言

目前，经济社会的快速发展带来了较为严重的水污染问题，伴随生态环境的恶化，目前水污染问题也得到广泛重视，并充分利用快速发展的科学技术实现水污染问题的治理。在水处理问题中，PLC技术的应用使得其电气自动化水平有了整体提升，实践表明，水处理效率得到极大改善，且有效地控制了能源消耗问题。随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，水处理方式将朝着更加高效节能、高度自动化和无人值守的方向发展。目前，PLC在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使PLC成为在城市污水处理自动化方面的首选。

1 PLC在水处理中的功能

由PLC、在线监测仪表等组成的污水处理厂综合自动化系统，是污水工艺处理顺利达到预期效果的重要手段。其实现的主要功能有3个方面：其一是保证工艺处理生产过程的高效，减轻劳动强度，改善操作环境；其二是实现工艺处理优化运行和生产智能化调度；其三是实现污水厂信息化管理，达到节能降耗、经济运行的目的。

2 污水处理工艺流程

该污水处理厂设计日均处理污水10万吨，采用MBR处理工艺，去除COD、BOD5、SS等污染指标的同时，同步去除氮磷，使出水中的TN、NH3-N达到再生水出水水质的要求。处理后出水再经过臭氧接触氧化等深度处理工艺，使有机物、嗅味、色度等污染指标得到进一步去除。工艺流程简图如图1所示。

MBR处理工艺具有占地面积小、处理效果好、污泥性质稳定。克服了传统工艺中出水水质不够稳定、污泥容易膨胀等不足，同时该污水处理系统出水水质满足《再生水回用于景观水体的水质标准》，达到再生水水质要求。

3 基于PLC的电气自动化控制水处理系统设计

3.1 控制系统概述

污水处理厂自动化控制包含远程输入输出单元（RI/O）、PLC控制站（LCS）、中央监控站（CCS）、数据服务器（SEV）以及工厂计算机管理系统（CMS），通过现场高速数据网及1000M光纤工业以太环网组成全厂自控系统，完成对工艺过程的数据采集、监控及管理。主要设备控制方式采用就地控制、远程手动控制、远程自动控制的3层控制模式。控制级别由低到高为现场手动控制、远程手动控制、自动控制。 在正常运行状态时，全厂采用远程自动运行方式。

3.2 控制单元的划分

根据工艺流程和总平面布置，以就近采集和单元控制为划分子控制系统的原则，设有5个PLC控制站，分别为预处理控制站（粗格栅、提升泵房、细格栅、沉砂池、碳源投加间、膜格栅、进厂水水质监测），变配电站控制站（生化池、鼓风机房、变配电站等），脱水间控制站（污泥浓缩脱水间、贮泥池等），MBR控制站（膜设备间、膜池等），臭氧发生间控制站（臭氧发生间、臭氧接触池、消毒接触池、紫外消毒系统、出厂水水质监测等）。

3.3 硬件设计

PLC控制站采用西门子CPU 410 Smart控制器及ET 200 PA Smart系列IO模塊，有冗余及不冗余两种解决方案。本工程中针对重要的MBR控制站采用冗余方案，其他PLC控制站采用非冗余方案。CPU 410 Smart配备有两个独立的Profibus IO接口，标配带防护涂层（防护级别G3），集成48MB的装载储存器，CPU主频450MHz，平均处理时间110μs，最大IO寻址范围16KB输入/输出。ET 200 PA支持Profibus总线冗余，通过两个互为备份的接口模块分别连接到两个控制器下的总线中，两个接口模块可进行无缝切换。

3.4 软件设计

软件部分采用PCS7 Smart软件，包含工程组态系统和操作员系统。工程组态系统可组态基于CPU 410 Smart的控制平台，并可充分使用APL功能库、控制模板等完成项目程序的编写；操作员系统可在工程组态中通过编译自动生成基本数据，包括变量、消息及画面操作图元。污水处理软件可以显示整个污水处理厂工艺流程、设备操作、参数设定及生产现场情况，以促进生产的顺利和高效进行。除污水处理所需的控制功能外，该系统还包含了生产管理功能，如历史趋势查询，故障信息处理，生产数据管理，报表生成和打印、网络浏览功能、数据共享、远程监控等功能。

4 实际应用分析

以MBR控制站为例，其控制范围包括：膜产水系统、维护行清洗系统、恢复性清洗系统、风管反洗系统、剩余污泥系统、混合液回流系统、仪表风系统。传统控制中各MBR膜单元的产水管流量计与产水泵变频器作PID控制，恒流量产水，操作人员根据来水情况手动设置膜单元的产水量。实际上市政污水处理厂的进水量不稳定，特别是夜间波动范围大，导致班组操作人员夜间必需时刻关注来水水量，并根据来水情况手动调整各MBR膜单元的产水量，操作强度很大。本工程在各MBR膜单元的恒流量控制的基础上，加入膜池的进水渠液位控制，使膜池的进水渠液位控制在设定范围内，MBR膜单元的产水量随膜池的进水渠液位变化而自动调节。由液位PID曲线（图2）可见，设定的液位值与液位变送器的反馈值吻合度较好，能够满足实际运行需求，减轻了操作人员工作强度并防止了不合理的膜单元产水量设定。

具体控制方法为：膜池的进水渠液位设置在3.9～4.1，每隔一定时间（液位判断周期）采集一次进水渠液位计数值。在液位判断周期内，如果液位高于设定范围，产水泵则按设定的流量增加值增加产水流量，反之则减少；如果液位在设定范围内，则产水泵流量不变。当瞬时来水量变化较大时，产水增减量数值应该变大，同时液位判断周期缩短；反之当瞬时来水量变化较小时，产水增减量数值应该变小，同时液位判断周期适当延长。

结语

在水处理控制系统的应用中目前主要采用以下三大类控制模式，即手动控制、半自动化控制以及全自动化控制，其对人力的依赖程度依次递减，控制水平及精度依次提升，其中，全自动化控制借助于工业计算机控制技术实现水处理过程的信号及数据同步，可靠性较高。本文基于AS 410 PLC设计水处理控制系统，极大地提升了实际控制过程的精度以及自动化水平，大大提升了水处理效率。

参考文献

[1]史广睿，刘琳琳.电气自动化控制技术在污水处理厂曝气量控制的应用[J].黑龙江科技信息，2014 （35）：112.

[2]廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.