基于可编程控制器的污水自动控制系统设计

赵敏鹏，常文利

（宝鸡职业技术学院陕西宝鸡721000）

水污染是目前我国社会面临最为严重的环境问题，水污染不仅危害了我国人民的身体健康，还阻碍了我国社会经济的发展，严重影响了生态平衡，还会导致发生水荒。创建城市污水处理设备是我国现代化城市健康发展的需求，并且也是保护水资源的重要途径。城市水污染中主要包括工业污染，但是工业污染水的成分又较为复杂，并且具有大量的有害物质，处理起来较为困难，工业污水的这种特点阻碍了企业及社会的发展。为了能够在恶劣的环境中对污水进行处理，对控制系统具有较高的要求。在计算机控制技术不断发展的过程中，能够有效实现污水处理的自动控制及管理。基于此，本文就针对某工厂的污水处理系统，设计基于可编程控制器的污水自动控制系统。

1 整体设计

1.1 设计原则

在进行污水自动控制系统设计的过程中，要遵守以下原则：

1）成熟性。在选择设备的过程中，第一选择就是先进、成熟及可靠的设备，并且还能够便于维修。

2）先进性。在配置设备及设计方案的过程中，要针对现在及未来技术的发展需求，能够保持性能和价格两者的平衡，不仅能够满足高效及安全的生产，还要保证设备在未来几年的先进性[1]。

3）规范化。在设计方案、图纸、软件及调试系统的过程中，要以行业规范为基础，便于系统的管理、维护及升级。

4）可扩展性。为系统预留能够扩展的接口，从而满足未来的发展需求[2]。

1.2 总体设计

1.2.1 污水处理工艺的流程

污水处理的整个过程不仅复杂，而且还消耗时间。本文中的污水处理一般使用的是PH值调节及SBR方法，根据进水——中和——曝气——沉淀——排水的步骤实现生化反应，污水从流入到排水结束为一个周期[3]，工艺流程如图1所示。

污水实现生化反应之后，自身的进水水质要满足国家环保需求，表1为污水处理进水及出水的水质指标。

图1 污水处理工艺的流程

表1 污水水质指标

1.2.2 污水自动控制系统的总体方案

污水自动控制系统主要包括中央控制室、污泥处理房及风机房组成，中央控制室中包括中央可编程控制器（PLC）及具有WINCC组态软件的上位机、电气控制柜，风机房中具有远程输入/输出控制站及风机电气柜。污泥处理房具有远程输入/输出控制站及污泥机电气控制柜[4]。图2为污水自动控制系统的通信网络，通过图2可以看出来，系统主要包括以太网及现场总线混合结构，现场层通信使用主/从协议构成，传输介质为屏蔽双绞线，不同子网及介质之间能够通过耦合器进行连接。过程监控层通过以太网协议实现，使用可编程控制器实现通信协议转换，可编程控制器其中的一个网卡为自带网卡，一个网卡为太网卡。所以可编程控制器是现场总线中的站，并且还是以太网中的站点，操作人员的计算机及工程师的计算机并不是现场总线的站点，只是以太网节点，其中的站点能够互相转换，现场的信息也能够通过以太网进行读取，控制现场参数能够通过以太网传送到主站控制器的寄存器中，之后通过主/从协议将参数发送到现场总线的其他站点中[5]。

图2 污水自动控制系统的通信网络

中央控制室主要包括工程师站及操作站和打印机，过程PLC控制系统使用西门子产品，选择PLC的CPU，自身集成PROFIBUS-DP总线端口，使用此端口能够和风机房中的ET-200进行远程通信。在PIL中设置工业以太网卡，并诶配置以太网交换机OSM，以此能够和WINCC操作站及具有PI的监视计算机进行通信。工程师站使用工控机、西门子以太网卡及WINC中文组态软件，从而提供控制系统的平台组态开发，能够显示系统的控制结果。通过TCP/IP协议能够实现上位机和下位机的通信，以此实现污水自动控制系统的管理和控制一体化[6]。

2 污水自动控制系统的控制站设计

2.1 中心控制站

中心控制站中主要包括两台工业计算机工作站，两者能够互相备用，包括主操作站及备用操作站。主操作站中具有PLC编程软件，能够实现远程编程，通过网络将程序下载到指定的现场控制站中，从而在调试过程中随时对程序进行修改。中央控制站能够实现分布控制系统的组态管理、实时数据检测、系统检测，并且还能够将PLC站的状态进行控制，从而实现报警及报表的打印，之后通过计算机在管理层将结果及效益发送到相关部门中[7]。

中央控制站中的数据处理为系统在生产流程中收集数据，将数据转变为相关形式，数据也能够在生产工艺流程中写入。生产时候的PLC控制主站和中央控制系统不需要添加专门的硬件接口，可以通过监控软件替代。通过数据库系统将监控的工艺流程及数据处理作为高层管理功能的集成，组合成为开放式的系统，便于对生产周期中操作的组合批量作业，以此实现自动化的监控[8]。

2.2 系统硬件的设计

PLC污水自动控制系统的硬件设计要实现设备的选型、I/O参数的分配及外围控制电路的设计。

2.2.1 系统硬件的设计方案

根据上述污水处理的流程，系统使用自顶向下的设计方式，如图3所示。

图3 系统硬件的设计方案

2.2.2 设备的选型

PLC产品的数量较多，并且功能也越来越完善，这么多的种类具有不同的结构、性能、容量、指令系统及价格，并且不同应用场合为PLC的设备选型有所影响，如果没有完全掌握PLC的技术指标及系统性能，就会导致设备浪费，提高生本，并且影响系统的稳定性能，提高事故率[9]。那么，在选择PLC的时候，要遵守这几方面原则：其一，选择模块式PLC；其二，选择同一型号；其三，以输入及输出点作为基础选择；其四，以存储器容量为基础进行选择；其五，以通信的需求为基础进行选择。

2.2.3 I/O参数的分配

系统设计要根据不同模式的参数设置实现，使用兼容串行结构，通过相关的协议对生产现场的电气器件开关量信号进行采集，并且还能够手机传感器的水位及水压信号，通过系统进行计算和判断，之后对执行部件进行控制。如果超过预定设置的值，系统就会自动报警[10]。

2.3 控制电路的设计

系统的控制核心使用FX1-32MR，图4为泵站自动控制外部端自接线图。

图4 泵站自动控制外部端自接线图

通过图4可以看出来泵站的控制工作流程，以此还可以得出一个结论：污水自动控制系统中的控制对象主要包括设备执行元件，简单来说就是工序中的电机。电机在自身工序中工作的时候，都有自身的工作及工况状态，但是控制的方式确实不同的，所以，为了能够方便系统的处理，将工艺流程中的电机特点进行抽象化，在硬件系统中设计统一外围硬件带女路，将其封装为通用电机启动功能模块，以此满足系统的工序电机控制需求[11]。

2.4 系统的软件设计

系统设计最有效且最基本的方法为模块化程序设计，根据系统功能及独立原则，将系统应用程序作为不同个独立的单入口及出口的功能模块进行编制，图5为系统的软件设计模块：

图5 系统的软件设计模块

为了便于用户简单方面的使用PLC控制系统，人机界面使用图形界面及触摸操作面板进行设计，用户能够通过屏幕中的按钮及图像进行操作，系统控制自动实现人机交互。为了保证操作的安全性，在动作之前要通过用户确认，并且允许用户取消操作，警告信息设置了声音及光报警[12]。

泵站的自动控制主要包括工频自动运行及变频自动运行的程序设计，泵站程序变频自动运行设计框图如图6所示。

图6 泵站程序变频自动运行设计框图

图6的运行过程为：在接通X0信号的时候，水泵开始运行；在接通X2信号的时候，水泵进入变频自动云心模式；在接通X3信号的时候，水泵进入工频自动运行模式。在蓄水池中的水位达到了设置的底线水位的时候，接通X4，Y0信号开始输出，水泵的变频运行通过PID进行控制[13]。

泵站程序工频自动运行的模式框图如图7所示。

图7的运行过程为：启动水泵的时候接通X6，如果蓄水池在低限液位，X4接通，并且控制水泵进入到工频自动运行模式。如果在水泵运行过程中变频器发生故障信号的时候，X10得到故障信号，并且改变Y0的信号输出，控制接触器失电，水泵停机，输出端的信号驱动也实现了信号报警[14]。

图7 泵站程序工频自动运行的模式框图

3 系统的实现和应用

在完成污水自动控制系统的设计之后进行系统的测试，系统测试结果为联调成功，之后在某污水处理厂进行了系统的安装。污水处理厂的测试条件完善，操作人员确认设备的运行正常。系统的测试使用先部分，后整体的方法，使用电位器设置压力、操作面板中的压力测试，之后接入压力变送器，系统运行正常。污水处理厂的操作人员独立实现操作，系统能够根据预定的流程实现启动及暂停，控制条件和功能满足工艺的需求。系统在运行一个月之后，测试了各种运行状态，系统功能完善，并且运行稳定可靠。

某污水处理厂实施自动控制系统运行之后，用户表示系统工作稳定且可靠，水处理的质量具有明显的提高，系统的控制功能良好，人工操作失误导致的溢水、缺水等事故降低。综合分析，本文中所设计的自动控制系统的安装简单、操作方便、运行可靠稳定，无污染，能够在污水处理厂中使用[15]。

4 结束语

在人们生活水平不断提高的过程中，人们对生活环境的质量需求也在不断的提高，社会及经济的不断发展为环境带来了较大的压力，环境保护问题也越来越突出，尤其是在人类生存中不可缺少的水资源。由于我国目前的水资源不够丰富，并且每年的污水直接排放量较大，导致水资源环境不断的恶化，使水资源不断恶化。所以，本文对无水自动控制系统[16-17]研究具有重要的现实意义。

参考文献：

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