基于PLC的污水处理系统研究

王 华，吕小纳，张凤莉，代战胜

(1.商丘职业技术学院,河南 商丘 476100; 2.郑州成功财经学院,河南 郑州 451200)

引言

随着我国经济的快速发展，特别是制造业的高速发展，工业用水量急剧增加，随之工业污水也大量的产生.随着人们生活水平的日益提高，人均生活废水的产生也越来越多[1]1-10.我国的水资源总量虽然不算匮乏，但人均的淡水量比较少，还达不到全世界人均淡水量的1/4.国内淡水的分布很不均匀，进一步加剧了缺水区的用水负担，特别是缺水地区的工业制造业，其淡水资源的匮乏往往限制了相关产业的进一步发展[2]1-24.除上述因素之外，在水资源的使用上，节约意识并不是很强，浪费也比较严重，水资源的匮乏已经成为制约我国经济发展的一个重要因素.特别是极端缺水的地区，水资源问题甚至成为阻碍城市发展的最重要因素.

为了提高水资源的利用率，应加强节约用水的观念，同时增强污水的处理能力，使处理后的污水能达到相关的用水标准，也可以降低对淡水的依赖.随着我国制造业高度发达，不同行业不同环境下产生的污水，其污染物的成分都不尽相同，其污染度的高低也有很大差别，因此，污水处理的方式方法难以做到一致[3]6-10.往往不同行业、不同厂矿都有不同的污水处理方案，只有这样才能有的放矢地降低污染物的含量.随着水资源标准的划分越来越细化，对污水处理的工艺要求越来越高.

污水处理的步骤比较多，工序比较繁琐，在人工处理过程中其效果往往难以达到最佳.所以，污水处理过程的自动化控制越来越得到重视.通过自动化的控制，特别是加入优化的控制算法，往往能使污水处理的效果优于人工处理的结果.PLC控制器是工业控制领域中经典的控制系统，在污水处理系统中使用PLC控制器可以简化控制系统的复杂度.通过PLC的可编程技术，能够使污水处理过程得到最优控制.

1 污水处理基本原理

1.1 污水分类

污水一般分为3类，即工业生产相关污水、日常生活相关污水和混合类型污水.工业生产相关的污水和工业生产及产品类型有着直接关系，各个生产企业产生污水的有害物质比较固定，在排入城市污水管网时都要做预处理，预处理的目的比较明确，处理的方法比较固定.日常生活相关污水主要来自居民生活产生的污水以及不同单位、餐饮、娱乐等场所产生的污水.污水的污染度比较低，但是污染物的种类比较繁多.混合类型污水主要是由降水冲刷地面以及建筑物外表面所形成的，这种污水的污染度和污染物种类相比于上一种污水要更复杂.

1.2 污水水质指标

污水的水质指标一般也从3个方面来考虑，分别是物理指标、化学指标和微生物指标.物理指标主要是物理方面的特征，例如，污水的温度，污染物的浓度，污染物的颗粒度大小以及污染物的气味等.通过物理指标可以直观地对污水进行一定的了解.化学指标主要是从污染物的化学成分来衡量，工业污水根据厂矿所处的行业，分为无机物和有机物.生活污水主要是指有机物.无机物污染物主要从pH酸碱度、非金属类的氯硫磷以及金属类污染物来进行分析.有机物由于其种类特别多，所有有机污染物又从碳水化合物、脂肪和蛋白质角度来分析.由于污水中大量有机物的存在，为相关微生物提供了良好的生存环境.微生物指标中主要分析病毒、细菌和对人有毒害的微生物.

1.3 污水处理方法

根据污水水质指标，污水处理的方法主要从物理、化学和微生物方面来处理.物理处理方法主要通过沉淀、过滤等相关物理方法将污水中的颗粒较大且不溶于水的污染物预先处理.化学处理方法主要是通过化学反应方法，根据污水中的化学成分，使用相关的化学物质去平衡中和污染物，并将有机物变为更稳定的无机物.微生物处理方法是污水处理方法中最重要的部分.其基本方法是通过微生物的降解作用，将化学处理方法中难以降解的无机物，降解为稳定的无机物.对于有害的微生物，根据其喜氧与厌氧的特性，对其进一步处理.

1.4 污水处理分级

一般的污水处理分为3级，第一级处理主要使用物理的处理方法，通过过滤、沉淀将污水中的悬浮颗粒以及悬浮物去除掉，为后续的处理阶段降低压力.一级的处理流程如图1所示.

图1 一级处理流程

污水二级处理主要使用化学和生物的处理方法，主要处理污水中的溶解性污染物.通过离子交换以及渗透膜等方法大幅度降低污水中的有机物含量.在二级处理之后基本上能够达到污水排放标准.二级处理流程如图2所示.

图2 二级处理流程

三级处理的要求很高，主要目的是净化水质并消毒杀菌等.三级处理后的水就可以回收利用.由于三级处理的成本很高，所以很多污水处理厂并没有使用三级处理.

2 基于PLC控制系统设计

污水处理的复杂性决定了控制系统的复杂性.在诸多控制对象中既有模拟量又有0/1型的开关量，在控制的时序上既有实时控制又有顺序控制等.在系统运行期间有很多开关量需要检测，而实际的污水处理设备的各个部分在空间上相距比较远，增加了检测和控制的难度.

2.1 系统方案设计

污水处理控制系统属于典型的工业控制范畴.采用PC计算机加PLC控制器的结构.PC计算机以其强大的运算、存储和控制能力，承担着整个系统的控制、存储和人机交互工作.PC计算机通过通信网络可以方便地控制PLC，并从PLC中获得反馈状态及数据，根据反馈的状态值和数据完成相应的控制及存储.PLC通过输入输出接口控制潜水泵、步进电机等相关受控设备.传感器网络通过输入输出接口将测量的过程量反馈给PLC控制器，并进一步传送到PC计算机，便可以得知当前的状态，为下一步的操作提供依据.整个系统通过人机交互获得控制模式，根据传感器网络获得实时的检测数据，通过检测数据的动态对控制过程进行调整，使控制的结果趋于最优化.控制系统的结构图如图3所示[4]59-61.

图3 污水处理控制系统结构

国内的污水处理行业所选用的PLC种类很多，常用的有施耐德PLC、三菱PLC以及西门子PLC.各公司的PLC都有自身的控制优点，在污水处理方面均能满足基本要求.在大型程序的编写，使用的灵活性，程序及数据下载的方便性能满足日常需要.本系统从现场的实际情况和性价比的角度上选用西门子的S7-300型PLC.该款PLC属于中小模型PLC，在污水处理上能够满足数据采集和开关控制.S7-300内部模块有数字量、模拟量、信号、电源和通信模块等，这不仅能满足控制需要也方便安装固定.

S7-300包含的指令集丰富，程序运行时处理的速度较快，编程较为灵活，控制结构层次分明.西门子公司的PLC编程环境功能强大，编程界面直观，简单易学，编程语言可以使用编程语句、功能图块以及梯形图，编程灵活自由.S7-300的主要功能有：通信地址配置、参数设置、硬件配置、程序存储、网络模型和软件编程.由于其完善的平台、较高的性价比，选用S7-300作为控制器，能够满足工业控制大多数情况.

2.2 液位控制

污水处理的控制过程有很多，其中关键的一个是沉淀池的液位控制.沉淀池的液位高低，决定了沉淀池中污水量的多少，污水量的多少决定药剂投放量的多少、处理时间的长短等，因此，液位控制是一个关键的指标.液位控制是控制领域中的一个经典控制，相关的控制算法非常多.由于污水属于不可压缩流体，无论哪种控制算法，要想保证液位的恒定，只需要保证流入与流出的体积相同即可.无论是流入还是流出，一般是通过潜水泵和阀门来控制，设进口潜水泵的功率为pi，进口阀门开度为θi，则进口流入的体积为Vi=λipiθi，其中λi为固定常数，由系统决定.同理，出口潜水泵功率为po，出口阀门开度为θo，出口流出的体积为Vo=λopoθo.如果要保证液位恒定即Vi=Vo，λipiθi=λopoθo.可以通过调整潜水泵的功率或者阀门的开度保证液位的恒定.同理，要想实现液位的上升或者下降，只需要调整潜水泵的功率或者阀门的开度就可实现.

2.3 通信设计

为了保证PC计算机与PLC控制器之间数据畅通，本系统选用现场总线PROFIBUS.现场总线有多种，常用的有PROFIBUS总线、RS485总线、CAN总线等.每种总线不仅包含线序还有相关的通信协议.每种总线均有自身的优缺点，本系统中兼顾可靠与成本考虑，选用PROFIBUS总线.PROFIBUS总线以欧洲标准和德国标准为主，现已获得多家公司的支持.同时，PROFIBUS总线的开放性，可以和满足协议要求的标准件相连接，现如今全世界有很多公司都能生产PROFIBUS总线的接口设备.由于PLC控制器选用的是西门子的S7-300，所以现场总线也选用西门子的PROFIBUS-DP总线.

2.4 总体流程

根据不同污水处理场合的要求，系统控制过程分为手动和自动控制两种.在手动模式下，每个PLC控制器和相关设备可以单独控制，在自动控制异常，或者难以跟踪到最优运行结果时，使用手动控制.在自动控制下，通过控制模式的设置，和各个参数的阈值设置，系统会根据设置自动控制[5]20-21.

3 结语

随着国家对环保的重视度越来越高，污水处理的社会需求也越来越大.对城市的生活污水、工业生产的废水等都需要进行相应的处理.通过PC计算机和PLC控制器实现污水处理的自动化监控，有着非常重要的现实意义.本系统使用先进的现场总线技术，实现了各个部分的可靠通信，解决了空间较远难以集中管理的问题，具有较高的实用性[6]7-15.