基于PLC的制革废水处理自控系统设计

杜锋 魏峰 方婷 刘鹏 池潇

【摘 要】本文将在当前这样的一种时代背景之下，以当前这样的一种现实状况，作为主要的切入点，以期能够设计出一种高效，经济，节能的污水处理方案，进而解决当前我国的污水，在具体的排放过程中，面临到的重大的现实困境。论文所述的污水处理系统的设计采用美国GE公司的上位机组态软件iFIX（HMI/SCADA）和法国施耐德Schneider Electric的下位机编程软件Unity pro来完成。组态人机界面采用GE公司的iFIX来完成，iFIX提供的HMI/SCADA组态，其中SCADA功能主要是实现整个系统的实施和客观的管理功能，HMI功能在整个生产设计的过程中，是能够实现可视化的管理的。设计的污水处理自控系统方案可以实现通过管理层的中央监控系统和现场层的PLC控制站，进而实现整个污水管理和系统性的处理过程中的良好的调度和优质的管理;并在精確性、方便性、通用性这几方面都能够较好的按照相关的方案和系统性的计划来予以高效的执行。

【关键词】PLC;污水处理;系统设计

1 前言

我国淡水资源日渐减少，污染现象越来越严重，重工业废水与城市生活废水的直接排放，是水体遭受污染的主要因素。目前，我国城市污水处理相对滞后，而每年排出的废水量逐渐上升，导致部分区域水资源短缺，人们日常生活的用水量无法得到保障，污水治理成为了当前首要解决问题。为了采取有效的水污染防治措施，国务院印发了《水污染防治行动计划》，提出了十条防治意见。按照此计划行动，预计2020年，我国的水环境问题将得到缓解，并取得阶段性的改善。新型科学技术、污水处理工艺是构建污水处理系统的核心，使其向全自动化时代迈进，满足污水处理需求。本文基于PLC，依据系统开发功能需求，对污水处理厂中的PLC控制系统的设计展开了研究。

2 总体方案设计

本设计中污水处理工艺流程图如图2-1所示。

本设计中根据传统活性污泥法的工作原理，主要采用了氧化还原处理工艺来完成对污水的杂质处理，整个流程是按“进水，氧化（空气氧化），出水”周期性的进行处理工艺。本设计工作原理与传统活性污泥法相同，但是又在后者的基础上对其系统的部分功能进行了相应的改进，改进的部分主要是对污泥进行氧化处理这个步骤中，设计中在曝气池处多增加了一个搅拌机和一个曝气风机，在曝气池占地小的前提下达到对一定量污水进行相同的氧化效果;并且在氧化处理前多增加了粗细格栅机的初步处理工序，主要是完成对污水中的固体杂质进行过滤[4]。

从系统的污水进入到处理后清水的排出作为整个污水处理工序的一个完整周期。基本操作运行程序：进水泵开启，污水进入，经过除沙、氧化和沉淀的一系列处理工序，处理完的清水排出，没处理完的污水经过污泥回流到进水池进行二次处理。

此流程中，各个电机的自动控制下的运行都是按一定的系统要求来实现的，本文采用了PLC技术来完成对电机自动控制方面上的技术设计。

3 污水处理系统的硬件设计

3.1 PLC介绍

PLC的核心控制元件是CPU，集网络通信、自动控制、计算机技术为一体的可编程控制器。从其本质性质上来看的话，我看不难发现，其核心的控制系统是工业机算机的作用之下，予以高效的实施和系统的完成的，整个系统，不管是从可靠性能上，还是从自身的稳定性能上，都是一种较好的状态。在本方案中采用施耐德公司的TSXP573634自动化平台（如图3-1所示），TSXP573634带有4或5个LED的显示面板。用于请求取出PCMCIA卡和存储SRAM文件的按钮。终端口（TER连接器-8针mini-DIN）用于连接FTX类型或PC兼容的终端。

3.2 PLC组态硬件

整个控制系统采用施耐德（Schneider）公司的Unity Premium PLC硬件平台和iFIX监控软件平台（如图3-2所示）。整个控制系统由现场PLC控制站和中央监控系统二级构成。

3.3 PLC模拟量输入模块

TSXAEY810模块是一种高电平8路隔离输入工业测量设备。该设备与传感器或发射器相关联，能够有效的完成系统性的检测和有效的实施控制等诸多的相关功能的完善和执行。

3.4 PLC通讯模块

通讯模块TSXETYI 10在实际的通信过程中，是通过以太网的模式，实现彼此之间的信息交流和信息互通的。它包含一个通讯通道，该通道提供两种连接类型：

1、与ETHWAY网络的连接，该网络支持使用ETHWAY配置文件传输公共字和运行X-Way，UNI_TE消息处理服务。

2、与TCP_IP网络的连接，该网络支持X-Way，UNI_TE消息处理服务。（如图3-3所示）此通讯模块还确保TCP_IP网络和X-Way网络之间X-Way、UNI_TE消息的透明路由。该模块提供两个标准接口来与网络连接：

4 污水处理系统软件设计

在本设计中主要用到的是S7-200系列的CPU226来完成系统软件方面的设计，上面主要介绍了污水处理控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，下面就要介绍的是系统的软件设计部分，根据系统设计中对整个流程中每个部分控制要求和已完成的全流程的控制电路上的设计，来进行系统的软件编程设计。在软件的设计中，所有部分的软件设计过程均是先按照系统实现的功能要求画出相对应的流程框图，再根据每个不同的部分所要实现的不同的功能要求来对其进行软件编程方面的设计，这样就提高了程序编写工作的效率[11]。

4.1 污水处理系统软件设计总体概述

根据上文中所设计系统的控制要求，整个系统的控制方式主要可以分为两种控制模式：手动控制方式下的控制模式、自动控制方式下的控制模式。在手动控制方式的控制模式下，整个系统所涉及到的每个部分的电机都可以独立被操作，单独实现其运行和停止;在自动控制方式的控制模式下，系统中所涉及到的每个部分的电机均按照系统中所要求的一定的顺序来实现其运行和停止。

4.2 污水处理各个部分软件的设计

在以上绘制的自动控制模式流程图中，主要调用了长个系统中各个被控制部分系统的程序，其中包含五个部分的系统程序：粗格栅系统程序、进水泵程序、细格栅系统程序、曝气氧化系统程序、污泥回流泵程序。由于自动控制模式下，在整个系统运行过程中，曝气氧化系统中的曝气风机和搅拌机持续运行，因此下面的程序软件设计中主要介绍对于粗细格栅系统、进水泵和污泥回流泵这三个部分的运行程序的工作过程进行详细设计解说。

4.2.1 粗细格栅系统程序

本设计中粗细格栅系统的工作过程一样，因此下面只介紹粗格栅系统工作过程。工作过程主要有以下几个方面：

（1）系统的自动控制模式开启之后，粗格栅机停止不运行，停止状态定时时间为4min。

（2）停止的定时时间4min结束后，粗格栅机开始运行，运行状态的设定时间为1min。

（3）运行的定时时间1min结束后，粗格栅机停止运行4min后，再运行1min，整个操作过程如此循环运行。

4.2.2进水泵程序

进水泵主要的功能根据进水池中的液位检测传感器反馈的实际液位对进入系统的污水量的控制，其工作过程包括以下几个方面：

（1）自动控制开启后，进水泵开始运行，并检测液面的高低。

（2）若实际液面低于最低要求液面，进水泵持续运行。

（3）若实际液面高于最高要求液面，进水泵停止运行，否则启动进水泵，如此循环运行。

4.2.3污泥回流泵程序

污泥回流泵主要功能是将未能处理的污泥回流到处理系统的起始处进行再次处理。其工作过程包括以下几个方面：

（1）自动控制开启后，污泥回流泵泵开始运行，并检测液面的高低。

（2）若实际液面高于最高要求液面，污泥回流泵持续运行。

（3）若实际液面低于最低要求液面，污泥回流泵停止运行，否则启动污泥回流泵，如此循环运行。

4.2.4 模拟/数字量间的转换

在本设计中，进水泵和污泥回流泵的在自动控制下的启停由进水池和沉淀池中的液位检测器反馈的实际液位值来确定。液位检测器反馈的是模拟量，控制两个泵运行需要数字量，这就涉及到系统中的模拟量和数字间的转换问题。模拟量的输入和输出通用的换算方法主要是A/D的转换和运算[12]。

模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算见式：Ov=[（Osh-Osl）*（Iv-Isl）/（Ish-Isl）]+Osl

结语

目前，环境问题已经成为了世界各国的想要解决的首要问题。随着我国的各个省区不断的外扩不断的城市化，生活污水的处理已经成为了省政府最为头疼的问题。近几年各个省政府投入了大量资金在各个城镇建设污水处理系统，用于居民生活污水的处理与净化。众所周知，我国的水资源严重的匮乏，世界上13个缺水的国家中，中国就在其中。如何将生活污水进行处理与净化再循环利用已成为当今社会的一大重要问题。世界中的发达国家已经很有效的完成了生活污水的处理，例如美国平均每1万人就拥有一座生活污水处理厂，而中国平均每150万人才拥有一座生活污水处理厂。因此，我国想要改善环境质量与人民的生活环境就必须加大我国生活污水处理的效率与力度。而PLC以其适用范围广、安装便捷、性价比高、方便可靠等许多优点，在当今的工业中已经得到了越来越多的应用。成为了许多工厂的首要选择。由此，研究一个基于PLC的生活污水处理系统的设计，将会使生活污水处理起来更为方便便捷，具有很深的意义。

污水处理系统的设计采用美国GE公司的上位机组态软件iFIX（HMI/SCADA）和法国施耐德Schneider Electric的下位机编程软件Unity pro来完成。控制系统采用施耐德（Schneider）公司的Unity Premium PLC硬件平台和iFIX监控软件平台。

参考文献：

[1]辛亭，白东坡，宋晓兰. 基于PLC的污水处理控制系统[J]. 中国科技信息，2011，08：37-38.

[2]丁鑫，王乐清. 生活污水处理的PLC控制系统设计[J]. 工业控制计算机，2011，05：89-90.

（作者单位：中华人民共和国石家庄海关）