PLC 技术在生活污水处理及回用系统中的应用

吴琼华

（山东理工职业学院 山东省济宁市 272067）

为进一步提升水资源利用率，生活污水处理及回用系统受到重点关注以及广泛利用，而在该系统内，包含着大量的电气设备，其运行质量直接关系着整个系统的运行稳定性。此时，需要更新系统控制技术与设计方案，促使系统运行管理转入自动化与智能化，确保系统性能得到最大程度的发挥。

1 生活污水处理及回用系统的总体控制方案规划

对于基于PLC 技术的生活污水处理及回用控制系统而言，其主要可以细化为电气设备控制以及监控系统这两部分。其中，温度检测单元、PH 值检测单元、液位检测与调节单元、含氧量检测与调节单元等包含在电气设备控制范围内。在系统实际运行过程中，如果检测到HP 值超出或是低于设定值，则控制子系统自动开启调节阀（加酸调节阀或是加碱调节阀），完成对PH 值的调节；如果检测到液位值超出或是低于设定值，则迅速发出警报并自动控制处理；如果检测到含氧量参数未存在于设定值范围内，则自动控制变频器调控风机电流频率，从而达到调节含氧量的效果。同时，针对所有传感器均设置控制回路，保证可以及时、全面、准确获取生活污水处理及回用系统及相关设备的现实运行状态以及运行参数。

2 基于PLC技术的生活污水处理及回用控制系统的硬件设计

2.1 PLC单元模块的设计

PLC 主要承担着控制生活污水处理及回用系统运行的任务，在相应系统内的控制子系统中发挥着重要作用。在本次生活污水处理及回用系统中的控制子系统设计中，主要选取西门子S7-300 系列的PLC 作为PLC 单元模块的主要结构，包含着通信单元、输入输出单元、CPU 单元、电源单元、机架单元等等，有着较为理想的运算水平，且具备良好的抗干扰能力，稳定运行的时间可维持在较长状态下，能够切实满足生活污水处理及回用系统运行控制过程中对于数据处理的现实需要。本系统的PLC 控制硬件组态网络视图如图1所示。

图1：PLC 控制系统硬件组态网络视图

在PLC 主站模块中，可以细化为电源模块以及CPU 模块这两部分，本次系统设计中，主要设定电源模块的型号为PS307 10A，CPU 模块的型号为CPU315-2PN/DP。其中，在确定CPU 模块的型号过程中，着重考量性能水平以及接口，促使上位机与PLC 之间可以使用PROFINET 网络完成通信以及数据信息传递，并保证相应CPU 具备PN 接口；促使PLC 主站与从站之间可以使用PROFIBUS-DP 网络完成通信以及数据信息传递，并保证相应CPU 具备DN 接口。

同时，为了更好实现对污水处理环节中各个设备运行信号的全面采集与控制，加设了多个I/O 站，并在粗格栅手电动方闸门、进厂水COD 分析仪、进厂水氨氮分析仪、进厂水管电磁流量计等位置配置I/O 点，促使对污水处理设备运行数据的实时性监控成为现实。

2.2 上位机单元模块的设计

对于上位机单元模块来说，其在本系统实际运行过程中主要承担着监控系统运行的任务，并对运行中产生的数据信息落实整合保存。实践中，着重围绕抗干扰能力强弱以及运行稳定性水平做出对上位机的合理选型。在本次系统设计中，上位机选型主要如下：

（1）将本污水处理系统的监视主机设定为西门子工控机IPC227EPN/IE。对于该型号的工控机而言，由于其具备密封性良好的防尘金属外壳，所以即便在环境相对恶劣的条件下，也能够实现稳定性运行。同时，该工控机拥有PROFINET/工业以太网接口两个，且支持RT，拥有多个USB，可以满足本系统中控制子系统的现实运行需要。

（2）引入型号为AOC C27B1H 的液晶显示器，为人机交互提供更好界面支持。对于该型号的液晶显示器来说，其屏幕比例为16:9，且具备高分辨率，所以能够为相关工作人员提供更为清晰的画面，整体视觉呈现效果符合人眼视觉特性，促使相关工作人员可以更为舒适的获取所需数据信息。

2.3 变频器单元模块的设计

在本生活污水处理及回用系统中的控制子系统中，风机的变频调速主要由变频器完成控制，为切实满足工业应用场景下大功率变频的需要，引入了西门子SINAMICS G120 系列变频器，其电压范围在380 伏至480 伏之间，轻功率过载为160 千瓦，重功率过载为132 千瓦。对于该型号的变频器来说，主要在PROFIBUS 现场总线的支持下实现与本地控制器之间的通信。在变频器的控制单元，引入具备两个DP接口的CU240E-2DP，切实满足变频器的接线与通信需要。

选取的风机单台供风量在每小时4500 立方米，风压参数为68.8 千帕，依托下式计算风机功率：

在该公式中，风量使用Q 表示；风压使用P 表示；η 代表着风机效率，其中η1 取值为0.719，2 取值为0.95。由此可以得出风机功率为125.5 千瓦。

2.4 仪表单元模块的设计

为实现对污水处理设备运行数据的全面采集，在进行基于PLC 技术的生活污水处理及回用控制系统的设计与构建过程中，主要引入了如下仪表设备：

（1）PH 传感器，实时监控污水处理过程中的PH 值及其变化情况，促使其始终维持在中性状态下，为微生物的繁殖与生长营造更为理想的环境条件。选取PH 传感器的型号为PS-750，将工作温度维持在零上60℃以内。

（2）超声波液位传感器，对液体水位信息进行实时监控与获取。选取超声波液位传感器的型号为RW-UTG 一体式超声波液位计，其量程稳定在0-20 米之间。

（3）电磁流量传感器，对液体流量数据进行实时监控与获取。选取电磁流量传感器型号为LJDN200 一体化电磁流量传感器，其量程维持在每小时34-680 立方米之间。

（4）温度传感器，对温度数据进行实时监控与获取。选取温度传感器型号为PT100 铂电阻，其量程维持在-20℃至105℃的范围内。

（5）溶解氧传感器，对污水中的溶解氧浓度数据进行实时监控与获取。选取溶解氧传感器型号为ASY3851，其量程为每升0-20 毫克。

（6）悬浮物浓度传感器，对污水中的悬浮物浓度数据进行实时监控与获取。选取悬浮物浓度传感器型号为WBXY-010，其量程为0-400NTY。

（7）COD 传感器，对污水中的化学需氧量数据进行实时监控与获取。选取COD 传感器型号为TA-C254，其量程为每升0-400 毫克。

2.5 电路设计

（1）供电电路（图2），设定三相380 伏、50 赫兹交流电为进线电源，在通过隔离开关的条件下，依托断路开关将电源分配至各个回路中，以此实现电力供应，PLC 供电电路如图3 所示。

图2：电源供电电路图

图3：PLC 供电电源

（2）变频器风机控制电路。当选用自动控制模式时，依托DP 通信，PLC 实现对中间继电器闭合与断开的控制，促使电路转入导通状态或是关断状态，最终达到管控、调整变频器以及风机转速参数的效果。当选用手动控制模式时，按下启动按钮后电源与电机实现接通，中间继电器自锁，驱动电路转入导通状态。

（3）温度检测回路，利用三线接法完成对温度变送器与PT100 温度传感器的连接，以此避免产生偏高的测量误差。

（4）流量检测回路，在一体化电磁流量计的支持下，电流信号能够传输至阻隔器，并转入模拟量输入模块中，对单日污水处理量进行计算。

（5）液位检测控制回路，传感器完成各个阶段的液位数据获取后，将相应转入模拟量输入模拟模块，并利用PLC控制泵的运行，从而达到自动调整液位的效果。

（6）PH 检测控制回路，主要选用闭环控制，传感器在获取到PH 数据后将相应信号传递至变送器，从而转入模拟量输入模块中，结合PLC 以及模拟量输出模块自动调整、控制PH 值。

（7）SBR 生化池溶解氧检测回路，主要选用模糊自适应PID 控制模式，传感器在获取到溶解氧参数后将相应信号传递至变送器，从而转入模拟量输入模块中，结合PLC 以及变频器调节风机，从而实现对溶解氧浓度的控制。

3 基于PLC技术的生活污水处理及回用控制系统的软件设计

3.1 PLC控制系统中各个流程的控制方案设计

粗格栅控制流程主要如下：粗格栅机转入启动状态，读取格栅机两侧液位差；判断液位差是否大于PLC中的设定值，如大于设定值则启动除污机，并返回读取格栅机两侧液位差步骤；如小于设定值则停止除污机，进一步判断格栅机运行是否到时，如确定格栅机运行时间到，则停止格栅机；如确定格栅机运行时间未到，则自动返回读取格栅机两侧液位差步骤。

细格栅控制流程主要如下：细格栅机转入启动状态，读取格栅机两侧液位差；判断液位差是否大于PLC中的设定值，如大于设定值则启动除污机以及输送机，并返回读取格栅机两侧液位差步骤；如小于设定值则停止除污机以及输送机，进一步判断格栅机运行是否到时，如确定格栅机运行时间到，则停止格栅机；如确定格栅机运行时间未到，则自动返回读取格栅机两侧液位差步骤。

SBR 生化池处理流程主要如下：启动进水泵，判断进水是否满1 小时，如未满则继续开启进水泵进水；如满足1 小时，则停止进水泵，控制风机转入开启状态；判断曝气是否满2.5 小时，如未满则继续开启风机曝气；如满足2.5 小时，控制风机转入关闭状态；判断沉淀是否满1 小时，如未满则继续沉淀；如满足1 小时，则将滗水器转入开启状态；判断滗水是否满1 小时，如如未满则继续开启滗水器滗水；如满足1 小时，则停止滗水器，并控制污泥泵转入开启状态；判断排污是否满0.5 小时，如未满则继续开启污泥泵排泥；如满足0.5 小时，则关闭污泥泵。

污泥脱水处理流程主要如下：空气压缩机转入启动状态，定时开始，判断是否达到延时，如未到延时则返回上一步骤；如达到延时则将皮带输送机转入启动状态；启动高压紧密螺杆泵，定时开始；判断是否达到延时，如未到延时则返回上一步骤；如达到延时则将PAM、FeCl3 加药泵转入启动状态，定时开始；判断是否达到延时，如未到延时则返回上一步骤；如达到延时则加工脱水机隔膜压榨泵转入启动状态。

3.2 上位机监控画面的设计

结合前文的分析能够了解到，在本次系统设计中，主要将西门子工控机设定为系统的上位机。同时，在WinCC 组态软件的支持下，完成对系统监控画面的制作，并在上位机监控系统单元的作用下，促使相关工作人员能够及时、全面、清晰的获取设备运行数据、掌握现场设备运行情况，从而保证在发生故障与异常问题时可以第一时间反应、控制与处理。基于PLC 技术的生活污水处理及回用控制系统中，设计的上位机监控画面主要如下：

（1）登录界面（图4）。相关工作人员使用个人账号在该界面内登录系统，登录成功后才能够利用该系统监控各个设备的运行状态。

图4：登录界面

（2）提升泵控制界面（图5）。相关人员可以在该界面内迅速了解液位数据以及提升泵的运行信息。

图5：提升泵控制界面

（3）SBR 反应池监控界面（图6）。相关人员可以在该界面内实时监控SBR 反应池内所有设备的运行情况，获取各个设备的实际运行参数。

图6：SBR 反应池监控界面

（4）报警界面（图7）。一旦检测到系统与设备故障，则能够及时弹出报警界面并发出警报，同时记录故障与异常信息。

图7：报警界面

4 总结

综上所述，选取西门子S7-300 系列的PLC 作为PLC 单元模块的主要结构，并引入西门子工控机、AOC C27B1H 的液晶显示器、西门子SINAMICS G120 系列变频器、PH 传感器、超声波液位传感器、电磁流量传感器、温度传感器、悬浮物浓度传感器、COD 传感器等硬件单元，结合PLC 控制系统控制流程以及上位机监控画面的优化设计，完成了基于PLC 技术的生活污水处理及回用系统的设计与构建，实现了生活污水处理及回用系统控制的自动化以及性能升级。