基于PLC的污水处理计算机控制系统设计及应用

刘文辉

（内蒙古通辽市扎鲁特旗鲁北污水处理站 内蒙古 通辽 029100）

0 引言

随着工业化和城镇化的发展，环境污染问题引起了业界关注，污水处理、污水控制、水环境保护已经刻不容缓。1949年以后我国兴建了不少的大规模污水综合处理厂，主要采用了传统的活性污泥方法，由于受到我国当时的工艺技术水平、装置条件和管理水平的限制，其普遍面临着脱氮除磷能力相对较低，污水处理系统运行稳定性相对较差等技术上的难题。因此，旧厂的改造、新厂房的新生产技术发展和应用势在必行[1]。

近几年，在政府的关注支持下，我国在污水处理设备、软件程序编程、硬件的选取上有了一定进步，但是相比于国外，我国的污水处理控制系统还有许多不足，需要进一步完善[2]。

1 基于PLC控制污水处理计算机控制系统总体设计

常见的污水处理系统工艺流程主要分为以下几个环节：首先是对污水的粗处理，将大漂浮物之类的污水垃圾利用格栅分离开，污水再进入下一个处理环节。其次是除砂环节，将污水中的浑浊颗粒物沙子等杂质进行过滤，将过滤后获得较为清澈的污水再进行第三个环节处理，该环节是属于氧化杀菌环节，完成上述环节后基本获得了可再次利用的干净水，但是还要经过一个沉淀环节，将未处理干净的杂质进行沉淀，在沉淀环节中实现最终的泥沙和清水的分离[3]。

工业废水处理系统主要是用来完成城市废水的净化，对城市排放的废水进行系统处理后，其出水水质达到国家标准[4]。长时间以来，工业废水处理技术发展很快，但依然达不到城市发展的需求。工业废水处理率低和产能利用率低对城市发展产生重大影响[5]。要实现工业废水处理技术的简单、高效、低功耗，并实现自动控制过程，所以使用PLC作为主控制器。

1.1 信号输入

首先是数字量输入信号。数字量信号输入只有两种状态，在程序中以“1”和“0”表现出来。主要代表各种开关的开断信号输入的数字量连接PLC的方式以及注意事项。通常数字传感器分为PNP和NPN，但是在这两种情况下，PLC的连接不能以不同和更强的方式进行混合。数字量的传感器接线方法有两线制和三线制。数字量的传感器有常开（NO）和常闭（NC）两种功能。其次是模拟量输入信号。模拟量输入信号是一个连续的状态，是非离散量，模拟工厂中无法具象表达的信号，如压力、流量等。

1.2 控制输出信号

数字分量输出，PLC可以利用24 v控制其他较高电压等级，输出“0”和“1”两个状态。模拟量输出，非离散型的装置可以用模拟量输出，可以实现逐渐变化的控制功能，例如调节阀、液压的比例放大器。通信控制，一部分设备需要使用通信控制。

1.3 污水处理控制系统工作原理

本次设计的系统以PLC核心控制器，总框图见图1。

在手动状态和自动方式下对系统进行控制，以下为工作过程。

接上电源，启动潜水机的自动控制模式→间歇性运行粗细格栅机，简单来说就是先在空中运行一定的时间然后再在空中停止一定的时间，重复地进行→启动清污机按照液位反馈信号返回的液体水位差设定状态启动控制器，使清污机正常运行和工作停止→潜水泵房内部的进水泵可以按照液面高度的要求对其进行操作、停歇和操作数量的调节→自动转碟曝光空气机根据臭氧溶解度在臭氧质量计数器中反馈的转盘空气系统中的质量模拟臭氧质量，经过PLC公式运算之后对其质量进行自动控制，同时它还对自动控制转盘空气臭氧分离机的正常工作和曝气停止负责→根据水平和液面高低来控制污泥回流泵的启动和停止→在污泥脱水系统中，离心式脱水机的工作时间要用先后顺序相同的控制模式来决定，依次开始启动它们的设备。

2 计算机控制系统硬件设计

硬件电路是实现该控制系统的“身体”。强健的“身体”是整个系统能够正常工作的保证。本章就该控制系统的电路和硬件选型进行介绍。

2.1 硬件选型

（1）PLC选型

根据本设计的要求，经多方面考虑，选择西门子S7—20SMART系列PLC作为工业污水处理系统的电气控制系统的控制主机。同时增加扩展模块AE04和AQ02，以满足变频器频率反馈和给定的要求。

（2）接触器选型

选用正泰NXC系列交流接触器。它有高标准、长寿命、强适应性、宽电压、线圈强通用性、模块化等实用性优点。

（3）变频器选型

选用异能N600系列变频器，此变频器能源利用率高，结构与功能优化，操作方便，可靠性高，功能多样。

（4）电动机的选型

通过了解电机的参数、工作环境条件、用途、控制方式等来选用电机。

2.2 主电路设计

见图2为PLC控制电路。

PLC操作方便而且容易掌握。以PLC为工业污水处理系统的基础主要包括信号输入和控制输出信号。

2.3 控制系统的I/O配置

本控制系统涉及两种量，即模拟量和数字量，分为输入和输出。故一共有4种控制量表示，下面分别介绍其分配和定义：

（1）数字量输入部分

控制系统数字量输入地址分配，见表1。

表1 控制系统数字量输入地址分配

（2）数字量输出部分

控制系统数字量输出地址分配如表2所示。

表2 控制系统数字量输出地址分配

（3）模拟量输入部分

收集溶氧仪设备反馈的相关数据，扩展一个模拟量输入输出模块，如表3反映了具体的I/O配置。

（4）模拟量输出部分

对模拟量进行数据处理，对变频器进行控制，进而控制相关设备的运行，见表4。

表4 控制系统模拟量输出地址分配

3 软件系统设计及实例

使用西门子公司为S7—200smart系列PLC开发的STEP 7-MicroWIN SMART为本系统的编程软件。

3.1 基于PLC的污水处理系统流程图

污水处理控制系统流程，见图3。

3.2 组态实例

3.2.1 实例工艺流程画面介绍

选用深圳显控触摸屏，对触摸屏进行上位机画面组态，左下角三个按钮为触摸屏切换按钮，单击可以切换画面，右下角为模式切换和启停按钮，当模式为自动模式时，单击系统启动，整个系统会进入运行状态，同时左上角会出现系统运行的提示。点击系统停止，系统处于停止模式。

调节池提升泵为一备一用，点击提升泵1#投入。提升泵1投入使用，提升泵2作为备用泵；反之，提升泵1作为备用泵，提升泵2投入使用。

自动泵与提升泵功能类似，不做赘述。

当系统启动时，风机1投入使用，在风量不足的情况下，可手动投入风机2，投入后风机2变为自动控制。

处理后的水贮存在清水池中，当清水池水量满时，会通过溢流口排出。当需要清水池里的水二次利用时，点击启动按钮，恒压供水泵开始工作，清水池液位低时，恒压供水泵停止工作，待液位高于低水位时，恒压供水泵继续工作。点击停止按钮，恒压供水泵停止工作，不受液位控制。

具体工艺流程见图4。

3.2.2 手动界面画面介绍

当旋钮在手动状态时，水泵、阀门不受自动状态的控制，通过点击启动、停止，可开启、关闭水泵和阀门。

组态画面会显示水泵运行状态和停止状态，当热继电器热过载时，组态画面同时会显示设备的故障状态。

手动操作见图5。

3.2.3 参数设置画面介绍

通过设置运行和停止时间，可以控制设备过滤N分钟，停止过滤M分钟，以N+M为周期运行N个周期后，设备反洗。

当设备进入反洗模式时，反洗A分钟后，设备再次进入过滤模式，以上面N+M为周期进行过滤。

3.3 触摸屏的通信

3.3.1 触摸屏的电源

触摸屏的工作电压为直流24 V，给线控触摸屏提供一个24伏的直流电，触摸屏进入设置界面，进行参数设置。

3.3.2 触摸屏的通信

触摸屏和PLC通过RS-485进行通信，从而实现数据交换，对整个系统进行监控。

4 调试与运行

通过PLC上的以太网口，通过专用的网络协议，把PLC程序下载到PLC中，点击程序状态，可以进行监控，根据要实现的要求，从而调整程序内容，使其满足设计的要求。点击触摸屏上的按钮，观察程序里对应的地址是否有动作，如果没有达到想要的功能和效果，就更改画面组态或者PLC程序。达到要求后，以此类推。调试界面显示，见图6。

5 结语

本文从系统硬件和软件两个关键环节进行了设计和研究，分析了污水处理的工艺，在探究污水处理的各个环节基础上，确定了系统控制要求和内容，并设计出总体方案结构，对PLC进行选型，确定S7-200smart系列PLC开发作为主控制器，对每个模块选择其型号。系统所用到的所有传感器选型，选择出稳定、高效的传感器，并对应信号采集电路以及总体系统的电源电路。使用STEP 7-MicroWIN SMART软件编写了主要控制环节的程序，在PLC中能够实现其自动控制。采用samkoon触摸屏进行控制实例演示，使系统不仅减少了人工操作量，也增加了污水处理效率。希望基于P L C的污水处理计算机控制系统能促进计算机控制系统在污水处理领域的发展。