基于PLC的污水處理控制系統

黃俊勇

（廣州惠暢機電科技有限公司，廣東 廣州 510760）

1 引言

環境污染問題是當今世界上最大的社會問題之一，尤其是水資源的過度開發和不合理利用。為了合理利用水資源，保護水體環境，國家已把城市給排水列為基本建設領域重點支持的產業，并提出至2000年我國污水處理率達到25%，2010年污水處理率達到40%的總體目標，要求“七大流域”、“三大湖泊”和重點沿海城市及其近岸海域城市、非農業人口50萬以上的城市都要建設城市污水處理廠。因此，為使有限的投資取得好的效益，建立高度自動化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。

隨著計算機控制技術的發展，可以對污水處理實現日常的信息化管理。針對太原某生活污水處理系統，設計一套基于工業以太網和Profibus－DP總線的污水處理自控系統，對污水處理過程進行自動控制和遠程監視。采用S7－300 PLC可編程序控制器和智能檢測儀表組成下位機，實現對現場設備的監控。上位機采用WINCC V7.0組態軟件，實現整個系統的畫面監測、參數設定和指令控制等功能。

2 污水處理工藝流程

采用改良A2/O污水處理工藝，工藝流程如圖1所示。污水自流入廠內機械粗格柵井，經進水泵房提升后輸送至細格柵渠，然后經旋流沉砂池沉砂處理，從沉砂池出來的污水進入改良型A2/O生化池，生化處理后的污水排入二沉池、最后經消毒池消毒，部分回用，部分排入汾河。

圖1 污水處理工藝流程圖

3 污水處理控制系統總體方案

全廠控制系統分為兩個部分：中控室集中監控管理中心和8個現場PLC控制站。

工業控制網采用光纖作為傳輸介質組成環形工業以太網與現場控制站PLC聯接，保證網絡的可靠性、安全性，數據通訊在確保的可預見時間內到達。

系統控制設備之間相對獨立運行，現場控制站、設備控制單元發生故障時，不會影響其上級、下級或同級的其它控制站控制單元的正常運行?，F場控制站設置觸摸屏作為就地人機交互接口HMI，操作人員可對該控制站監控范圍內的設備進行就地集中控制，或在中控室授權后就地更改設定本站的工藝控制參數。其系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

工程師站可以對現場控制站、設備控制單元的相關軟件進行維護。正常工作時，兩臺工作站同時工作，實時地完成同步操作。監控工作站通過網絡交換機與工業控制系統及生產管理系統連接，自控系統的控制別設置為三層：第一層為現場手動控制，在各電氣站點設置現場手動控制箱，可單獨啟停各測試設備及執行機構；第二層為PLC邏輯聯動控制，由PLC根據現場測試設備采集的數椐及系統設備運行邏輯關系，自動控制各站點內的電氣設備運行狀態；第三層為中央控制計算機監測，修改PLC控制參數，上位機點動控制，實現實時監控。

4 控制系統硬件設計

中央控制室由一臺操作員站、一臺工程師站及中控交換機等組成，中央控制室使用工控機，配置以太網卡CP1613，以WinCC7.0組態軟件為開發平臺組態的控制系統顯示畫面?，F場過程PLC控制系統主要選用S7－300的產品，模塊化結構，硬件配置較靈活，軟件編程方便。PLC的CPU選用CPU315－2DP，它具有大型的程序存儲容量，集成了Profibus－DP總線的端口，利用這個口實現與遠程的ET200以及現場儀表通信，可以配制成分布的自動化結構，易于今后的系統擴展。智能化的診斷功能連續監控系統工作是否正常，并記錄錯誤和特殊系統事件。整個控制系統采用基于TCP/IP協議的工業以太網實現上、下位機的通訊，從而實現整個污水處理廠的管、控一體化。

根據工藝的需要和控制要求，本系統設置8個現場PLC控制站，包括數字輸入量726點，數字輸出量244點，模擬輸入點124點，模擬輸出點33點。同時綜合考慮到系統的余量，輸入輸出控制點有20%的余量，并預留30%空槽。鑒于系統防雷性能的要求，輸入輸出模塊均具備隔離性能。選用SM321的32點DI32＊24V數字量輸入模塊23塊，SM321的16點數字量DI16＊24V輸入模塊6塊；SM322的DO16＊24V數字量輸出模塊19塊；SM331的8點AI8＊12bit模擬量輸入模塊19塊；SM332的4點AO2＊12bit模擬量輸出模塊12塊；ET200遠程I/O接口模塊兩個。

5 控制系統軟件設計

5.1 PLC 程序

PLC程序滿足現場工作站和設備控制的全部要求。實現工藝電控設備的順序、條件、計時、計數控制、PID調節等控制功能，以及流量及功率參數的自動累積和數據處理功能。

控制軟件除能夠確保相關工藝及設備間的聯動互鎖的一般要求外，還能滿足復雜工藝過程的控制要求。

控制設備首次上電運行或由手動轉為自動時，能夠判斷其所控設備或工藝過程的現有狀態，在其運行后不會使設備或工藝過程被不正常中斷或出現被控參數的突變和振蕩超調，以實現真正的無擾動切換。

當某臺設備或某個部件出現故障，控制器能夠作出相應的處理，將故障控制在最小的范圍之內，防止由此而引起的相關設備或工藝過程的連鎖反應；同時能立即判斷出故障的位置，并將其送至中控主機或操作顯示終端予以報警。

軟件設計與執行將以模塊化的形式表示PLC硬件劃分和設備的組合，模塊類型以傳感器、回路、裝置和自動化流程進行劃分。PLC控制站程序結構嚴謹，可讀性強，I/O點連續、集中。

5.2 監控界面設計

中央管理中心設置兩臺計算機分別作為操作站和工程師站相互備用，利用WinCC7.0組態軟件開發的污水處理監控界面，對全廠工藝設備運行狀況、運行參數進行集中監控，遙控現場設備。監控計算機通過集成的1000M網卡與PLC系統經工業以太網進行數據交換。

中控室的監控程序有如下主要功能：

（1）工藝流程監控功能。具有友好中文操作界面，各個界面之間切換達到流暢、自然，能動態顯示整個廠區及各個單體的在線設備運行狀態及儀表測量值，監測網絡各節點狀態；

（2）數據記錄存儲功能。監控程序根據需要，采集各分控站的各類數據和信號，并能進行數據顯示、數據存儲、歷史數據回放、趨勢曲線繪制；

（3）多級口令登錄功能：具有安全登錄窗口，并把登陸詳細信息存入數據庫；分管理員、工程師、操作員三個等級登陸，憑口令來使用監控程序；

（4）打印功能。具有各種數據報表輸出功能，根據生產需要，及時完整地生成生產報表；

（5）報警及報警記錄功能。具有多種報警功能，包含優先級報警、多狀態報警、事件報警和確認報警等；

（6）操作人員對設備的所有操作或報警值的修改，其操作記錄由監控軟件記錄，并由獨立的數據庫存儲；

（7）操作記錄功能。系統自動保存重要操作記錄，如改動參數，操作設備的操作員代號、時間、內容等。

（8）實時數據曲線和歷史數據曲線。對重要工藝參數可以進行實時曲線顯示，并記錄歷史數據曲線。

6 結束語

PLC作為成熟的控制器，其編程語言及系統結構具有統一性，便于控制系統的調試及維護，很好地滿足了污水生產工藝的要求，在避免功能浪費的同時降低了系統造價。采用工業以太網技術，保證了通訊網絡良好的兼容性和穩定性，同時實現了通訊的高速化。以PLC為基礎采用工業以太網搭建的控制系統，在污水處理廠的自動化控制中具有成熟可靠，既滿足生產工藝要求，同時也降低了工程造價，具有很好的應用前景。

［1］張衛娜.基PLC的污水處理系統研究［J］.沈陽航空工業學院學報，2007，24（3）：67－68.

［2］王常力，廖道文.集散控制系統的設計與應用［M］.北京：清華大學出版社，1993.

［3］唐翀鵬，馮 健，王 水.A2/O工藝在邳州城北污水處理廠的應用［J］.環境科技，2010，23（3）：40－42，45.