基于PLC控制的污水處理

摘 要：PLC的控制功能具有嚴(yán)謹(jǐn)、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中早己得到了廣泛的應(yīng)用。文章介紹了西門子PLC在污水處理中的應(yīng)用，主要介紹了PLC控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置方案、軟件設(shè)計(jì)思想和程序結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：污水處理；PLC；WINCC；STEP7

1 前言

在現(xiàn)代社會中，經(jīng)濟(jì)及工業(yè)技術(shù)的發(fā)展使得工業(yè)廢物的生產(chǎn)量隨之增加。工業(yè)廢水和生活廢水給人民生活帶來了極大的影響，因此，如何解決污水問題被全社會廣泛關(guān)注，其中有效途徑之一就是建立高度自動化的污水處理廠。污水處理系統(tǒng)主要功能包括現(xiàn)場監(jiān)控和自動控制兩部分。本系統(tǒng)采西門子S-300 PLC和部分檢測儀表構(gòu)成下位機(jī)，以達(dá)到自動控制的功能。整個系統(tǒng)的畫面監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定和指令控制等功能采用西門子“WINCC V5.1”組態(tài)軟件的上位機(jī)。該系統(tǒng)集現(xiàn)場監(jiān)測、設(shè)備控制、信息反饋等功能于一體，具有功能完備、自動化程度高、控制原理簡單、易操作等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的投運(yùn)極大的降低了操作人員的勞動負(fù)荷，提高了管理水平，確保了污水處理工藝長期安全平穩(wěn)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)采用西門子S7-300控制系統(tǒng)。S7-300是模塊化的小型系統(tǒng)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合以實(shí)現(xiàn)不同的功能[1]。系統(tǒng)設(shè)置多機(jī)架，包括主機(jī)架（CR）和擴(kuò)展機(jī)架（ER），采用接口模塊（IM）實(shí)現(xiàn)二者的連接，而數(shù)字量和模擬量的輸入輸出則采用信號模塊（SM）。S7-300通過分布式的主機(jī)架（CR）和二個擴(kuò)展機(jī)架（ER）的合理配置，可以操作多達(dá)24個模塊。為了實(shí)現(xiàn)I/O通信，中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通訊接口，編程器、PC機(jī)和人機(jī)界面等的連接采用多點(diǎn)接口（MPI）。本設(shè)計(jì)中PLC的硬件配置如下表：

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了未來功能擴(kuò)展和改進(jìn)的實(shí)際需要，對數(shù)字量輸入輸出模塊（DI/DO）和模擬量輸入輸出模塊（AI/AO）都考慮了余量。該污水處理工藝需要對鼓風(fēng)機(jī)和污泥泵進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制，為此本系統(tǒng)設(shè)有一個PLC主站和兩個ET200M從站，如圖1所示。利用SIEMENS公司工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP可以完成PLC主站與現(xiàn)場ET200M從站之間的主-從通訊。這樣既節(jié)約了電纜，又提高了系統(tǒng)的可靠性。將從站1放置在鼓風(fēng)機(jī)房，用以采集鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，由此可以實(shí)現(xiàn)操作員對鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況的實(shí)時監(jiān)測和控制。將從站2放置在污泥泵房，用以采集污泥泵的運(yùn)行參數(shù)并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。考慮到實(shí)際工作流程的需要，用兩臺配置SIEMENS公司CP5611網(wǎng)卡的工業(yè)計(jì)算機(jī)（一臺工程師站和一臺操作員站）并輔以打印機(jī)組成了上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC主站之間的數(shù)據(jù)通訊則通過PROFIBUS-S7數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)完成。同時，配套選用SIEMENS公司的WINCC完成操作員站的畫面組態(tài)。

3 污水處理工藝流程

污水處理工藝流程如圖2所示，其核心為由一個厭氧池和一個好氧池組成的反應(yīng)池。工業(yè)污水中往往含有體積較大的塊狀和條狀雜物，這些雜物在通過隔柵時被攔截下來。被攔截下來的雜物通過專門機(jī)械收集、壓實(shí)，然后輸送到專門的盛放池，待累積一定數(shù)量后外運(yùn)處理。經(jīng)此工序后的污水經(jīng)提升泵房，提升至高處，使得污水在重力作用下就能自行流經(jīng)后續(xù)工序。為了降低反應(yīng)池的負(fù)荷，設(shè)置了沉砂池。在較低的流速下，污水中的砂子在重力作用下進(jìn)行沉淀。經(jīng)沉淀后的污水進(jìn)入?yún)捬醭兀趨捬醭刂形勰嗪蛥捬蹙淖饔孟拢撊ゴ蟛糠至缀筮M(jìn)入好氧池。好氧池配有鼓風(fēng)機(jī)和攪拌機(jī)為其中的好氧菌提供富氧環(huán)境，在好氧菌作用下，進(jìn)一步將有害物質(zhì)分離出來。然后進(jìn)入二次沉淀池，將污泥進(jìn)行沉淀，一部分污泥經(jīng)泵房回流至厭氧池，剩余的污泥與之前的砂子一起進(jìn)行濃縮脫水、處理。而此時的污水已達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，可以外排[3]。

4 控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)場工藝要求，系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)，下面將依次分別介紹下位機(jī)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)控制功能。

4.1 下位機(jī)的主要功能是對各類泵、風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)等設(shè)備的開、停進(jìn)行自動控制，同時將這些設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，以及現(xiàn)場模擬量如溶解氧、泥溫等參數(shù)，通過PLC轉(zhuǎn)化在上位機(jī)進(jìn)行顯示。這些功能的實(shí)現(xiàn)都是通過預(yù)先編制好的程序進(jìn)行自動控制，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際工況需要，可以在線或離線對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)包括

4.2.1 通過鍵盤或鼠標(biāo)控制現(xiàn)場設(shè)備，控制結(jié)果將實(shí)時顯示。

4.2.2 在流程圖中實(shí)時顯示各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和現(xiàn)場模擬量，以圖表的形式直觀的將系統(tǒng)的運(yùn)行狀況展現(xiàn)在工藝人員面前；提供控制回路參數(shù)設(shè)置畫面；提供報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備參數(shù)超過設(shè)定值時，進(jìn)行閃爍報(bào)警。

4.2.3 設(shè)置口令保護(hù)，以免非工作人員惡意登錄或退出系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件進(jìn)行配套，同樣分為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，下面分別予以介紹。

5.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1基礎(chǔ)上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及用戶程序的設(shè)計(jì)。根據(jù)功能的不同將整個污水處理流程分為若干個分流程，例如沉砂池控制（FC4），反應(yīng)池控制（FB1），每個分流程對應(yīng)一個功能（FC）或功能塊（FB）。此外，為了實(shí)現(xiàn)對模擬量的實(shí)時監(jiān)控，還需要設(shè)置一些轉(zhuǎn)換模塊，通過這些轉(zhuǎn)換模塊將采集的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換最終得到實(shí)際的控制量[4]。程序設(shè)計(jì)時，先編寫不同功能的子程序（功能塊FB、DB、FC）然后通過主程序（OBI）調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的控制。

下面介紹好氧池的控制，好氧池控制流程圖如圖3，好氧池中的污水通過微生物的凈化作用去除有機(jī)物[5]。控制水中的含氧量也是污水處理過程控制中關(guān)鍵的任務(wù)之一。因?yàn)楹醚醭刂械暮醚蹙枭嬖诟谎醐h(huán)境中，如果水中氧氣不足則會導(dǎo)致好氧菌的死亡，從而失去污水處理功能。因此配備了鼓風(fēng)機(jī)通過曝氣頭向水中提供氧氣，但是鼓風(fēng)機(jī)的能耗很大，達(dá)到了整個工藝系統(tǒng)能耗的50%左右，過多的配置鼓風(fēng)機(jī)不但增加能耗，反而會形成小而重的易沉淀絮體使水質(zhì)惡化。考慮到節(jié)能與工藝需要之間的平衡，該系統(tǒng)設(shè)5有臺鼓風(fēng)機(jī)和1臺變頻風(fēng)機(jī)向好氧池供氧。為了監(jiān)測好氧池中的溶解氧，在好氧池的不同地點(diǎn)設(shè)有6塊溶解氧測試儀即（DO儀）測量池中的含氧量。在控制系統(tǒng)中為這些DO儀設(shè)置一個正常值范圍，在實(shí)際運(yùn)行中，若DO儀的測量值超過了這個正常范圍，PLC就會收到報(bào)警信號。PLC根據(jù)溶解氧的平均值來控制鼓風(fēng)機(jī)的開、停。如果平均值低于正常值，PLC控制調(diào)頻風(fēng)機(jī)加大送風(fēng)量，如果高于正常值則減小調(diào)頻風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量。如果調(diào)頻風(fēng)機(jī)已達(dá)最大或最小值，則通過增開或關(guān)閉一臺普通風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)溶解氧的調(diào)節(jié)。設(shè)定PLC每十分鐘進(jìn)行一次調(diào)節(jié)，這樣既能滿足工藝需要，又避免了風(fēng)機(jī)的頻繁調(diào)節(jié)。

5.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1，為了增加系統(tǒng)運(yùn)行安全和穩(wěn)定性，WINCC運(yùn)行于Windows NT V4.0操作系統(tǒng)平臺之上。鑒于工程師站和操作員站的功能不同，在工程師站安裝WINCC-RC用于開發(fā)，在操作員站安裝WINCC-RT用于運(yùn)行。WINCC通過讀取下位機(jī)的DB塊，在上位機(jī)實(shí)時顯示各項(xiàng)參數(shù)，如顯示實(shí)際溫度、鼓風(fēng)機(jī)的開閉狀態(tài)等。另外通過共享數(shù)據(jù)塊DB2將上位機(jī)的操作命令傳到下位機(jī)的DB塊中，來實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的在線控制。

6 結(jié)束語

當(dāng)前，工業(yè)污水處理對自動化控制程度要求越來越高，PLC控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于污水處理中。PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，并改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了人力成本。本系統(tǒng)投運(yùn)以來，因其界面友好、操作簡單、提升對設(shè)備的管理水平、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)而獲得了業(yè)主的認(rèn)可，同時也創(chuàng)造了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[5]吳根樹，劉妍.曝氣池一氧化溝工藝在含油廢水處理中的應(yīng)用[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（1）：41-43.