基于PLC的污水處理系統研究

王 華，呂小納，張鳳莉，代戰勝

(1.商丘職業技術學院,河南 商丘 476100; 2.鄭州成功財經學院,河南 鄭州 451200)

引言

隨著我國經濟的快速發展，特別是制造業的高速發展，工業用水量急劇增加，隨之工業污水也大量的產生.隨著人們生活水平的日益提高，人均生活廢水的產生也越來越多[1]1-10.我國的水資源總量雖然不算匱乏，但人均的淡水量比較少，還達不到全世界人均淡水量的1/4.國內淡水的分布很不均勻，進一步加劇了缺水區的用水負擔，特別是缺水地區的工業制造業，其淡水資源的匱乏往往限制了相關產業的進一步發展[2]1-24.除上述因素之外，在水資源的使用上，節約意識并不是很強，浪費也比較嚴重，水資源的匱乏已經成為制約我國經濟發展的一個重要因素.特別是極端缺水的地區，水資源問題甚至成為阻礙城市發展的最重要因素.

為了提高水資源的利用率，應加強節約用水的觀念，同時增強污水的處理能力，使處理后的污水能達到相關的用水標準，也可以降低對淡水的依賴.隨著我國制造業高度發達，不同行業不同環境下產生的污水，其污染物的成分都不盡相同，其污染度的高低也有很大差別，因此，污水處理的方式方法難以做到一致[3]6-10.往往不同行業、不同廠礦都有不同的污水處理方案，只有這樣才能有的放矢地降低污染物的含量.隨著水資源標準的劃分越來越細化，對污水處理的工藝要求越來越高.

污水處理的步驟比較多，工序比較繁瑣，在人工處理過程中其效果往往難以達到最佳.所以，污水處理過程的自動化控制越來越得到重視.通過自動化的控制，特別是加入優化的控制算法，往往能使污水處理的效果優于人工處理的結果.PLC控制器是工業控制領域中經典的控制系統，在污水處理系統中使用PLC控制器可以簡化控制系統的復雜度.通過PLC的可編程技術，能夠使污水處理過程得到最優控制.

1 污水處理基本原理

1.1 污水分類

污水一般分為3類，即工業生產相關污水、日常生活相關污水和混合類型污水.工業生產相關的污水和工業生產及產品類型有著直接關系，各個生產企業產生污水的有害物質比較固定，在排入城市污水管網時都要做預處理，預處理的目的比較明確，處理的方法比較固定.日常生活相關污水主要來自居民生活產生的污水以及不同單位、餐飲、娛樂等場所產生的污水.污水的污染度比較低，但是污染物的種類比較繁多.混合類型污水主要是由降水沖刷地面以及建筑物外表面所形成的，這種污水的污染度和污染物種類相比于上一種污水要更復雜.

1.2 污水水質指標

污水的水質指標一般也從3個方面來考慮，分別是物理指標、化學指標和微生物指標.物理指標主要是物理方面的特征，例如，污水的溫度，污染物的濃度，污染物的顆粒度大小以及污染物的氣味等.通過物理指標可以直觀地對污水進行一定的了解.化學指標主要是從污染物的化學成分來衡量，工業污水根據廠礦所處的行業，分為無機物和有機物.生活污水主要是指有機物.無機物污染物主要從pH酸堿度、非金屬類的氯硫磷以及金屬類污染物來進行分析.有機物由于其種類特別多，所有有機污染物又從碳水化合物、脂肪和蛋白質角度來分析.由于污水中大量有機物的存在，為相關微生物提供了良好的生存環境.微生物指標中主要分析病毒、細菌和對人有毒害的微生物.

1.3 污水處理方法

根據污水水質指標，污水處理的方法主要從物理、化學和微生物方面來處理.物理處理方法主要通過沉淀、過濾等相關物理方法將污水中的顆粒較大且不溶于水的污染物預先處理.化學處理方法主要是通過化學反應方法，根據污水中的化學成分，使用相關的化學物質去平衡中和污染物，并將有機物變為更穩定的無機物.微生物處理方法是污水處理方法中最重要的部分.其基本方法是通過微生物的降解作用，將化學處理方法中難以降解的無機物，降解為穩定的無機物.對于有害的微生物，根據其喜氧與厭氧的特性，對其進一步處理.

1.4 污水處理分級

一般的污水處理分為3級，第一級處理主要使用物理的處理方法，通過過濾、沉淀將污水中的懸浮顆粒以及懸浮物去除掉，為后續的處理階段降低壓力.一級的處理流程如圖1所示.

圖1 一級處理流程

污水二級處理主要使用化學和生物的處理方法，主要處理污水中的溶解性污染物.通過離子交換以及滲透膜等方法大幅度降低污水中的有機物含量.在二級處理之后基本上能夠達到污水排放標準.二級處理流程如圖2所示.

圖2 二級處理流程

三級處理的要求很高，主要目的是凈化水質并消毒殺菌等.三級處理后的水就可以回收利用.由于三級處理的成本很高，所以很多污水處理廠并沒有使用三級處理.

2 基于PLC控制系統設計

污水處理的復雜性決定了控制系統的復雜性.在諸多控制對象中既有模擬量又有0/1型的開關量，在控制的時序上既有實時控制又有順序控制等.在系統運行期間有很多開關量需要檢測，而實際的污水處理設備的各個部分在空間上相距比較遠，增加了檢測和控制的難度.

2.1 系統方案設計

污水處理控制系統屬于典型的工業控制范疇.采用PC計算機加PLC控制器的結構.PC計算機以其強大的運算、存儲和控制能力，承擔著整個系統的控制、存儲和人機交互工作.PC計算機通過通信網絡可以方便地控制PLC，并從PLC中獲得反饋狀態及數據，根據反饋的狀態值和數據完成相應的控制及存儲.PLC通過輸入輸出接口控制潛水泵、步進電機等相關受控設備.傳感器網絡通過輸入輸出接口將測量的過程量反饋給PLC控制器，并進一步傳送到PC計算機，便可以得知當前的狀態，為下一步的操作提供依據.整個系統通過人機交互獲得控制模式，根據傳感器網絡獲得實時的檢測數據，通過檢測數據的動態對控制過程進行調整，使控制的結果趨于最優化.控制系統的結構圖如圖3所示[4]59-61.

圖3 污水處理控制系統結構

國內的污水處理行業所選用的PLC種類很多，常用的有施耐德PLC、三菱PLC以及西門子PLC.各公司的PLC都有自身的控制優點，在污水處理方面均能滿足基本要求.在大型程序的編寫，使用的靈活性，程序及數據下載的方便性能滿足日常需要.本系統從現場的實際情況和性價比的角度上選用西門子的S7-300型PLC.該款PLC屬于中小模型PLC，在污水處理上能夠滿足數據采集和開關控制.S7-300內部模塊有數字量、模擬量、信號、電源和通信模塊等，這不僅能滿足控制需要也方便安裝固定.

S7-300包含的指令集豐富，程序運行時處理的速度較快，編程較為靈活，控制結構層次分明.西門子公司的PLC編程環境功能強大，編程界面直觀，簡單易學，編程語言可以使用編程語句、功能圖塊以及梯形圖，編程靈活自由.S7-300的主要功能有：通信地址配置、參數設置、硬件配置、程序存儲、網絡模型和軟件編程.由于其完善的平臺、較高的性價比，選用S7-300作為控制器，能夠滿足工業控制大多數情況.

2.2 液位控制

污水處理的控制過程有很多，其中關鍵的一個是沉淀池的液位控制.沉淀池的液位高低，決定了沉淀池中污水量的多少，污水量的多少決定藥劑投放量的多少、處理時間的長短等，因此，液位控制是一個關鍵的指標.液位控制是控制領域中的一個經典控制，相關的控制算法非常多.由于污水屬于不可壓縮流體，無論哪種控制算法，要想保證液位的恒定，只需要保證流入與流出的體積相同即可.無論是流入還是流出，一般是通過潛水泵和閥門來控制，設進口潛水泵的功率為pi，進口閥門開度為θi，則進口流入的體積為Vi=λipiθi，其中λi為固定常數，由系統決定.同理，出口潛水泵功率為po，出口閥門開度為θo，出口流出的體積為Vo=λopoθo.如果要保證液位恒定即Vi=Vo，λipiθi=λopoθo.可以通過調整潛水泵的功率或者閥門的開度保證液位的恒定.同理，要想實現液位的上升或者下降，只需要調整潛水泵的功率或者閥門的開度就可實現.

2.3 通信設計

為了保證PC計算機與PLC控制器之間數據暢通，本系統選用現場總線PROFIBUS.現場總線有多種，常用的有PROFIBUS總線、RS485總線、CAN總線等.每種總線不僅包含線序還有相關的通信協議.每種總線均有自身的優缺點，本系統中兼顧可靠與成本考慮，選用PROFIBUS總線.PROFIBUS總線以歐洲標準和德國標準為主，現已獲得多家公司的支持.同時，PROFIBUS總線的開放性，可以和滿足協議要求的標準件相連接，現如今全世界有很多公司都能生產PROFIBUS總線的接口設備.由于PLC控制器選用的是西門子的S7-300，所以現場總線也選用西門子的PROFIBUS-DP總線.

2.4 總體流程

根據不同污水處理場合的要求，系統控制過程分為手動和自動控制兩種.在手動模式下，每個PLC控制器和相關設備可以單獨控制，在自動控制異常，或者難以跟蹤到最優運行結果時，使用手動控制.在自動控制下，通過控制模式的設置，和各個參數的閾值設置，系統會根據設置自動控制[5]20-21.

3 結語

隨著國家對環保的重視度越來越高，污水處理的社會需求也越來越大.對城市的生活污水、工業生產的廢水等都需要進行相應的處理.通過PC計算機和PLC控制器實現污水處理的自動化監控，有著非常重要的現實意義.本系統使用先進的現場總線技術，實現了各個部分的可靠通信，解決了空間較遠難以集中管理的問題，具有較高的實用性[6]7-15.