基于WINCC組態的污水處理PLC自動控制系統設計研究分析

徐紅秋 查安平

摘要：污水處理不僅對環境起到了改善的作用，并且污水經過處理達到排放標準后，實現水資源的再次使用，從而水資源使用效率最大化的目的。研究一套合理的污水處理自動控制系統，首先要滿足國家的排放要求，并且要用較低的運行費用，來達到較好的處理效果。

關鍵詞：SBR;污水處理;PLC

國外的計算機技術飛速發展，帶動自動控制技術的不斷提升，使得自動控制污水處理技術也得到長足的發展。所以通過計算機控制技術的應用，可以更高效的利用各種設備監控工藝流程，根據采集的信息，還可以不斷地優化工藝。有了計算機控制技術的輔助使得效益最大化。伴隨著自動控制儀表的研發出來，以及各類型的傳感器精度的不斷提高，優秀的自動控制系統，在生產上，保證生產的平穩運行，有效地減少人為的失誤;在經濟上，降低能耗，節省人力物力。

一、自動控制對于SBR工藝的優勢

SBR工藝因其工藝特點，每個工藝階段都是有序進行的，各個階段的工作的時間不發生沖突。在不考慮所需處理的水源所含雜質成分的含量會隨時間變化而存在波動前提之下，各個工藝階段的自動控制可以通過順序的時間控制來實現。隨著智能化儀表，以及高精度傳感器等設備技術的不斷提升，自動控制技術也越來越成熟，對生產過程的控制也越來越精細。對控制過程中的監控參數范圍更廣，響應更快，可以確保生產過程的可靠運行。

二、控制系統的自動化硬件設計

（一）控制系統的構成

控制系統的基本理念是“管理集中，控制分散”，集檢測、控制、反饋于一體的監控系統。考慮到為了控制實現SBR污水處理方式中比較復雜的工藝流程，可以選用邏輯操作功能強大的S7-300PLC做為該處理系統的下位機，S7-300PLC程序編寫圖形化，簡單快捷的安裝方式，在工業控制領域適用范圍大，與其他設備兼容性強，邏輯控制功能極強。同時選用WinCC工控機做為上位機。上位機與下位機之間一般采用現場總線的網絡技術，該網絡是一個完整的，獨立的網絡系統。

（二）控制系統的傳感器選擇

現場級作為控制系統最基礎的級別，囊括了生產現場的各種設施裝備，包括各種檢測裝置、執行裝置。其中作為檢測裝置的傳感器對于系統的控制功能來說具有舉足輕重的地位，它們將采集到的生產相關的數據、設備的參數狀態等控制系統所需的相關信息，傳輸到控制系統上一層級，以供系統分析數據做出決策。作為控制系統的感知器官合理地配置與之相適應的傳感器，可以實控制系統達到良好的控制效果。

（三）控制系統PLC控制器的組成

過分析研究SBR工藝，考慮到為了控制實現SBR污水處理方式中比較復雜的工藝流程，采用PLC控制系統實現其工藝流程，該系統的優勢體現在，他的過程控制和順序控制能力。PLC應用范圍廣，并且可靠性高，組網建議，對實現中小型規模工業自動化非常方便。PLC控制系統穩定的性能，對信號反應的及時許多，符合對污水處理設計的需求。

三、控制系統的軟件設計

本文選用S7-300型PLC作為控制級，SIEMENS公司的STEP7編程軟件適用于該型號PLC的程序編寫。而管理級采用工控機（PC）可以運用WINCC軟件對控制管理程序進行設計。通過STEP7軟件策劃一套控制程序需要經過以下幾步：1.確定程序控制方式;2.建立任務項目;3.組態硬件：依據控制程序的需要，將相關的模塊組合在一起，調整參數設置編寫程序;4.最后將設計好的程序輸入到PLC設備中調試程序的適合性。

（一）除污機PLC控制程序

除污機常用于污水處理工藝中的第一步，適用于處理污水中體積較大的固體物質。做為對污水進行簡單的預處理的設備適合在不同污水處理方式處理各種污水。其具體控制方式如下：

1、首先超聲波液位差計接收位于除污機前后兩側的兩個超聲波液位傳感器的反饋信號，并對數據進行差值計算，得出的差值反饋給PLC，PLC經過邏輯判斷發出控制指令;

2、當差值大于0.1米時，這時污水中的固體雜物已聚集過多導致前液面上升，需要運行1#除污機并啟動傳輸機;

3、當差值大于0.2米小于0.3米時，1#除污機這時已不能及時處理污水中的固體雜物，需要同時運行2#除污機;

4、當差值大于0.3米時，說明兩臺除污機的工作能力已達到上限，這時要立即關閉污水進水閥門，并發出報警信號。

（二）反應池PLC控制程序

反應池是SBR工藝實施的最主要的場所，是污水處理過程中生化反應的集中發生地。其具體控制方式如下：

1、首先軟啟動器檢測電網中可能存在問題，判斷是否滿足曝氣機啟動的條件，一旦發現風險便終止曝氣機的啟動動作，并發出故障報警;排除風險后曝氣機便可啟動工作;

2、曝氣機安裝于反應池底部，工作時將大量空氣吸入池中，在離心力的強大作用下，反應池底的活性污泥也被空氣攪動起來，使得空氣中的氧氣與活性污泥中的微生物充分接觸、反應，使得有機物加快降解;

3、曝氣機停止運行后反應池保持靜止3小時，使活性污泥下沉，沉淀于反應池的底部，使其與處理好的凈水分離;

4、沉淀3小時后進入排水階段，此時潷水器開始緩慢下降，潷水槽下降到液面以下后，凈水經過潷水槽流入排水分管匯聚到排水轉管，潷水器下降的同時出水閥打開，最終將凈水排出到反應池外;

5、潷水器下降到最低工作位面時，關閉凈水的出水閥，與此同時潷水器開始上升回到初始位，至此排水階段結束;

6、當排水階段結束后，除泥泵啟動工作將過多的污泥排除反應池外，通過超聲波污泥界面儀監測池底中污泥的深度，當污泥深度達到所需污泥量的最低位時污泥泵停止，整個反應池的工藝流程結束。

（三）網絡組建

本文采用PROFIBUS-DP作為系統通訊方式。在STEP7軟件中運用“SIMATICManager”建立“WUSHUICHULI”項目，今后不論是PLC程序編輯還是網絡組建都在該項目下進行。

1、建立控制站。本文中PLC控制站的設備選型為S7-300型，首先從“插入新對象”中找到300型站點插入到項目中。進入站點首先在畫面右側的設備庫中建立Rail導軌，這時畫面左側生成了一個UR表格，依據先前的PLC配置表把控制站所用的模塊填入UR表格。要注意各模塊在表格中的順序：第一位為電源模塊;第二位為CPU模塊;第三位空置，為新的機架預留擴展;從第四位開始加入模擬量信號、數字量信號輸入輸出模塊，及其它相關模塊。

2、建立PROFIBUS網絡。找到位于二號位的CPU模塊進入其下方的“MPI/DP”功能設置，新建一個DP接口，進入屬性分配其地址，依據數據的傳輸距離選擇適合的傳輸速率。建立成功后，會在“MPI/DP”卡位生成一根形象的PROFIBUS網線，有了這根網線便可以掛載各種需要控制的支持PROFIBUS格式的設備

（四）上位機軟件設計

上位機是整個控制系統的“決策層”，操作人員通過人機界面可以對整個生產過程進行監測控制。操作人員可以了解到現場級反饋過來監測信息，調整控制級的控制方案。WinCC是由西門子公司研發，并在Windows操作系統下運行的人機界面系統，用于工業過程控制系統的監測與控制。在WinCC中建立“WUSHUICHULI”項目;在變量管理器中建立新的通道，建立與PLC的組態通訊;通過圖形編輯器可建立多個過程畫面將污水處理工藝圖形化，直觀地顯示相關的控制設備設施的運行狀態，控制操作只需簡單的點擊鼠標，輸入所需參數，建立監控畫面;在用戶管理器中可以建立多個賬號，并對不同賬號可以開放不同的權限，用于修改系統。

四、結語：

本文采用了PC+PLC的控制模式，利用模塊化的編程思想，對SBR工藝的流程進行了程序編寫，并且利用WinCC軟件對上位機進行設計。通過污水處理過程中的實際應用，在中央控制室實通過上位機WinCC的組態界面現了對整個污水處理工藝流程的自動控制，方便了現場操作人員的操作管理，同時集中的自動化控制也減輕了工作人員的工作負擔提高了工作效率，提高了該廠的生產能力，降低了人工成本，使該廠的經濟效益得到了很大的提升。

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作者簡介：徐紅秋，女，1975.06，同濟大學（上海），本科，工程師，研究方向：給排水、環保管理，環境監測、“三廢”治理。