PLC的化工污水處理自動化控制系統設計

白雪寧，寧煜，穆龍濤

摘 要：通過對傳統化工污水處理的缺點分析，設計了一套基于PLC的化工污水處理自動化系統。對自控系統硬件系統的組成進行分析并完成了相關硬件系統的設計;然后對化工污水自動化控制系統軟件系統構成及控制流程進行闡述，并完成了系統中的軟件設計;最后，實現了各功能模塊的控制管理。

關鍵詞：機化工污水處理;PLC;自動化;控制系統;設計分析

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1001-5922（2021）12-0146-05

Design of the Automatic Control System for Chemical Wastewater Treatment Based on PLC

Bai Xuening， Ning Yu， Mu Longtao

（College of Mechanical Engineering， Shaanxi Polytechnic College， Xianyang 712000， China）

Abstract：By analyzing the shortcomings of traditional chemical wastewater treatment， a set of automatic system for chemical wastewater treatment based on PLC is designed. First of all， the composition of the automatic control system hardware system is analyzed and the related hardware system is designed. Then the composition and control process of the chemical wastewater automatic control system software system are described， and the software design in the system is completed. Finally， the control and management of each function module are realized.

Key words：chemical wastewater treatment;PLC;automation;control system;design and analysis

0 引言

隨著化工產業的快速發展，大量的化工生產污水嚴重污染環境，通過對化工污水的處理，不但能夠緩解水污染的問題，而且還可以實現重復利用從而緩解水資源緊張的現狀。傳統的處理方法雖然能夠實現污水的處理，但是效果并不明顯。因此，研究基于自動化控制系統實現化工污水處理的規模化，達到降低化工污水處理成本和提高水質的目的，具有重要的現實意義。

1 自動化控制系統分析

1.1 化工污水處理控制系統

傳統的化工污水處理方法，存在著水平低、污水處理量小、水質不高的情況，隨著化工污水處理產業的快速發展，并提出了可持續發展的戰略目標，對于化工污水的處理辦法改用了更加先進的技術，采用PLC及動態軟件實現對化工污水處理的自動化控制，從而提高處理效率和減低運行成本，進一步落實節能減排政策。

1.2 自動化控制系統設計

1.2.1 設計原則

（1）經濟性。自動化控制系統的設計目的是為了減低運行成本，使污水處理變得經濟適用，可進行推廣;

（2）先進性。設計的系統具有智能化的管理模式，從而避免因有毒物質對人體產生傷害;

（3）可靠實用性。滿足化工污水處理需求，系統運行平穩，設置安全措施和容錯功能;

（4）拓展性。對于系統的維護和更新均建立在可拓展的設計原則基礎上，便于后期的管理;

（5）易管理性。系統投入使用后，各個組件和功能模塊實現單獨的維修和管理，從而減低管理成本;

（6）易操性。系統設計完成投入使用，還需進行人工的監控管理;因此還要考慮系統界面的易操作和直觀性。

1.2.2 自控系統功能設計分析

從設計原則和對需求的考慮出發，落實系統的功能。在對功能設計時要求充分考慮化工污水處理量、處理質量、能耗、環保以及生產效率。因此需要具備以下功能：

（1）數據采集功能。采集的數據包括模擬量采集、開關量采集以及脈沖量采集。系統會根據不同的數據信息進行采集整合，為后期的化工污水處理提供數據支持[1];

（2）參數自檢功能。系統功能設計滿足對過程參數、污水參數、能耗參數等各環節當中的相關參數的檢測和記錄。除此之外，對于整個化工污水處理設備的運行情況也能發揮自動檢測的功能;

（3）自動控制功能。系統通過對工藝和要求的控制，自動的對各個處理環節實行自動化的控制，實現減少人工投入，提高工作效率的目的。但同時也可以根據實際需求對相應的環節加以控制，或者轉換成手動控制;

（4）自我保護功能。利用系統中的自動檢測功能，對各項數據和設備進行循環式檢測;一旦出現事故發生預警，系統會進行綜合的分析，實施自我保護措施，避免產生更大的安全事故。這項功能的設計至關重要，關乎著人民財產安全以及整個化工污水處理廠的利益;

（5）自動調節功能。自動調節功能的實現，是基于數據采集功能和自動監測功能在系統中正常工作運行情況下。因此，每個功能模塊是相互獨立的，但又是緊密聯系的。系統根據水位情況、溶氧率以及其他數據的采集，傳回到系統中，系統利用自動調節功能，進行水泵的開關、鼓風機的頻率改變和其他狀態的調節控制，基本實現了智能化控制;

（6）動態調節功能。化工污水處理工作會根據實際情況進行相應的數據調整，實現動態化的管理;因此對自動化系統功能設置時，也要考慮系統通過動態調節功能模塊，實現動態和相應的參數調整;

（7）管理功能。以上所有的功能模塊，都需在管理界面進行相關的操作，因此管理模塊在系統中的作用是整個系統的中樞，管理著各個環節、各個模塊、各個設備的正常運行;同時還可以對各部分進行有效的管理和設置。

1.3 自動控制系統監控設置

自動化化工污水處理系統中設置的監控項目包括：監控顯示畫面、信號匯總畫面、各環節監控畫面、生產歷史曲線圖、報警畫面、設備狀態監控以及系統菜單畫面。各個監控畫面顯示著各部分的運行情況和歷史狀態，管理員可通過監控了解現場情況或系統的自動監控功能，實現自動化的管理[2]。

1.4 化工污水處理自動控制系統構成

本研究選用PLC（Programmable Logic Controller，PLC）可編程邏輯控制器作為核心控制器，通過對功能模塊的管理和設置，完成設備的狀態開啟和調整。其控制系統構成如圖1所示。

2 自控系統硬件系統組成

2.1 核心控制器PLC

2.1.1 PLC功能及工作原理

PLC是指在一定的工業環境下利用數字進行運算控制的電子裝置，其工作原理是通過采用可編程的存儲器，在其內部進行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算法實現等操作。內部經過相應的處理后再將其以數字形式或者模擬形式進行數據的傳導，從而實現對設備和生產過程的控制。PLC被廣泛的應用在工藝當中進行自動化的控制，PLC的功能是對各軟件或硬件的工作作出指導，并根據不同的信號或接收的數據進行反應，并通過系統的設置進行自動化的控制。其主要功能特點包括以下7點：

（1）運算速度快，指令下達及時;

（2）模型網絡化設計;

（3）可實現軟件編程;

（4）程序運行可進行存儲;

（5）通訊地址實現分配;

（6）具備智能診斷和多級口令保護;

（7）具有在線幫助功能。

2.1.2 PLC特點

PLC工作特點：

（1）應用廣泛、設置靈活、功能全面;

（2）可以在復雜環境下進行工作，具有很強的抗干擾能力;

（3）對于系統編程相對簡單、易操作;

（4）設計模塊化功能管理，方便安裝和調試。

2.2 西門子S7-300PLC

本研究采用的是由德國生產的西門子S7-300PLC，它屬于中小型模擬式PLC，因其高性能的表現和良好的拓展性被應用于化工污水處理自動化控制系統中。S7-300PLC的機構組成包括控制系統核心部分CPU模塊、數字量的輸入和輸出模塊、S7-300的模擬量輸入模塊以及通信模塊。

2.3 化工污水處理自動控制系統結構以及站點布置

化工污水處理廠想要實現對整體的控制，就需要對工藝、設備以及儀表裝置進行有效的監控;同時在化工污水處理的各個環節進行自動化的管理，以此保證化工污水的處理工作正常進行。因此本研究設計的是一套分布式的控制系統，對各部分進行控制和管理。通過布置分站點的形式來實現對化工污水處理廠的控制。并在每個分戰點設置監控設備，通過后天顯示器可以觀測到每個分站點的運行情況，當出現問題時系統會進行預警提示，管理系統介入進行控制，相當于每個位置、設備、工藝和儀表都在自控系統的控制范圍內，達到了降低管理成本提高工作效率的目的[3]。

2.4 儀表系統

儀表的安裝，實現了安全生產和科學化管理的目的。在保證化工污水處理工作正常的情況下，通過儀表的顯示還可做到對資源利用率的最大化，同時也為智能監控提供參考依據。化工污水處理涉及到的儀表主要有在線監測儀表、物位儀表、流量表以及過程檢測類儀表。

2.5 通訊系統

研究中選用的是現場總線，用于化工污水處理過程中自動化設備的網絡連通。而在化工污水處理系統中，管理站與控制中心及各監控之間是由以太網進行連接的，二者共同做成了龐大的通訊系統。

3 化工污水處理自動化控制系統軟件系統構成及

控制流程

3.1 自動化控制系統軟件系統構成

研究中采用的是開放性的系統平臺軟件、編程軟件，其中組態軟件分為上位機和下位機，上位機組態軟件的功能是實現對監控范圍內所有設備的監測和控制。下位機的功能是通過對PLC的程序編寫來實現遠程的診斷和調試工作。為了實現自動化控制，滿足對于儀表和工藝的需求軟件采用的是圖形組態應用軟件、監測軟件以及信息管控軟件，這些軟件共同組成了軟件系統。

3.2 控制流程

3.2.1 手動控制

在管理界面選擇手動控制選項，實現對某一模塊的運行調整;手動操作模式結構如圖2所示。

由圖2可知，針對以上的設備進行手動控制來滿足實際生產需求。

3.2.2 自動控制

自動控制模式下，所有的操作均是基于自動化系統管理下完成的，按下自動化控制按鈕后，操作程序開始工作，具體的工作流程是：系統啟動自動化設置，各項設備按照系統設置順序進行啟動。首先是粗格柵機和清污機進入工作狀態，隨后開啟潛水提升泵;之后細格柵機隨之工作，曝氣沉沙裝置也投入運行。然后是污泥回流裝置;最后是污泥脫水機投入工作。各個設備的開啟和閉合是由控制器S7-300PLC監測各個傳感器的運行情況，并根據系統設置實行控制和管理。

4 組態軟件設計與功能實現

4.1 組態軟件下位機設計

4.1.1 預處理段PLC設計

（1）粗格柵的控制設計。粗格柵的功能是篩除污水中的大體積漂浮物。粗格柵機的開啟可使用手動方式或者自動控制方式，具體實現原理是在粗格柵機前后安裝超聲波液位計，通過對液位高度的監測，實現粗格柵機的開啟或關閉。通過對液位閾值的設置、運行時間設置、停止間隔時間設置，實現PLC的控制。

（2）細格柵的控制設計。細格柵相對于粗格柵，攔截的漂浮物體積更小，目的是避免細小的物體堵塞設備。實現的控制方式和粗格柵一樣，不同的是對于細格柵機的控制，是基于上位機的操作人員手動控制的。

（3）潛水提升泵的控制設計。粗格柵中的污水想要從提升泵房流入到細格柵池中時，需要利用提升泵將污水排進細格柵池中，因此需對每個提升泵進行PLC控制。根據設計需求泵房分別標注不同的液位，根據化工污水處理需求，控制各提升泵的工作狀態。在設計時要充分考慮泵和動力供電系統的使用壽命，合理設計提升泵的工作狀態，避免因反復啟停對提升泵造成的損害。

4.1.2 生化處理段PLC設計

該階段中的核心工藝是污水在曝氣池中的好氧反應，通過對化工污水中的有機污染物的氧化分解，達到水質提高的目的。其中對于好氧反應影響最大的就是溶解氧濃度，如果氧濃度過高或者過低產生的直接影響是活性污泥的吸附能力和絮凝性能力降低，從而影響氧化分解效果。因此，對于該階段的PLC設計對于溶解氧的控制變得極為重要。具體的控制設計方法是在曝氣池中安裝溶解氧含量檢測儀器，根據溶解氧含量的高低，控制鼓風機的使用，既能保證溶解氧的含量，又能起到降低成本的目的[4]。曝氣池控制流程圖如圖3所示。

通過對上圖的分析可以了解，曝氣池的液位決定了提升泵鼓風機和液下攪拌器的運行狀態。

4.1.3 后續處理段PLC設計

通過曝氣池后的水質得到了明顯的提升，主要是針對后期的污泥處理;再經過二沉池的處理后，利用提升泵轉入到臭氧催化氧化池后水質再次得到提升，在經過污泥脫水間的污泥處理后，進入污泥回流泵房。對于污泥處理PLC控制，通過控制儲泥池中的液位高度實現脫水機設備的運行狀態;另外通過對加藥罐中的液位高度檢測，以此確定高效絮凝劑的添加比例。

4.2 組態軟件上位機監控系統設計

上位機監控系統設計，實現了化工污水處理現場和控制室之間的網絡連接和數據傳輸，達到對各站點或設備的控制。通過監控系統觀察污水的處理情況，從而實現污水處理的自動化。

4.2.1 組態軟件結構設計

組態軟件結構包括控制層、監控層以及管理層。監控層在其中起到了承上啟下的作用，通過與管理層的連接向控制層發出命令，實現對系統的控制。

4.2.2 監控界面設計

（1）監控總界面。污水處理廠范圍內的所有操作流程都體現在界面當中;

（2）監控分畫面。對于相關的設備和工藝流程設計分畫面;

（3）報警界面。報警界面的設計，包含了安全事故發生的各項信息情況，方便快速進行處理;

（4）報表系統，圖表趨勢圖。該模塊的設計是將采集的數據信息進行存儲和整理，并通過表格或者圖形的形式展示在界面當中。

4.3 上位機功能實現

上位機主要功能包括：

（1）管理功能。通過上位機監控系統，可以對化工污水處理過程中的各項工藝實施管理，同時各項數據信息通過管理模塊顯示在系統界面中，以便于管理;

（2）控制功能。管理人員通過對相關指令的發送，實現對自動化系統的控制;

（3）通信功能。上位機通過對各個設備和分站點的網絡連接，實現對各站的信息傳達。

4.4 工藝控制顯示功能實現

該模塊的設計分為整體信息顯示、分屏信息顯示、趨勢發展顯示、圖形生成顯示、工藝流程顯示、參數情況顯示和工作狀況顯示。

4.5 數據處理功能實現

采集裝置收集到的數據信息，通過管理系統進行存儲和處理。該模塊的功能是通過將數據信息傳輸到自動控制系統中，系統通過計算得到相關的控制指令，從而實現了數據的處理。

4.6 設備運行參數監控功能實現

系統中的運行參數包括設備的開啟、運行的時間、液面的高度、溶解氧含量等相關參數，通過設置運行參數監控功能模塊，可對相關參數進行查詢[5]。

5 結語

化工污水處理自動化對于環境保護、節約能源、資源再生、降低生產成本和提高工作效率都具有重要意義。但是化工污水處理自動化還有很多問題需要進一步的深化研究，隨著科技的發展和進步，未來的化工污水處理自動化控制系統會更加的完善，從而實現節能減排的發展目標。

參考文獻

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[3]黃從慧. 分析污水處理廠自動化控制系統及控制功能實現[J]. 工程建設與設計，2020（21）：76-78.

[4]王有成. 城市污水處理廠污水提升泵站自動化控制系統分析與研究[J]. 城市住宅，2020，27（08）：235-236.

[5]張飛杰. 污水處理自動化控制系統的設計研究[J]. 科技風，2020（08）：157.