基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧宇輝

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 200437；2.上海市高級(jí)技工學(xué)校，上海 200437）

水質(zhì)污染、水源浪費(fèi)、水資源未循環(huán)利用等一系列減少可飲用水的現(xiàn)象，主要在于重工業(yè)的排污方面，這是造成水污染的主要原因，也是直接影響水質(zhì)的重要因素。目前，較發(fā)達(dá)國家和發(fā)達(dá)國家在污水的處理方面下了很大的功夫，并且盡可能地實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。我國在各大城市建立了污水處理站，專門針對水質(zhì)污染進(jìn)行處理，盡量做到水的二次循環(huán)利用。數(shù)據(jù)顯示，每日這些污水處理站需要實(shí)現(xiàn)幾十噸乃至上百萬噸的污水凈化，而且不僅僅是凈化，還需要滿足人們對用水的正常要求，為此，國家專門設(shè)置了污水處理的硬性指標(biāo)，并且在能夠承受的范圍內(nèi)排放污水，盡可能地降低對生態(tài)環(huán)境的影響，減小水污染帶來的不良影響。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一套污水處理控制系統(tǒng)，以對污水處理控制系統(tǒng)后續(xù)的研發(fā)提供參考。

1 污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本方案將PLC控制的處理系統(tǒng)作為核心系統(tǒng)，針對系統(tǒng)中的工藝以及控制情況進(jìn)行分析對比。所設(shè)計(jì)的污水自動(dòng)控制系統(tǒng)主要分成兩個(gè)部分，一是控制系統(tǒng)，二是硬件以及軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用PLC進(jìn)行控制，代替常規(guī)的控制系統(tǒng)，根據(jù)其他的檢測方式，對于水質(zhì)進(jìn)行檢測與分析。隨后將數(shù)據(jù)以某種形式傳送給PLC，接著運(yùn)算水質(zhì)的信號(hào)。外面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也需要同時(shí)工作，在保證水質(zhì)合格的同時(shí)還要進(jìn)行調(diào)整。通過這種方式能完全實(shí)現(xiàn)污水自動(dòng)化處理，當(dāng)水質(zhì)情況超過安全的范圍就會(huì)發(fā)出警報(bào)聲，這時(shí)就要進(jìn)行排放出水。這是本設(shè)計(jì)中最大的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)具有多種處理方法，可對不同的情況做出不同的處理，以達(dá)到改善水質(zhì)的目的，提高水的使用率。污水處理系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程圖

2 污水處理系統(tǒng)的構(gòu)成

1）中水進(jìn)水泵：污水處理的進(jìn)水泵可將從工廠或者生活中排放的污水收集到調(diào)節(jié)池中。

2）調(diào)節(jié)池：調(diào)節(jié)池可對水質(zhì)進(jìn)行檢測和調(diào)節(jié)，通過測試污水水質(zhì)的pH值，來進(jìn)行相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)池也起到控制污水水位的作用，可使污水處理量保持在有效范圍內(nèi)，使控制系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)。

3）好氧池：通過控制曝氣機(jī)來使液體具有足夠的含氧量，更好地對污水進(jìn)行二次處理，盡快使污水進(jìn)行分解有機(jī)物質(zhì)的步驟。對比其他控制來說，好氧池控制部分極其重要，且操作最為復(fù)雜。

4）過濾器：可過濾液體中不易被肉眼觀察到的微小顆粒和雜質(zhì)，將處理好的污水進(jìn)行過濾，篩除雜質(zhì)，反復(fù)對液體進(jìn)行過濾和反洗步驟。并利用石英砂和活性炭材質(zhì)吸收液體中的有害物質(zhì)，對污水進(jìn)行徹底清洗。

5）消毒池：過濾后的水還不能直接使用，要經(jīng)過消毒池進(jìn)行藥物消毒后才能符合用水要求，添加藥物消毒可殺死水質(zhì)中的細(xì)菌和微生物等有害物質(zhì)，以達(dá)到國家用水標(biāo)準(zhǔn)。

6）儲(chǔ)水池：此時(shí)污水處理已基本完成，最后只要將處理好的水進(jìn)行集中儲(chǔ)存，方便之后的調(diào)用，即整個(gè)污水處理控制過程結(jié)束。

3 污水處理控制系統(tǒng)的硬件選擇

污水處理控制系統(tǒng)硬件的選擇主要是對核心硬件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，包括PLC硬件的選擇、液位傳感器的選擇、PLC程序設(shè)計(jì)。控制核心為PLC硬件和采集信息的傳感器，最終用于實(shí)際的現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備[1]。

PLC控制系統(tǒng)：PLC適用范圍較廣，主要用于循環(huán)掃描、集中輸出，由外部信號(hào)和內(nèi)部程序按順序有序進(jìn)行運(yùn)行處理，且運(yùn)行結(jié)果信息并不會(huì)被及時(shí)處理，而要先存放在存儲(chǔ)器單元，必須執(zhí)行完最后一步，系統(tǒng)才會(huì)對信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理。從目前形式來看，PLC按規(guī)模可分為大、中、小型。大、中型PLC采用模塊分化式分布，以CPU為核心部件對模塊進(jìn)行相關(guān)拓展，并對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，針對實(shí)際情況加載相關(guān)控制模塊；小型PLC采用主機(jī)CPU和I/O模塊集中控制，由于I/O模塊主體規(guī)模不大，所以可通過拓展模塊進(jìn)行拓展控制，裝載數(shù)據(jù)模塊由PLC類型和現(xiàn)場實(shí)際情況決定。就以上問題考慮，本設(shè)計(jì)決定使用小型PLC控制，選擇西門子S7-200 CPU226型PLC，如圖2所示。

圖2 西門子S7-200 CPU226型PLC

液位檢測傳感器：由于本設(shè)計(jì)需對調(diào)節(jié)池和儲(chǔ)水池進(jìn)行液位監(jiān)控控制，調(diào)節(jié)池液位信號(hào)應(yīng)與pH值調(diào)節(jié)泵連接使用。所以在調(diào)節(jié)池水位超過上限值時(shí)，供水系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行，并測量污水池的pH值，計(jì)算出需要添加的pH值調(diào)節(jié)劑劑量，實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)調(diào)節(jié)污水池pH值。

浮球液位傳感器由檢測單元和轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，檢測單元由連桿、浮球裝置組成，連桿內(nèi)部裝有感磁元件，浮球內(nèi)裝有磁性元件。液位發(fā)生改變時(shí)，浮球位置也改變，當(dāng)液位到達(dá)設(shè)定量時(shí)，連桿內(nèi)的彈簧感磁閉合，內(nèi)部電阻也隨之變化，這時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元將數(shù)值轉(zhuǎn)換成適合儀器使用的電壓/電流數(shù)值（1 V~10 V/4 mA~20 mA），浮球液位傳感器可適用于很多液體檢測場合。浮球液位傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 浮球液位傳感器

本設(shè)計(jì)所使用的液位檢測傳感器使用DC24 V電源供電，信號(hào)為4 mA~20 mA輸出，浮球?yàn)镾U304不銹鋼材質(zhì)，抗腐蝕性好，檢測差距在±5 mm范圍內(nèi)，測量液位在200 mm范圍內(nèi)，垂直安裝在容器內(nèi)，溶液濃度保持在0.015 paS內(nèi)。

變頻器是通過電子元件的工作狀態(tài)將不可調(diào)交流電變?yōu)榭烧{(diào)直流電的工作器件，通常由主電路以及控制帶電路構(gòu)成，主電路由異步電機(jī)VF電源直接供電，通過控制電路的電壓、電流、輸出功率來控制相應(yīng)指令，從而得到外部操作指令信息。在一些較復(fù)雜電路或者要求較高調(diào)速的情況下，為預(yù)防逆變電路發(fā)生過載現(xiàn)象，使用者可對變頻器主電路、保護(hù)電路進(jìn)行測試，防止由過電流/過電壓造成的器件損壞，起到保護(hù)電路、電動(dòng)機(jī)、變頻器等的作用。本設(shè)計(jì)選擇西門子MM440系列變頻器，MM440實(shí)物圖如圖4所示。西門子MM440是針對功能要求高和靈活性較好的場合設(shè)計(jì)的變頻器，使用范圍較廣，為防止負(fù)載在運(yùn)行時(shí)發(fā)生改變，采用矢量控制來保持信號(hào)的穩(wěn)定性。MM440具有高速運(yùn)行的輸入特性和減速定位功能，可在沒有編碼器的情況下準(zhǔn)確定位到位置，且驅(qū)動(dòng)電路功率較大，最高能達(dá)到250 kW（350 P），最低能達(dá)到0.12 kW（0.16 P）。

圖4 MM440實(shí)物圖

4 污水處理控制系統(tǒng)的I/O設(shè)計(jì)

對PLC污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮制作成本低、結(jié)構(gòu)簡潔、制作簡單等方面，整體設(shè)計(jì)思路首先要對輸入輸出端進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制I/O分配表，根據(jù)表格確定完整的設(shè)備原理圖，并進(jìn)行合理的硬件原理圖設(shè)計(jì)。

1）輸入端設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)考慮到發(fā)生緊急事件時(shí)，可通過按下急停按鈕立刻中斷系統(tǒng)運(yùn)行，起到安全保障作用，因此設(shè)有切換按鈕，可自動(dòng)切換運(yùn)行狀態(tài)。該控制系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)，還設(shè)有在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)立即啟動(dòng)和停止按鈕，方便系統(tǒng)操作；當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備手動(dòng)控制系統(tǒng)啟停、進(jìn)水泵啟停、pH值調(diào)節(jié)泵啟停、過濾器啟停、消毒啟停等。同時(shí)系統(tǒng)還具備檢測調(diào)節(jié)池和蓄水池液位功能，利用液位傳感器檢測調(diào)節(jié)池的pH值。污水控制系統(tǒng)的I/O分配表如表1所示。

表1 輸入分配表

2）輸出端設(shè)計(jì)：PLC的輸出端主要接外部負(fù)載設(shè)備，如運(yùn)行狀態(tài)指示燈、系統(tǒng)故障燈、進(jìn)水泵接觸器、pH值調(diào)節(jié)泵接觸器、消毒泵接觸器、過濾接觸器等。根據(jù)系統(tǒng)控制要求設(shè)計(jì)PLC輸出分配表，如表2所示。

表2 輸出分配表

3）動(dòng)力回路控制：本設(shè)計(jì)電路主要由6臺(tái)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)電壓為380 V，且QF0為系統(tǒng)的供電電路的總控制開關(guān)，起到短路保護(hù)作用；每組回路都具有對應(yīng)的斷路器元器件，起到過載保護(hù)和短路保護(hù)等作用；每組回路還具有相應(yīng)的熱繼電器元器件，用來控制運(yùn)行電流在額定電流范圍內(nèi)，當(dāng)運(yùn)行電流大于額定電流時(shí)，熱繼電器受熱變形，觸點(diǎn)斷開同時(shí)使該電路斷電。電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行由接觸器控制，當(dāng)接觸器線圈通電時(shí)，該回路接通，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，不同的接觸器對應(yīng)不同的PLC輸出端。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于控制pH值調(diào)節(jié)泵和運(yùn)行狀態(tài)的變換，系統(tǒng)主電路回路設(shè)計(jì)如圖5所示[2]。

圖5 主電路回路

4）PLC回路設(shè)計(jì)：本設(shè)計(jì)選用西門子S7-200系列的PLC控制，選擇型號(hào)為226CN-AC/DC的繼電器控制，供電電壓為220 V交流電和24 V直流輸出電源，PLC輸出端為繼電器輸出，RSP為急停按鈕，SA為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換按鈕，SB1~SB10為輸入端按鈕，F(xiàn)R1~FR7為熱繼電器觸點(diǎn)，KM1~KM5為接觸器觸點(diǎn)線圈，HL1~HL2為系統(tǒng)指示燈。PLC回路單元電路圖如圖6所示。通過PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)制造過程的統(tǒng)一控制，不但提高了準(zhǔn)確度，還提高了生產(chǎn)效率[3-4]。

圖6 PLC回路單元電路圖

5 污水處理系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)

為方便PLC編程的設(shè)計(jì)，在確定污水處理系統(tǒng)的程序之前，要設(shè)計(jì)出PLC的工作流程，如圖7所示。該控制系統(tǒng)分為手動(dòng)/自動(dòng)模式，具有啟停控制、選擇分支控制等。

圖7 PLC工作流程圖

1）控制選擇與啟停：污水處理程序的控制選擇與啟停程序段如圖8所示，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)切換。由程序可知，若想要系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)確保I0.1為接通狀態(tài)；當(dāng)I0.1為斷開狀態(tài)時(shí)，程序?yàn)槭謩?dòng)控制狀態(tài)。按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，I0.2通電，M0.0接通，系統(tǒng)為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，按下停止按鈕，改變運(yùn)行方式，M0.0斷開，停止自動(dòng)運(yùn)行[5]。

圖8 控制選擇與啟停程序段

2）調(diào)用子程序：M0.0得電時(shí)執(zhí)行程序才會(huì)調(diào)用，且只在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下才會(huì)啟動(dòng)。水泵和pH值調(diào)節(jié)泵子程序調(diào)用程序段如圖9所示。

圖9 水泵和pH值調(diào)節(jié)泵子程序調(diào)用程序段

6 寫入程序調(diào)試

為確保系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行，本設(shè)計(jì)決定采用仿真軟件對PLC程序進(jìn)行仿真調(diào)試，強(qiáng)制給PLC輸入量，達(dá)到設(shè)計(jì)目的要求。經(jīng)調(diào)試后，證明PLC程序無誤，符合工藝要求。程序調(diào)試如圖10所示，打開L0.0、L0.3、L0.4、L0.5、L0.6、L0.7、L1.0、L1.1、L1.2電磁閥讓Y0、Y1、Y2啟動(dòng)，自動(dòng)打開水泵使污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，打開pH值調(diào)節(jié)泵和曝氣機(jī)對污水進(jìn)行加工處理。經(jīng)過測試，本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 程序調(diào)試

7 總結(jié)

一般對污水的處理包含了厭氧、好氧兩個(gè)階段，通過這兩個(gè)階段的處理，能夠?qū)⑽鬯袠O少數(shù)的碳水化合物和較多的可燃?xì)怏w提取出來，并且根據(jù)其他工藝進(jìn)行回收再利用，這樣就能做到循環(huán)利用水資源。該控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，還能自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)并修改相關(guān)數(shù)據(jù)，已達(dá)到設(shè)計(jì)目的。