一種基于PLC的污水處理粗格柵池自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅洪霞

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483）

0 引言

隨著社會(huì)工業(yè)化、城市化及現(xiàn)代化的發(fā)展，每時(shí)每刻都會(huì)產(chǎn)生并排放大量的污水，污水處理已成為現(xiàn)代社會(huì)生活的必要組成部分，對(duì)于保護(hù)環(huán)境和維護(hù)公共衛(wèi)生具有至關(guān)重要的作用。污水處理的基本方法包括：物理處理、化學(xué)處理和生物處理。本文介紹的粗格柵池是一種污水的物理處理方法，主要利用粗格柵機(jī)械分離、沉淀、過濾等手段去除污水中的懸浮物和雜質(zhì)，這種方法被廣泛應(yīng)用于污水處理流程的初級(jí)處理。

PLC控制系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，不但能實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制，還能用于運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理和通信等[1-2]?；赑LC的污水處理粗格柵池自動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)化，提高污水處理效率，降低污水處理成本[3]。

1 粗格柵池控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污水處理粗格柵池控制系統(tǒng)由進(jìn)水水泵、粗格柵、格柵輸送機(jī)、電動(dòng)閘門、排水水泵等組成，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)過濾污水中的懸浮雜物，并將過濾后的水送入后續(xù)污水處理凈化池的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 粗格柵池控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 粗格柵池控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

粗格柵池系統(tǒng)功能如下：污水由進(jìn)水水泵抽入格柵池，粗格柵將污水中過濾出的雜質(zhì)輸送到格柵輸送機(jī)，格柵輸送機(jī)將雜質(zhì)輸送至指定區(qū)域。電動(dòng)閘門開度能夠根據(jù)格柵池和蓄水池兩側(cè)壓力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，粗格柵過濾后的污水通過電動(dòng)閘門流入蓄水池，再由排水水泵送入后續(xù)污水處理凈化池等。

具體運(yùn)行時(shí)，粗格柵池控制系統(tǒng)有兩種工作模式，分別為手動(dòng)模式、自動(dòng)運(yùn)行模式。手動(dòng)模式時(shí)，可單獨(dú)反復(fù)運(yùn)行各設(shè)備。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，排水水泵和粗格柵電機(jī)開始按照觸摸屏設(shè)定的額定速度運(yùn)行，電動(dòng)閘門開度按照觸摸屏設(shè)定的開度打開并保持，進(jìn)水水泵正轉(zhuǎn)，格柵輸送機(jī)低速運(yùn)行，直至按下停止按鈕后，整機(jī)停止。在自動(dòng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)可根據(jù)格柵池壓力傳感器1的壓力、蓄水池壓力傳感器2的壓力及格柵輸送機(jī)上雜質(zhì)的多少等實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)閘門的開度及格柵輸送機(jī)的速度等。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)功能的需要，進(jìn)水水泵M1采用三相異步電機(jī)；格柵輸送機(jī)M2采用雙速電機(jī)；排水水泵M3采用三相異步電機(jī)并由變頻器控制；為了精確控制開度的大小，電動(dòng)閘門M4采用伺服電機(jī)；粗格柵電機(jī)M5采用步進(jìn)電機(jī)。

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，由三臺(tái)PLC組成，其中一臺(tái)S7-1500為主站，兩臺(tái)S7-1200為從站，采用以太網(wǎng)的形式組網(wǎng)。電氣控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)組成

3.1 主站

主站采用西門子S7-1500系列PLC，型號(hào)為CPU 1511，采用新型的背板總線技術(shù)，具有優(yōu)越的性能，編程更加靈活；同時(shí)1500 CPU配置了即插即用型顯示板，可直接在顯示板上配置IP地址；可顯示故障診斷信息，方便快速查找排除故障，且具有優(yōu)化的故障診斷機(jī)制，在CPU處于STOP模式時(shí)，仍可保存故障和報(bào)警信息，使這些信息不丟失。S7-1500所有CPU集成兩個(gè)PROFINET接口，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信低成本快速組態(tài)。

系統(tǒng)組建時(shí)，主站的兩個(gè)PROFINET接口，一個(gè)連接觸摸屏，用于現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)交互；另一個(gè)連接工業(yè)交換機(jī)，用于主站和兩個(gè)從站之間進(jìn)行通信和控制等。也可以在交換機(jī)接口較多的情況下，觸摸屏直接連接交換機(jī)，這樣主站可預(yù)留一個(gè)PROFINET接口，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、后期系統(tǒng)擴(kuò)展等。

3.2 從站1

從站1采用西門子S7-1200系列PLC，型號(hào)為CPU 1212C AC/DC/RLY，從站1用于接收主站發(fā)來的指令、與主站和從站2進(jìn)行通信，控制進(jìn)水水泵M1、格柵輸送機(jī)M2和排水水泵M3，接收兩個(gè)壓力傳感器的信號(hào)等。

3.3 從站2

從站2采用西門子S7-1200系列PLC，型號(hào)為CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE40-0XB0，從站2用于接收主站發(fā)來的指令、與主站和從站1進(jìn)行通信，控制電動(dòng)閘門電機(jī)M4和粗格柵控制電機(jī)M5。

其中電動(dòng)閘門電機(jī)M4 為伺服電機(jī)，型號(hào)為Panasonic AC SERVO MOTOR MHMF022L1U2M。伺服驅(qū)動(dòng)器選用MINAS A5 系列，型號(hào)為Panasonic MADLN15SG，輸入電壓?jiǎn)蜗?三相交流200～240 V，采用位置控制方式。Pr0.01=0，Pr0.07=3，一圈脈沖數(shù)Pr0.08=2000。

粗格柵控制電機(jī)M5為兩相步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為Kinco 2S56Q-02054，步距角1.8°。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為Kinco 2M530。撥碼DIP1～DIP8設(shè)置為00011101，即一圈脈沖數(shù)為2000，靜態(tài)半流，輸出電流為1.8 A。

3.4 HMI

觸摸屏選擇昆侖通態(tài)MCGS TPC7022NI，7寸物聯(lián)網(wǎng)觸摸屏，不但可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，而且不需要專門的云平臺(tái)，可通過調(diào)試助手軟件直接連上遠(yuǎn)程的觸摸屏，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.5 從站2系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)組成中，從站2完成電動(dòng)閘門伺服電機(jī)和粗格柵步進(jìn)電機(jī)的控制，根據(jù)要求，接線如圖3所示。從站2為CPU 1212C DC/DC/DC，所以PLC的供電電源、輸入電源和輸出電源都是直流24 V，另外，Q0.0、Q0.1作為電動(dòng)閘門伺服電機(jī)的脈沖端和方向控制端，Q0.2、Q0.3作為粗格柵步進(jìn)電機(jī)的脈沖端和方向控制端。

圖3 從站2系統(tǒng)接線圖

4 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)有兩種工作模式：一種是手動(dòng)模式，可手動(dòng)調(diào)節(jié)各控制對(duì)象的動(dòng)作；另一種是自動(dòng)運(yùn)行模式。處于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，先在觸摸屏上設(shè)定排水水泵的額定速度、電動(dòng)閘門的額定開度、粗格柵電機(jī)的運(yùn)行額定速度，按下自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)按鈕，進(jìn)水水泵正轉(zhuǎn)，格柵輸送機(jī)低速運(yùn)行。在自動(dòng)運(yùn)行過程中，根據(jù)格柵池壓力傳感器檢測(cè)值（P1）和蓄水池壓力傳感器檢測(cè)值（P2）隨時(shí)調(diào)整閘門的開度，具體如下：

（1）當(dāng)P1＞1500 Pa且P2＞1200 Pa時(shí)，閘門開度維持為當(dāng)前值。

（2）當(dāng)P1≤1500 Pa且P2＞1200 Pa時(shí)，電動(dòng)閘門開度自動(dòng)減小，減小幅度=（1500 Pa-當(dāng)前壓力值）×0.03 mm，計(jì)算結(jié)果四舍五入取整，電動(dòng)閘門最小開度為5 mm；粗格柵電機(jī)以觸摸屏設(shè)定額定速度的1.5倍運(yùn)行。

（3）當(dāng)P1＞1500 Pa且P2≤1200 Pa時(shí)，電動(dòng)閘門開度自動(dòng)增大，增大幅度=（1200 Pa-當(dāng)前壓力值）×0.02 mm，電動(dòng)閘門最大開度為25 mm，排水水泵以1300 r/min的速度運(yùn)行，直至壓力大于1200 Pa時(shí)，恢復(fù)閘門開度為觸摸屏設(shè)定的額定開度，恢復(fù)排水水泵運(yùn)行速度至觸摸屏設(shè)定的額定速度。此功能不影響格柵電機(jī)和格柵輸送機(jī)的運(yùn)行速度。

（4）當(dāng)P1≤1500 Pa且P2≤1200 Pa時(shí)，電動(dòng)閘門開度根據(jù)（2）（3）的結(jié)果進(jìn)行疊加。

（5）在運(yùn)行過程中，如果雜質(zhì)的量多，則光電傳感器檢測(cè)有信號(hào)輸出，格柵輸送機(jī)高速運(yùn)行；直至光電傳感器信號(hào)消失，并延時(shí)2 s后恢復(fù)至低速運(yùn)行。

（6）在任何運(yùn)行時(shí)刻，浮球高水位計(jì)得電時(shí)，觸摸屏彈出警告界面，顯示“進(jìn)水泵房水位過高”，并使排水水泵以1300 r/min的速度持續(xù)運(yùn)行5 s，5 s后如浮球高水位計(jì)沒有恢復(fù)至失電狀態(tài)，觸摸屏警告界面消失，自動(dòng)運(yùn)行模式故障指示燈亮，報(bào)警窗口顯示“進(jìn)水泵房水位過高保護(hù)”。系統(tǒng)所有電機(jī)停止運(yùn)行，電動(dòng)閘門保持在當(dāng)前位置，待浮球高水位計(jì)失電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕恢復(fù)運(yùn)行。

（7）在任何運(yùn)行時(shí)刻，浮球低水位計(jì)得電時(shí)，觸摸屏彈出警告界面，顯示“進(jìn)水泵房水位過低”，并使排水水泵以500 r/min的速度持續(xù)運(yùn)行5 s，5 s后如浮球低水位計(jì)沒有恢復(fù)至失電狀態(tài)，觸摸屏警告界面消失，自動(dòng)運(yùn)行模式故障指示燈亮，報(bào)警窗口顯示“進(jìn)水泵房水位過低保護(hù)”。系統(tǒng)所有電機(jī)停止運(yùn)行，電動(dòng)閘門保持在當(dāng)前位置，待浮球低水位計(jì)失電后，按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕恢復(fù)運(yùn)行。

（8）在運(yùn)行過程中需要停止時(shí)按下停止按鈕，或系統(tǒng)發(fā)生緊急事件旋轉(zhuǎn)急停按鈕，系統(tǒng)立即停止（所有電機(jī)立即停止），待事件處理完畢，按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文以西門子PLC為控制中心設(shè)計(jì)了污水處理的粗格柵池自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠根據(jù)污水處理池的實(shí)時(shí)情況隨時(shí)調(diào)整各被控對(duì)象，提高污水處理效率，降低污水處理成本。

隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，污水處理技術(shù)也在不斷發(fā)展和改進(jìn)。我們期待更加高效、環(huán)保的污水處理技術(shù)出現(xiàn)，為保護(hù)環(huán)境和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。同時(shí)，每個(gè)人也應(yīng)該從自身做起，減少用水，減少排放，為環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)自己的力量。