基于PLC的自動化控制系統在污水處理中的應用

摘 要：隨著我國經濟社會的不斷發展，污水處理已經成為城市發展中的一大問題。現從自動化控制的角度，分析污水處理的實際需求，通過自動化技術，解決了污水處理過程中可視化程度低、人員效率低、費用高等問題。

關鍵詞：污水處理；自動化；PLC

中圖分類號：TP273+.5? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0009-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.003

0? ? 引言

隨著經濟社會的不斷發展，我國境內一半以上的河流都受到了較為嚴重的污染，而城市化則加快了這一進程。目前，城市水域的污染已經超過90%，且水污染的趨勢仍在不斷加快，原來只是地表水污染，現在污染也加速往地下滲透[1]。傳統的污水處理廠以繼電器控制為主，但繼電器控制系統存在體積大、能耗高、費用高、可移植性差等缺點，一旦改變系統設計，就必須對控制器進行重新設計，大大增加了人力、物力的消耗。而可編程控制器（PLC）能很好地實現系統的安全性、穩定性、經濟性以及靈活性[2-3]，因而現在被廣泛應用于自動化控制系統中。

1? ? 系統總體設計目標

1.1? ? 主要組成

整個自動化控制系統包括可編程控制器、計算機、監控端及現場的各類儀器儀表，其中可編程控制器是整個控制系統的核心，它與計算機設定的控制程序確定了系統運行的相關程序、工藝標準等，同時可以根據實際需求，自動或手動控制相關設備運行。現場的相關設備在運行過程中，將數據實時反饋到可編程控制器、相關計算機設備中進行顯示及控制。

1.2? ? 工作原理

根據城市污水處理的需求，將整個控制系統分為現場控制系統及監控室控制系統兩部分，二者均能實現對現場設備的控制，包括開啟格柵機，實現對污水中垃圾的攔截；調節池污水水位監測，即系統根據水位情況，給出一個或兩個控制信號，控制一個或兩個水泵的運行，從而降低調節池中水位高度，確保水位運行在安全線內。污泥池污泥提升泵、事故池提升泵等也是通過采集相關浮球信息，根據浮球信號實現自動控制，也可以根據用戶給出的指令來控制設備的運行。其他設備如吸附風機、鼓風機、混合液回流泵等可以根據用戶發出的指令控制其運行開始/結束時間、運行時長等。

另外，系統需要采集現場余氯、水位、流量等傳感器信息，在各操作界面上實時顯示傳感器收集到的信息，同時顯示污水處理現場各設備運行參數信息，當設備出現故障報警時，能實現遠程報警并在各程序上記錄報警信息，包括設備信息、故障或警報時間等，從而保障設備的正常運轉。

2? ? 硬件設備

本系統的核心器件選用西門子S7-200 SMART PLC，它具有以太網口，用戶可直接通過網線讓計算機與PLC連接，方便用戶下載調試程序，同時，通過網線它還能夠快速和其他HMI、計算機等進行通信，且它集成了部分庫文件，在編程過程中可以直接調用。在電控柜表面嵌入觸摸屏顯示相關參數信息并控制設備，用戶只需點擊屏幕上的文字或圖標就能進行操作，這是一種非常方便的人機交互模式。它支持以太網通信，也支持RS232/422/485通信，可以實現HMI與HMI、HMI與PLC之間的通信，用戶可以根據需求選擇通信方式。另外，因需帶動大型電機設備，所以要配備變頻器，變頻器可根據實際工作設備、工作環境進行設置，能夠降低電機功耗，還能對電機進行調速，可以設置電機的軟啟動及軟停止，也就是在啟動與停止時，頻率、電流、電壓平穩變化，電機不至于直接承受大電流的直接沖擊，這將大大降低電機等設備的維修維護成本。主要材料清單如表1所示，系統整體構架如圖1所示。

3? ? 程序設計

軟件系統是整個PLC系統設計的核心，它與觸摸屏軟件、計算機組態系統聯動，共同監控各種設備的運行。根據實際需求，整個系統中，需要控制的設備包括機械格柵、污水提升泵、潛水攪拌機、鼓風機、混合液回流泵、污泥提升泵、疊螺脫水機、二氧化氯發生器、污水消毒系統、事故提升泵、變頻器等，并需實現余氯在線檢測、水位檢測以及流量檢測。

3.1? ? 各設備的工作模式

在格柵井中配備機械格柵，對污水中的雜物進行過濾，防止垃圾堵塞水泵，用戶可以通過觸摸屏、計算機組態端設定機械格柵的自動啟動和關閉時間。

調節池內設兩個污水提升泵，通過內部兩個浮球的得失電來控制污水提升泵的工作，為了保護設備，每次低浮球得電，兩個污水提升泵輪換工作。若高浮球浮起接通得電，則意味著調節池水位很高，此時需要同時啟動兩個污水提升泵以便盡快排出污水。如果兩個污水提升泵同時工作超過設定時間后，高浮球仍然是得電狀態，則表明進水量過大或設備出現故障，此時系統進行報警提示，提醒用戶到現場排除故障，若無問題則取消報警。

厭氧池中有兩臺潛水攪拌機，它們與污泥池中污泥提升泵聯動工作，當污泥提升泵運行時，對應的潛水攪拌機也工作，直至系統設定時間結束后自動關閉。

接觸氧化池包含鼓風機和混合液回流泵。池中配鼓風機兩臺，該設備需長期運行，運行時，一臺鼓風機工作一定時長后就切換到另一臺繼續工作，做到一備一用，防止設備因持續工作導致故障。混合液回流泵則是根據污水提升泵的工作情況自動運行，當污水提升泵運行時，混合液回流泵自動運行，設定時間結束后自動關閉。

沉淀池中，因污泥提升泵功率過高，采用PLC控制變頻器啟停，再由變頻器外接污泥提升泵，用戶在觸摸屏或計算機組態程序中可以設定運行時間，也可以直接通過設置變頻器工作狀態控制其運行，將污泥從沉淀池抽至污泥池。

污泥池中，配備兩臺用于排放污泥的提升泵，每次污泥池浮球得電時，兩臺提升泵切換工作，若一臺污泥提升泵運行10 min后浮球仍然得電，則將另一臺污泥提升泵一起打開，若兩臺污泥提升泵同時工作一定時間后仍然得電，則表明進污泥量過大或者設備出現故障，系統發出報警提示，提醒用戶到現場排除故障，若無問題則取消報警。污泥提升泵浮球得電時，疊螺脫水機也同步運行。

接觸消毒池中，主要有臭氣引風機、二氧化氯發生器、活性炭吸附塔以及相關加藥泵等設備。當污泥提升泵工作時，打開污水消毒系統，關閉時，延時關閉污水消毒系統。二氧化氯發生器在污水提升泵工作一定時間后啟動，當污水提升泵關閉時，二氧化氯發生器也同步關閉。

事故池提升泵則在池中浮球得電且調節池中低浮球不得電時打開，當高浮球得電或事故池浮球掉電時，關閉事故池提升泵。

吸附風機也通過系統設置運行時間，將內部異味氣體吸附進管道，經活性炭吸附塔后排出。系統還要對余氯濃度、水位高度以及水流量進行監測。

3.2? ? PLC軟件編程

PLC模塊由CPU主機為SR20的PLC、一個16路輸出的數字量輸出模塊EM QT16、一個4路輸入的模擬量輸入模塊EM AE04組成。在創建工程后，需要對PLC信息進行配置，在最左側的工具列表里選中系統塊開始配置系統信息，包括CPU的選擇、數字量輸出、模擬量輸入輸出模塊等，最后對以太網端口進行配對。系統如圖2所示。

因為本系統較大，若采用單一程序設計難度較大，所以采用模塊化編程方式，將整個系統根據功能不同分割成不同的模塊，每個模塊做成子程序。每個子程序均可由主程序控制，這樣操作利于整個程序的控制、修改以及維護。

主程序直接控制各功能模塊，急停按鈕通過I0.0接入，各設備正常工作，當拍下急停按鈕時，系統掉電，所有程序塊停止工作，進而達到設備急停的目的。

需要設計的程序塊包括“時鐘子程序” “定時啟動子程序” “數值轉換子程序” “自動子程序”以及“變頻器子程序”。

“時鐘子程序”用于系統時間的讀取。在整個系統中，部分污水處理設備需要在某個固定的時間啟動或停止，這時就要對PLC的時鐘進行設置，讓其與計算機進行通信，從而讀取計算機中的時間。

“定時啟動子程序”用于設備的定時啟動和關閉，當設置的時間到達時，系統自動開啟設備，運行一段時間后根據系統設定時間自動關閉設備，機械格柵、沉淀池中污泥提升泵、吸附風機、鼓風機等設備都是通過定時啟動子模塊進行設置的。

“數值轉換子程序”用于進行數值轉換，因為觸摸屏、計算機組態王等組態設備輸入時間只能顯示到分鐘，而PLC中的定時器無法直接計算分鐘，故而需要對其進行數值轉換，將組態設備輸入的時間數值進行放大后變成PLC可識別的數據。

“自動子程序”則是根據系統中的各外部信號進行自動控制，包括污水泵、潛水攪拌機、污泥提升泵、疊螺脫水機等設備都是根據浮球以及其他設備的運行情況進行自動控制。

“變頻器子程序”則是用于PLC與變頻器之間的通信程序，它們之間采用Modbus RTU通信協議。初始設置時，需要給其定義3個位地址作為變頻器的啟動、停止、頻率設置選項，再進行程序的編寫。

3.3? ? 觸摸屏組態設計

觸摸屏采用集成化的顯控觸摸屏，它自帶組態開發軟件，方便用戶直接進行設計，設計完后可以通過網絡或USB接口直接將項目下載到觸摸屏內部。根據實際運行需求，需要對觸摸屏進行頁面設置，分別設計進入頁面、主頁面、參數頁面、警報頁面以及變頻控制頁面。設計完所有頁面，保存后可以進行離線模擬，測試部分設備、畫面按鈕的功能。

3.4? ? 組態王軟件設計

計算機端組態王軟件設計即上位機程序的設計，通過該設計，用戶不用出現在污水處理現場，在監控室就可以通過計算機監控系統運行狀態。特別需要注意的是，在新建工程后需要對地址進行設置，該地址必須和PLC中的地址一致。在完成端口設置及數據詞典設置后，即可進行頁面設置，設置頁面與觸摸屏中的一致，包括進入頁面、主頁面、參數頁面、警報頁面以及變頻控制頁面。

4? ? 調試及總結

硬件系統和軟件系統搭建好后，需要先對每個子系統進行測試，整個系統需整合后進行聯調，從而驗證其能否高效、平穩、安全地運行。分別測試各設備通過觸摸屏和組態王軟件設置時間后的定時啟動、停止功能，均能正常啟停，污水泵、污泥提升泵等設備也都能根據浮球情況正常運行，變頻器運行正常，設備也能根據實際情況實現報警功能，各模塊軟硬件均符合預期設計要求，達到了控制效果。

自動化系統的設計運行為污水處理廠的運營帶來了極大的方便，用戶不需要一天24 h都在設備房中，在監控室等場所就能掌握污水處理站運行狀況，既提高了監控效率，同時也大大降低了生產成本。

[參考文獻]

[1] 陶崟峰.水環境監測及水污染防治探究[J].資源節約與環保，2022（2）：60-62.

[2] 袁媛，姚永衛，崔嵬，等.基于物聯網的污水處理監測系統研究與設計[J].黑龍江科學，2020，11（12）：110-111.

[3] 耿嘉偉，譚學軍，朱仕坤，等.農村分散污水處理設施遠程監控與信息管理系統設計[J].中國給水排水，2015，31（2）：70-72.

收稿日期：2024-01-17

作者簡介：吳海明（1989—），男，福建廈門人，碩士，講師，研究方向：物聯網及自動控制技術。