自來(lái)水廠污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘 要：針對(duì)自來(lái)水廠污水處理尚未完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的現(xiàn)狀，文章結(jié)合PLC技術(shù)和以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了自來(lái)水廠污水處理的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的功能和以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選型，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)層次架構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討，對(duì)于進(jìn)一步提高污水處理的自動(dòng)化控制水平具有較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：污水處理；PLC；自動(dòng)控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：X7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）6-0005-02

自來(lái)水生產(chǎn)過(guò)程中，沉淀池排泥、濾池沖洗等工藝會(huì)產(chǎn)生大量污水。過(guò)去，通常對(duì)這些污水做直接排放處理。隨著環(huán)保要求的提高，以及水資源成本的不斷增加，越來(lái)越越多的水廠建立了污水處理系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的污水進(jìn)行回收利用，污水處理的流程如圖1所示。根據(jù)筆者的調(diào)研，我國(guó)目前超過(guò)半數(shù)的城市自來(lái)水廠的污水處理都依賴于觀察法，依靠工人手動(dòng)調(diào)節(jié)，很難實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化處理。污水處理不能完全自動(dòng)化，一方面降低了污水處理的效率，造成了水資源不能充分利用；另一方面也容易對(duì)自來(lái)水廠供水的水質(zhì)造成影響。

鑒于此，本文集中探討污水處理的自動(dòng)化處理技術(shù)，以PLC技術(shù)為載體設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化處理控制系統(tǒng)，以期能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理的全過(guò)程自動(dòng)化，并以此和廣大自動(dòng)化控制同行分享。

1 基于以太網(wǎng)的污水自動(dòng)處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

基于以太網(wǎng)的自來(lái)水廠污水自動(dòng)處理控制系統(tǒng)，其主要功能包含以下幾個(gè)方面。

1.1.1 污水處理工藝監(jiān)測(cè)

污水處理是一套復(fù)雜的工藝過(guò)程，要實(shí)現(xiàn)污水處理質(zhì)量達(dá)標(biāo)，就必須要對(duì)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如對(duì)含泥量、加藥量、脫水機(jī)運(yùn)行等工藝過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

1.1.2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

污水處理需要眾多機(jī)電裝備的運(yùn)行，需要整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括設(shè)備的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

1.1.3 遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)管理

包括遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)調(diào)度機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制污水處理工藝以及遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)污水處理水質(zhì)等全過(guò)程自動(dòng)化管理。

1.1.4 系統(tǒng)故障管理

自來(lái)水污水處理自動(dòng)控制管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的智能性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)故障定位，并給出可能的故障原因以及故障解決建議。

1.1.5 數(shù)據(jù)管理

污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)要能夠自動(dòng)記錄污水處理的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括原料的耗用情況，水質(zhì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及各個(gè)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行功率、投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)等。

1.1.6 安全管理

污水自動(dòng)控制系統(tǒng)支持安全預(yù)警機(jī)制，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警，并切斷系統(tǒng)的運(yùn)行，保證生產(chǎn)車間的安全運(yùn)行。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于污水自動(dòng)處理控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的可靠性具有重要影響。目前主要有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

1.2.1 總線型

總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，組網(wǎng)成本低；但是總線型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)故障診斷較為困難。

1.2.2 網(wǎng)型

網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性較好，可靠性非常高，但是組網(wǎng)成本非常高昂，后期管理維護(hù)成本較高。

1.2.3 環(huán)型

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)成本低，同時(shí)后期維護(hù)成本較低，對(duì)組網(wǎng)空間距離不敏感。

綜上所述，自來(lái)水廠污水處理控制系統(tǒng)適合采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，并且遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)性較好，易于后期功能的擴(kuò)展升級(jí)。

2 污水處理自動(dòng)控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式

基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，目前主要有兩種系統(tǒng)模式，分別是B/S模式和C/S模式。

2.1.1 B/S模式

所謂B/S模式，就是瀏覽器/服務(wù)器模式，這種模式無(wú)需開發(fā)專用人機(jī)交互軟件，借助于瀏覽器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，但是服務(wù)器負(fù)荷較大。

2.1.2 C/S模式

所謂C/S模式，就是客戶端/服務(wù)器模式，需要專門設(shè)計(jì)的人機(jī)交互軟件，開發(fā)工作量較大，但是大大減輕了服務(wù)器的負(fù)荷，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所提高。

鑒于上述兩種系統(tǒng)模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，本自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用兩種模式的結(jié)合模式，即系統(tǒng)前端借助瀏覽器實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以此減輕整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作量；同時(shí)系統(tǒng)后臺(tái)增加一臺(tái)服務(wù)器，用于程序的響應(yīng)與控制，將數(shù)據(jù)集中在另一臺(tái)服務(wù)器上，這樣既可以減輕服務(wù)器的負(fù)荷，同時(shí)又提高了系統(tǒng)的健壯性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 系統(tǒng)硬件電氣設(shè)計(jì)

基于PLC的污水自動(dòng)處理控制系統(tǒng)，最主要的硬件就是PLC，這里選用以可靠性高出名的西門子S7-200系列PLC，核心CPU選用S7-224，該CPU具有14個(gè)數(shù)字量輸入和10個(gè)數(shù)字量輸出，能夠滿足中小型污水處理的應(yīng)用需求。

除了選擇PLC外，還需要設(shè)計(jì)配電柜，選擇熔斷器、空氣開關(guān)等電氣設(shè)備，將配電柜安置在污水處理設(shè)備車間內(nèi)，通過(guò)環(huán)型以太網(wǎng)組網(wǎng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)底層機(jī)電設(shè)備與控制器的聯(lián)網(wǎng)。

關(guān)于主電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)考慮到污水處理的日產(chǎn)量，以及實(shí)際的電機(jī)數(shù)量、水泵數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。通常主電氣回路使用交流接觸器KM1、KM2、KM3分別接回流泵、風(fēng)機(jī)和進(jìn)水泵，以此構(gòu)成污水處理的閉環(huán)控制。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，主要從以下三個(gè)層次進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3.1 傳感器檢測(cè)層

傳感器檢測(cè)主要布置在最低層，也就是直接利用傳感器檢測(cè)污水處理設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)，利用傳感器采集到的數(shù)據(jù)對(duì)污水處理的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理工藝的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

傳感器將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用環(huán)型以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，傳輸給PLC控制器。環(huán)型以太網(wǎng)采用光纖結(jié)構(gòu)布置，在提高網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性的同時(shí)也能夠提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

2.3.3 PLC控制器

PLC控制器的主要任務(wù)是接收來(lái)自底層傳感器傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分類分析和計(jì)算整理，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送給頂層——數(shù)據(jù)信息管理層。

2.3.4 數(shù)據(jù)信息管理層

數(shù)據(jù)信息管理層主要是通過(guò)基于windows系統(tǒng)開發(fā)的可視化人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的顯示、存儲(chǔ)、分析和打印等需求；另一方面，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛘邫C(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，該控制中心也能夠發(fā)出報(bào)警，同時(shí)依靠專家系統(tǒng)給出故障診斷結(jié)論和建議。

以狀元水廠污水處理系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)如下：系統(tǒng)設(shè)一PLC主站和遠(yuǎn)程IO子站，采用施耐德Quantum系列PLC，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)操作員站負(fù)責(zé)所有設(shè)備的監(jiān)控。PLC主站通過(guò)光纖冗余MB+環(huán)網(wǎng)連接至控制主網(wǎng)。PLC主站、遠(yuǎn)程IO子站以及現(xiàn)場(chǎng)單元之間通過(guò)MB+協(xié)議實(shí)現(xiàn)通訊，如圖2所示。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要包含兩個(gè)方面。

2.4.1 PLC程序的設(shè)計(jì)

PLC 的程序設(shè)計(jì)主要是利用梯形圖進(jìn)行程序開發(fā)。由于選用的是西門子的S7-200系列的PLC，因此在程序設(shè)計(jì)上可以選用STEP7軟件進(jìn)行梯形圖的繪制，這里不予贅述。

2.4.2 數(shù)據(jù)管理層的可視化程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理層是基于Windows實(shí)現(xiàn)的可視化界面，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的人機(jī)交互。在程序開發(fā)商，主要是利用可視化軟件（如Visual Basic）設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，利用計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信能力實(shí)現(xiàn)與PLC的聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，從而將最底層的傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)在可視化界面上顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市自來(lái)水顯得愈來(lái)愈珍貴，如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)污水的大規(guī)模自動(dòng)化處理，實(shí)現(xiàn)水資源的有效利用，這是每一個(gè)自來(lái)水廠都需要面對(duì)的問(wèn)題?；赑LC實(shí)現(xiàn)的污水自動(dòng)處理已經(jīng)比較成熟，但是將污水自動(dòng)處理控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，這是本論文所設(shè)計(jì)的污水自動(dòng)處理控制系統(tǒng)的亮點(diǎn)所在。從實(shí)際的應(yīng)用效果來(lái)看，該套系統(tǒng)能夠滿足污水自動(dòng)處理的全過(guò)程工藝要求，并且減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，是值得推廣應(yīng)用的。對(duì)于自來(lái)水廠污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，無(wú)論是在理論方法還是在實(shí)際應(yīng)用方法，都具有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐受印.水處理工程師手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 孫少陽(yáng).PLC在水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013，（20）.

[3] 高志強(qiáng)，閻兆林.可編程控制器在水處理控制中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2003，（3）.

[4] 丁芳.智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，（1）.

[5] 龐妍.聯(lián)合站污水處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，（22）.