基于PLC的污水凈化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁中賢 職燕

【摘 要】文章介紹了利用“西門子”S7-200系列的PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)含氧化鐵雜質(zhì)的冷卻污水凈化處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制。同時(shí)，介紹了工業(yè)污水凈化處理的基本工藝和流程，并通過研究設(shè)計(jì)了一套基于PLC的工業(yè)污水凈化處理控制系統(tǒng)。根據(jù)污水凈化處理要求設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制線路，主要包括設(shè)備的啟停、狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)采集等，然后按照工藝流程設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的PLC控制系統(tǒng)。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件配置及軟件設(shè)計(jì)流程圖，并且介紹了編程過程中的關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】污水凈化處理；工藝流程；PLC；磁性過濾器

【中圖分類號】X703 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）08-0035-03

0 前言

在冶金企業(yè)中，有大量的工業(yè)用水用于冷卻，為此每天要消耗大量的水資源。由于用過的冷卻水中含有大量的氧化鐵雜質(zhì)，因此不宜多次循環(huán)使用。為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約用水，需要對含有氧化鐵雜質(zhì)的污水進(jìn)行凈化處理。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣。PLC控制器以其性價(jià)比高、通用性好、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。它通過電纜與電氣設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制，提高了自動(dòng)控制的可靠性。

1 污水處理系統(tǒng)

污水凈化處理系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2個(gè)部分組成。污水凈化處理工藝流程介紹如下。

（1）預(yù)處理。污水在進(jìn)行磁濾處理之前，首先流經(jīng)格柵，通過格柵和格柵清污機(jī)來去除體積較大的氧化鐵雜質(zhì)，避免污水中體積較大的氧化鐵雜質(zhì)堵塞閥門和磁濾器。過濾之后的水經(jīng)開度可調(diào)的電動(dòng)進(jìn)水閥流入磁濾器中。

（2）過濾工作。在磁濾器內(nèi)部電磁鐵電源接通的情況下，當(dāng)冷卻污水流經(jīng)磁濾器時(shí)，氧化鐵雜質(zhì)會(huì)被電磁鐵吸附在表面，從而達(dá)到去除冷卻污水中氧化鐵雜質(zhì)的目的。經(jīng)過磁濾器過濾的水經(jīng)出水閥1流入水箱中。水箱內(nèi)裝設(shè)有懸浮物濃度計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)，電動(dòng)進(jìn)水閥的開度由水箱內(nèi)的液位和氧化鐵濃度來控制。當(dāng)水箱內(nèi)水位低于3 m時(shí)，進(jìn)水閥的開度由水箱的液位來控制，此時(shí)若液位低于1 m，選擇進(jìn)水閥的開度為全開的80%，若液位≥1 m且<3 m，選擇進(jìn)水閥的開度為全開的50%。當(dāng)水箱內(nèi)的液位≥3 m時(shí)，進(jìn)水閥的開度由水箱內(nèi)的氧化鐵濃度來控制，此時(shí)通過懸浮物濃度計(jì)檢測到的氧化鐵濃度與設(shè)定的氧化鐵濃度值進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差值，再通過PID模塊進(jìn)行運(yùn)算，最終輸出一個(gè)模擬信號，用來細(xì)調(diào)進(jìn)水閥的開度。通過雷達(dá)液位計(jì)測量水箱的液位來控制出水閥2的開閉。當(dāng)水箱的液位超過設(shè)定的液位上限時(shí)，出水閥2打開；當(dāng)水箱的液位低于設(shè)定的液位下限時(shí)，出水閥2關(guān)閉。

（3）清洗工作。磁濾器進(jìn)出口處安裝有壓力檢測儀表，當(dāng)磁濾器兩端的壓差大于設(shè)定的壓差時(shí)，表明磁濾器由于吸附過多的氧化鐵雜質(zhì)而堵塞，需要進(jìn)行清洗工作。這時(shí)，斷開磁濾器內(nèi)電磁鐵的電源，去除電磁鐵的磁性，同時(shí)關(guān)閉出水閥1，防止沒有處理過的污水流入水箱，并延時(shí)5 s，關(guān)閉進(jìn)水閥，利用進(jìn)水處的污水將磁濾器沖洗干凈。磁濾器的另一個(gè)出水口接一個(gè)排污閥，當(dāng)磁濾器堵塞需要清洗，關(guān)閉電磁鐵電源和出水閥1的同時(shí)，打開排污閥，讓進(jìn)水處的污水將磁濾器沖洗之后，經(jīng)排污閥流入臥式離心機(jī)中，經(jīng)過離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，水和氧化鐵雜質(zhì)被分離。由于此時(shí)的水沒有經(jīng)過濃度檢測，所以回流到污水池中。

系統(tǒng)的控制要求有以下幾個(gè)方面。

（1）本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是降低冷卻污水中的氧化鐵雜質(zhì)的含量，磁濾器能夠吸附0.5～60 μm的氧化鐵顆粒。

（2）在磁濾器進(jìn)出口處的管道上安裝有壓差檢測儀表，當(dāng)檢測的壓差大于設(shè)定的壓差時(shí)，立刻停止濾水工作，轉(zhuǎn)入清洗工作。

（3）為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，將磁濾器、離心機(jī)、清污機(jī)及各個(gè)閥門線圈的接通信號反饋到PLC的輸入端，一旦某一輸入信號不正常，要立即停止系統(tǒng)工作，這樣可避免發(fā)生故障。

（4）輸出檢測及故障報(bào)警。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)分為輸入部件和輸出部件，主要包括格柵清污機(jī)、磁濾器、懸浮物濃度計(jì)、壓力差值檢測儀表、PLC等。硬件系統(tǒng)如圖1所示。

（1）格柵清污機(jī)的選擇。格柵在系統(tǒng)中的作用是攔截體積較大的氧化鐵雜質(zhì)，當(dāng)格柵攔截過多的氧化鐵雜質(zhì)而堵塞時(shí)，需要清污機(jī)對其進(jìn)行清理。這里選擇新河縣東環(huán)水工機(jī)械廠的格柵清污機(jī)。

（2）磁濾器的選擇。氧化鐵即鐵銹，本系統(tǒng)中利用電磁鐵的引力作用來達(dá)到去除氧化鐵雜質(zhì)的目的，在這里選擇上海慮達(dá)過濾設(shè)備有限公司的磁濾器。

（3）懸浮物濃度計(jì)的選擇。在污水過濾之后，由于磁濾器的吸附能力有限，所以過濾之后的水中還會(huì)有一小部分的氧化鐵雜質(zhì)，通過測量其濃度值，并與設(shè)定的濃度值比較，以此來控制進(jìn)水閥的開度。這里選用天健創(chuàng)新公司的TSS濁度/懸浮物濃度計(jì)，其分辨率為1 mg/L，量程為0～130 mg/L。

（4）壓力差值檢測儀表的選擇。壓力差值檢測儀表的作用是檢測磁濾器的入口和出口的壓差，如果壓差過高，表示磁濾器有堵塞故障，需要對其進(jìn)行清洗工作。這里選擇美國德威爾公司（dwyer）的3000IMR系列的Photohelic壓力表/開關(guān)，其具有繼電器輸出功能，可以很好地實(shí)現(xiàn)控制效果。

其他的輸入和輸出部件的選擇比較容易，本文不進(jìn)行詳述。

確定PLC的CPU型號和擴(kuò)展模塊型號：表1、表2為系統(tǒng)的輸入、輸出地址分配表，從中可以看出系統(tǒng)一共有19個(gè)數(shù)字量輸入、9個(gè)數(shù)字量輸出、2個(gè)模擬量輸入、1個(gè)模擬量輸出，因此選擇西門子公司的S7-200系列的CPU224可編程控制器和S7-200的數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM221及模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它們可以提供22點(diǎn)數(shù)字量輸入、10點(diǎn)數(shù)字量輸出及4路模擬量輸入、1路模擬量輸出。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有2種工作模式：手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在正常情況下選擇自動(dòng)運(yùn)行模式，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候選擇手動(dòng)模式，讓各個(gè)設(shè)備單獨(dú)運(yùn)行，排查故障。

自動(dòng)運(yùn)行模式下的幾個(gè)模塊流程設(shè)計(jì)有格柵清污模塊、磁濾器模塊、水箱系統(tǒng)模塊。

格柵清污系統(tǒng)是一個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)，將其設(shè)計(jì)在磁濾系統(tǒng)之前，目的是通過格柵的攔截作用將冷卻污水中體積較大的氧化鐵雜質(zhì)除掉，防止系統(tǒng)中電磁閥或電動(dòng)閥堵塞。當(dāng)系統(tǒng)的進(jìn)水閥打開時(shí)，格柵系統(tǒng)開始運(yùn)行，攔截污水中體積較大的氧化鐵雜質(zhì)，超聲波液位差計(jì)開始檢測格柵前后的液位差。當(dāng)格柵前后的液位差值大于設(shè)定值時(shí)，表明格柵上堆積了較多的氧化鐵雜質(zhì)，此時(shí)需要啟動(dòng)格柵清污機(jī)來清理。在清理過程中，當(dāng)液位差計(jì)檢測到液位差值小于設(shè)定值時(shí)，清污機(jī)返回到初始位置，觸碰到限位開關(guān)時(shí)停止運(yùn)行，這樣就完成了一次預(yù)處理工作。清理過程中，格柵不受影響，依然能夠正常工作。

磁濾器是整個(gè)污水凈化處理控制系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是去除工業(yè)冷卻污水中的氧化鐵雜質(zhì)。氧化鐵即鐵銹，鐵銹遇到磁鐵會(huì)被吸附，因此在這里選擇使用磁性過濾的方法去除污水中的氧化鐵雜質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)選擇自動(dòng)模式后，按下自動(dòng)模式啟動(dòng)按鈕，磁濾器內(nèi)部電磁鐵接通電源，延時(shí)4 s，讓電磁鐵磁性增強(qiáng)。4 s后，打開出水閥1，打開電動(dòng)進(jìn)水閥并選擇開度，此時(shí)污水經(jīng)電動(dòng)進(jìn)水閥流入磁濾器中，磁濾器中的電磁鐵將污水中的氧化鐵雜質(zhì)吸附在其外部的濾殼上，過濾后的水經(jīng)出水閥1流向水箱，此時(shí)濾水工作正常運(yùn)行。當(dāng)磁濾器進(jìn)出口處的壓力檢測儀表檢測到的壓力差值大于設(shè)定的壓力差值時(shí)，表明磁濾器由于吸附過多的氧化鐵雜質(zhì)而堵塞了，此時(shí)需要對磁濾器進(jìn)行清洗工作。首先關(guān)閉出水閥1，打開排污閥，啟動(dòng)離心機(jī)，然后將磁濾器電磁鐵電源切斷，延時(shí)5 s，再關(guān)閉電動(dòng)進(jìn)水閥，充分利用進(jìn)水污水將磁濾器上的氧化鐵雜質(zhì)沖洗到離心機(jī)中。當(dāng)關(guān)閉電動(dòng)進(jìn)水閥5 s后，關(guān)閉排污閥，再過3 s，將離心機(jī)停止。關(guān)閉排污閥后，接通磁濾器電磁鐵電源，濾水工作繼續(xù)進(jìn)行。

過濾后的冷卻水經(jīng)出水閥1流入水箱中，水箱體積為150 m3，高6 m。在水箱內(nèi)部裝設(shè)有一個(gè)懸浮物濃度計(jì)，用來測量過濾后冷卻水中氧化鐵雜質(zhì)的含量，并與設(shè)定的氧化鐵濃度值進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差值，然后進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出一個(gè)0～20 mA的電流信號給電動(dòng)進(jìn)水閥，以此來控制電動(dòng)進(jìn)水閥的開度。當(dāng)懸浮物濃度計(jì)檢測到的氧化鐵濃度小于設(shè)定值時(shí)，檢測值與設(shè)定值做差，得到一個(gè)負(fù)偏差值，經(jīng)PID運(yùn)算，輸出一個(gè)0～20 mA的電流信號給電動(dòng)進(jìn)水閥，調(diào)小進(jìn)水閥開度。當(dāng)懸浮物濃度計(jì)檢測到的氧化鐵濃度大于設(shè)定值時(shí)，檢測值與設(shè)定值做差，得到一個(gè)正偏差值，經(jīng)PID運(yùn)算，輸出一個(gè)0～20 mA的電流信號給電動(dòng)進(jìn)水閥，調(diào)大進(jìn)水閥開度。

在水箱的正上方，裝設(shè)有一個(gè)雷達(dá)液位計(jì)，用來測量水箱的液位值，根據(jù)測量到的液位值與設(shè)定的液位值進(jìn)行比較，以此來選擇進(jìn)水閥的開度。其工作流程如圖2所示。

當(dāng)水箱的液位值<1 m時(shí)，將電動(dòng)進(jìn)水閥的開度調(diào)為全開的80%；當(dāng)水箱的液位值≥1 m且<3 m時(shí)，將電動(dòng)進(jìn)水閥的開度調(diào)為全開的50%；當(dāng)水箱的液位>3 m時(shí)，調(diào)用PID運(yùn)算結(jié)果并送至電動(dòng)進(jìn)水閥，調(diào)節(jié)電動(dòng)進(jìn)水閥的開度。

在水箱內(nèi)部裝設(shè)有2個(gè)液位開關(guān)（繼電器輸出），當(dāng)水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定的液位下限值時(shí)，觸碰到液位下限開關(guān)，出水閥2關(guān)閉，冷卻水在水箱內(nèi)蓄累；當(dāng)水箱內(nèi)的水位高于設(shè)定的液位上限時(shí)，觸碰到液位上限開關(guān)，出水閥2打開，過濾后的冷卻水流向冷卻塔。

在完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖設(shè)計(jì)的部分之后，根據(jù)流程圖，編寫控制程序。在這里使用STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行程序的編寫。編程界面主要的幾個(gè)區(qū)包括菜單條（包含8個(gè)主要菜單項(xiàng)）、工具條（快捷按鈕）、引導(dǎo)條（快捷操作窗口）、指令樹、輸出窗口和用戶窗口。編譯完成后，選用“西門子”S7-200[4]的通用仿真軟件S7_200_jb51來進(jìn)行程序仿真。

4 結(jié)語

本文利用PLC實(shí)現(xiàn)了污水凈化處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制，并詳細(xì)介紹了污水凈化處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分介紹了系統(tǒng)主要的輸入、輸出部件及其各自功能，軟件設(shè)計(jì)部分介紹了系統(tǒng)在自動(dòng)控制模式下幾個(gè)重要的模塊的設(shè)計(jì)。由于采用PLC作為控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，系統(tǒng)很少出故障。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳文達(dá).鋼鐵企業(yè)的污水處理[J].鞍鋼技術(shù)，1992（5）.

[2]田永茂.PLC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（7）.

[3]肖佐武.基于PLC的污水凈化處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（10）.

[4]李雪民，禹璽，董蘊(yùn)華.基于S7-200PLC的萬能銑床改造[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012（10）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]