基于PLC的自動化控制系統(tǒng)在污水處理中的應用

摘 要：隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，污水處理已經(jīng)成為城市發(fā)展中的一大問題?，F(xiàn)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(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，我國境內(nèi)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(jīng)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(xiàn)在污染也加速往地下滲透[1]。傳統(tǒng)的污水處理廠以繼電器控制為主，但繼電器控制系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性以及靈活性[2-3]，因而現(xiàn)在被廣泛應用于自動化控制系統(tǒng)中。

1? ? 系統(tǒng)總體設計目標

1.1? ? 主要組成

整個自動化控制系統(tǒng)包括可編程控制器、計算機、監(jiān)控端及現(xiàn)場的各類儀器儀表，其中可編程控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，它與計算機設定的控制程序確定了系統(tǒng)運行的相關程序、工藝標準等，同時可以根據(jù)實際需求，自動或手動控制相關設備運行?，F(xiàn)場的相關設備在運行過程中，將數(shù)據(jù)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(jù)城市污水處理的需求，將整個控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制系統(tǒng)及監(jiān)控室控制系統(tǒng)兩部分，二者均能實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制，包括開啟格柵機，實現(xiàn)對污水中垃圾的攔截；調(diào)節(jié)池污水水位監(jiān)測，即系統(tǒng)根據(jù)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(diào)節(jié)池中水位高度，確保水位運行在安全線內(nèi)。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(jù)浮球信號實現(xiàn)自動控制，也可以根據(jù)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(jù)用戶發(fā)出的指令控制其運行開始/結束時間、運行時長等。

另外，系統(tǒng)需要采集現(xiàn)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(xiàn)場各設備運行參數(shù)信息，當設備出現(xiàn)故障報警時，能實現(xiàn)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(zhuǎn)。

2? ? 硬件設備

本系統(tǒng)的核心器件選用西門子S7-200 SMART PLC，它具有以太網(wǎng)口，用戶可直接通過網(wǎng)線讓計算機與PLC連接，方便用戶下載調(diào)試程序，同時，通過網(wǎng)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(diào)用。在電控柜表面嵌入觸摸屏顯示相關參數(shù)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(wǎng)通信，也支持RS232/422/485通信，可以實現(xiàn)HMI與HMI、HMI與PLC之間的通信，用戶可以根據(jù)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(jù)實際工作設備、工作環(huán)境進行設置，能夠降低電機功耗，還能對電機進行調(diào)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(wěn)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(tǒng)整體構架如圖1所示。

3? ? 程序設計

軟件系統(tǒng)是整個PLC系統(tǒng)設計的核心，它與觸摸屏軟件、計算機組態(tài)系統(tǒng)聯(lián)動，共同監(jiān)控各種設備的運行。根據(jù)實際需求，整個系統(tǒng)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(fā)生器、污水消毒系統(tǒng)、事故提升泵、變頻器等，并需實現(xiàn)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(tài)端設定機械格柵的自動啟動和關閉時間。

調(diào)節(jié)池內(nèi)設兩個污水提升泵，通過內(nèi)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(diào)節(jié)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(tài)，則表明進水量過大或設備出現(xiàn)故障，此時系統(tǒng)進行報警提示，提醒用戶到現(xiàn)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(lián)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(tǒng)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(xù)工作，做到一備一用，防止設備因持續(xù)工作導致故障?；旌弦夯亓鞅脛t是根據(jù)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(tài)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(tài)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(xiàn)故障，系統(tǒng)發(fā)出報警提示，提醒用戶到現(xiàn)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(fā)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(tǒng)，關閉時，延時關閉污水消毒系統(tǒng)。二氧化氯發(fā)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(fā)生器也同步關閉。

事故池提升泵則在池中浮球得電且調(diào)節(jié)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(tǒng)設置運行時間，將內(nèi)部異味氣體吸附進管道，經(jīng)活性炭吸附塔后排出。系統(tǒng)還要對余氯濃度、水位高度以及水流量進行監(jiān)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(shù)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(chuàng)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(tǒng)塊開始配置系統(tǒng)信息，包括CPU的選擇、數(shù)字量輸出、模擬量輸入輸出模塊等，最后對以太網(wǎng)端口進行配對。系統(tǒng)如圖2所示。

因為本系統(tǒng)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(tǒng)根據(jù)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(tǒng)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(shù)值轉(zhuǎn)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(tǒng)時間的讀取。在整個系統(tǒng)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(tǒng)自動開啟設備，運行一段時間后根據(jù)系統(tǒng)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(shù)值轉(zhuǎn)換子程序”用于進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，因為觸摸屏、計算機組態(tài)王等組態(tài)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(shù)值轉(zhuǎn)換，將組態(tài)設備輸入的時間數(shù)值進行放大后變成PLC可識別的數(shù)據(jù)。

“自動子程序”則是根據(jù)系統(tǒng)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(jù)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(xié)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(tài)設計

觸摸屏采用集成化的顯控觸摸屏，它自帶組態(tài)開發(fā)軟件，方便用戶直接進行設計，設計完后可以通過網(wǎng)絡或USB接口直接將項目下載到觸摸屏內(nèi)部。根據(jù)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(shù)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(tài)王軟件設計

計算機端組態(tài)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(xiàn)在污水處理現(xiàn)場，在監(jiān)控室就可以通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。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(shù)據(jù)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(shù)頁面、警報頁面以及變頻控制頁面。

4? ? 調(diào)試及總結

硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)搭建好后，需要先對每個子系統(tǒng)進行測試，整個系統(tǒng)需整合后進行聯(lián)調(diào)，從而驗證其能否高效、平穩(wěn)、安全地運行。分別測試各設備通過觸摸屏和組態(tài)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(jù)浮球情況正常運行，變頻器運行正常，設備也能根據(jù)實際情況實現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)控室等場所就能掌握污水處理站運行狀況，既提高了監(jiān)控效率，同時也大大降低了生產(chǎn)成本。

[參考文獻]

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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(lián)網(wǎng)及自動控制技術。