基于PLC的污水处理控制系统设计
时间：2023-01-21 17:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
唐娜娜
（江苏省东海中等专业学校，江苏 连云港 222300）
随着工业的不断发展，生态环境遭到严重破坏，对人类的生存与发展构成了威胁。关于水污染问题，20世纪早期已经引起了重视，欧美国家在这方面较早地开始了研究，城市污水处理厂于20世纪70年代开始兴建，污水处理经验越来越丰富，对关键技术的研究不断深入[1]。尽管我国在这方面取得的成绩是有目共睹的，但由于我国污水处理技术起步较晚，能耗大、成本高等问题迟迟未得到彻底解决[2-3]。笔者以某污水处理厂建设项目作为研究对象，针对切实存在的关键问题，设计了一套基于PLC的污水处理控制系统，增强了污水处理能力，该控制方法可以有效控制出水水质，降低污泥产量。
污水的构成较为复杂，包含来自生产生活之中的多种水质，如生活污水、城市污水等[4-5]。当前污水处理技术日益发达，最常用的有三种[6-8]：一为生物处理法，处理原理就是微生物氧化分解，降解处理污水中的有机物，将其转化为无机物，如AAO法、SBR法等；
二为物理处理法，非溶解性物质分解是这种方法的核心技术，包括气浮、反渗透等；
三是化学处理法，采用这种方法就是要充分利用污水中各种杂质之间的化学反应进行过滤、分解。污水处理厂在建设中要对污水进行成分分析，灵活搭配与组合多种方法，提升污水处理效果，污水处理流程图如图1所示。
图1 污水处理流程图
2.1 上位机设计
上位机处于监控层，借助于这一设备能直接明了地把握住污水处理厂每一个部分处于怎样的运行状态中，而且能从顶层下达控制指令。
本文上位机选用SIMATICIPC647D型工控机，该工控机可以24小时全天候不间断工作，与此同时，该工控机处理器中也集有HD4600显卡，可实现数据高速率传输。
2.2 下位机设计
2.2.1 PLC选型
控制器是下位机的关键所在，本设计控制器选用SIEMENSS7-300 PLC。S7-300系列PLC有如下优点：数据处理能力强，输入/输出模块和功能模块可灵活组合[9-10]。
2.2.2 控制系统硬件模块选型
以工艺为参照，可以把本控制系统开发划分为三大板块，即预处理、生化处理、污泥处理。相比而言，最为关键的是生化处理，因为这一阶段要处理的污染物数量比较多。在预处理阶段，需要运用的设备有沉砂池、提升泵房、粗格栅间等；
在生化处理阶段，通过MBR与AAO两个池处理污染物；
在污泥处理阶段，需要运用加药间、污泥泵房等。要对三个阶段的监控数据及时进行汇总与分析，编制监控数据表，由此对硬件数量进行调整。
2.3 控制柜设计
控制柜除放置PLC与配套器件的功能外，还需及时把现场仪表设备发出的指令与信号汇总到一起，因此控制柜的设计主要分为三部分：1）元器件布置；
2）电源分配；
3）模块接电。设计时需要遵循如下原则：1）各元器件的布局不相互干扰，方便操作及调试，便于后期布线；
2）结合实际工况，保证控制系统稳定。
本控制柜尺寸设定为0.8 m×0.8 m×2.1 m，把日光灯安装在顶部，确保柜门打开时能有充足的光线，为了让操作人员能有效查看机柜，在顶部安装了出风口与风扇，为了避免柜内温度过高，在下半部分设置了同样的进风口，产生了良好的散热效果。底部电缆进线处设置了接地母排，其目的就是要与机柜保持绝缘，用接地线把接线端与接地母排连接在一起，避免机械外壳带电而引发事故，也能避免受到电磁耦合现象的干扰。各种设备的控制按钮与指示灯设置在柜门中。
3.1 控制模式设计
为了能让先进的工艺发挥出更好的作用，也为了增强系统的稳定性与安全性，设计了三种控制方式，操作人员可以根据现场操作柱在三种方式中进行灵活切换，产生良好效果。
1）就地控制：采用这种控制方式，PLC与上位机只能对设备处于怎样的状态进行描述，却不能对其施以控制，必须借助于现场操作柱对设备进行操作，在调试系统、处理突发事件时需要运用这种控制方法。
2）远程手动控制：如果要单独控制某个设备，操作者要进入WinCC监控界面并采用手动的方式操作设备，远程点在这种情况下能起到控制现场设备的作用。这种方式用于调试系统、处理故障这两种情况。
3）远程自动控制：系统调试结束之后，控制系统准备充分，操作人员可以再次调整至自动控制，所有的设备、仪表、处理环节等都按提前设定的程序运行。此时整个系统的运行均由上位机监控，不需要人工操作。为了消除控制切换产生的不良影响，要在STEP7中进行设计，确保系统能稳定、安全地运行。
3.2 关键工艺控制开发
考虑到工艺方面的要求，在STEP7中要编写控制程序，使所有设备都能有序运行。在此抓住几个关键阶段进行分析。
3.2.1 粗格栅控制
在处理流程中，粗格栅控制是首要环节，其目的是要将水体中颗粒较大的固体杂物进行隔离。为了避免系统在运行中频繁出现启停现象，需要同时运用定时长与液位差两种控制方式。粗格栅控制流程如图2所示。
图2 粗格栅控制流程
3.2.2 提升泵控制
设置提升泵的目的是要让污水水位能得到有效提高，出水液位达到一定高度之后可进行下一步处理。所以，把污水液位当成提水泵的控制标准。在确保系统运行有效的基础上，启动提升泵之后，工作时长较短的机器会最先启动；
提升泵停止运行之后，机器的工作时间越长，就越能先停止。交替启停能延长提升泵的寿命，确保整个系统的高效运转。提升泵控制流程如图3所示。
图3 提升泵控制流程
3.2.3 生物反应池控制设计
对生物反应池进行控制，就是要控制好溶解氧（DO）浓度，始终保持数值稳定，一般设定阈值为2 mg/L，要靠对变频风机的调节实现。用溶氧仪对反应池的DO浓度进行检测，且动态化地把数据传递到控制器，以具体数值为依据，控制器及时对曝气量进行调整。在本设计中，进行预测控制时以RBF神经网络为依托，系统控制效果比较好，根据DO值对控制器进行调整，污水处理质量较高。
3.2.4 污泥脱水机房控制设计
污泥脱水机房由以下四部分构成：
一是用污泥泵对污泥液位进行控制，设定标准值之后，只要液位超出了标准值，污泥泵即可启动，反之则停止运行。
二是用絮凝剂沉降污泥，涉及流量计、储药罐等，在计算污泥总量时要以流量与污泥浓度为依据，储药罐需要提供絮凝剂，通过加药泵送入下一个环节。
三是用预脱水机初步处理污泥，反冲洗泵要与预脱水机互相配合，彼此之间处于相对应的状态，系统与之保持同步。反冲洗泵能让预脱水机得到及时清洗，在预脱水机关停的同时启动反冲洗泵，清洗的时长应提前设定。
四是污泥脱水，需要用到传送机、污泥泵等设备。提前设定好脱水时长，达到时间之后可自动关停。整个污泥脱水机房的控制流程如图4所示。
图4 污泥脱水机房控制流程
控制系统界面可以有效实现人机互动，操作人员可通过界面实现对控制系统的观察和控制。该污水处理控制系统用户登录界面如图5所示。
图5 用户登录界面
笔者以某污水处理厂建设项目为重要依托，参照前期积累的行业经验，为污水处理设计一套有效的控制系统，尤其对关键控制环节进行分析与探究，以提升控制效果、改善处理质量。对污水处理工艺流程进行分析，为硬件设备找到良好的控制方式，从硬件与上位机软件监控平台两方面入手对PLC控制柜进行设计，使远程对现场设备进行监控成为可能，提高了污水处理系统的智能化水平。
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