PLC 技術(shù)在生活污水處理及回用系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳瓊?cè)A

（山東理工職業(yè)學(xué)院 山東省濟(jì)寧市 272067）

為進(jìn)一步提升水資源利用率，生活污水處理及回用系統(tǒng)受到重點(diǎn)關(guān)注以及廣泛利用，而在該系統(tǒng)內(nèi)，包含著大量的電氣設(shè)備，其運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。此時(shí)，需要更新系統(tǒng)控制技術(shù)與設(shè)計(jì)方案，促使系統(tǒng)運(yùn)行管理轉(zhuǎn)入自動(dòng)化與智能化，確保系統(tǒng)性能得到最大程度的發(fā)揮。

1 生活污水處理及回用系統(tǒng)的總體控制方案規(guī)劃

對于基于PLC 技術(shù)的生活污水處理及回用控制系統(tǒng)而言，其主要可以細(xì)化為電氣設(shè)備控制以及監(jiān)控系統(tǒng)這兩部分。其中，溫度檢測單元、PH 值檢測單元、液位檢測與調(diào)節(jié)單元、含氧量檢測與調(diào)節(jié)單元等包含在電氣設(shè)備控制范圍內(nèi)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，如果檢測到HP 值超出或是低于設(shè)定值，則控制子系統(tǒng)自動(dòng)開啟調(diào)節(jié)閥（加酸調(diào)節(jié)閥或是加堿調(diào)節(jié)閥），完成對PH 值的調(diào)節(jié)；如果檢測到液位值超出或是低于設(shè)定值，則迅速發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)控制處理；如果檢測到含氧量參數(shù)未存在于設(shè)定值范圍內(nèi)，則自動(dòng)控制變頻器調(diào)控風(fēng)機(jī)電流頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)含氧量的效果。同時(shí)，針對所有傳感器均設(shè)置控制回路，保證可以及時(shí)、全面、準(zhǔn)確獲取生活污水處理及回用系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)。

2 基于PLC技術(shù)的生活污水處理及回用控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC單元模塊的設(shè)計(jì)

PLC 主要承擔(dān)著控制生活污水處理及回用系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)，在相應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的控制子系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在本次生活污水處理及回用系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要選取西門子S7-300 系列的PLC 作為PLC 單元模塊的主要結(jié)構(gòu)，包含著通信單元、輸入輸出單元、CPU 單元、電源單元、機(jī)架單元等等，有著較為理想的運(yùn)算水平，且具備良好的抗干擾能力，穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間可維持在較長狀態(tài)下，能夠切實(shí)滿足生活污水處理及回用系統(tǒng)運(yùn)行控制過程中對于數(shù)據(jù)處理的現(xiàn)實(shí)需要。本系統(tǒng)的PLC 控制硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖如圖1所示。

圖1：PLC 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)網(wǎng)絡(luò)視圖

在PLC 主站模塊中，可以細(xì)化為電源模塊以及CPU 模塊這兩部分，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要設(shè)定電源模塊的型號為PS307 10A，CPU 模塊的型號為CPU315-2PN/DP。其中，在確定CPU 模塊的型號過程中，著重考量性能水平以及接口，促使上位機(jī)與PLC 之間可以使用PROFINET 網(wǎng)絡(luò)完成通信以及數(shù)據(jù)信息傳遞，并保證相應(yīng)CPU 具備PN 接口；促使PLC 主站與從站之間可以使用PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)完成通信以及數(shù)據(jù)信息傳遞，并保證相應(yīng)CPU 具備DN 接口。

同時(shí)，為了更好實(shí)現(xiàn)對污水處理環(huán)節(jié)中各個(gè)設(shè)備運(yùn)行信號的全面采集與控制，加設(shè)了多個(gè)I/O 站，并在粗格柵手電動(dòng)方閘門、進(jìn)廠水COD 分析儀、進(jìn)廠水氨氮分析儀、進(jìn)廠水管電磁流量計(jì)等位置配置I/O 點(diǎn)，促使對污水處理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)。

2.2 上位機(jī)單元模塊的設(shè)計(jì)

對于上位機(jī)單元模塊來說，其在本系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中主要承擔(dān)著監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的任務(wù)，并對運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息落實(shí)整合保存。實(shí)踐中，著重圍繞抗干擾能力強(qiáng)弱以及運(yùn)行穩(wěn)定性水平做出對上位機(jī)的合理選型。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)選型主要如下：

（1）將本污水處理系統(tǒng)的監(jiān)視主機(jī)設(shè)定為西門子工控機(jī)IPC227EPN/IE。對于該型號的工控機(jī)而言，由于其具備密封性良好的防塵金屬外殼，所以即便在環(huán)境相對惡劣的條件下，也能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定性運(yùn)行。同時(shí)，該工控機(jī)擁有PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口兩個(gè)，且支持RT，擁有多個(gè)USB，可以滿足本系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行需要。

（2）引入型號為AOC C27B1H 的液晶顯示器，為人機(jī)交互提供更好界面支持。對于該型號的液晶顯示器來說，其屏幕比例為16:9，且具備高分辨率，所以能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供更為清晰的畫面，整體視覺呈現(xiàn)效果符合人眼視覺特性，促使相關(guān)工作人員可以更為舒適的獲取所需數(shù)據(jù)信息。

2.3 變頻器單元模塊的設(shè)計(jì)

在本生活污水處理及回用系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速主要由變頻器完成控制，為切實(shí)滿足工業(yè)應(yīng)用場景下大功率變頻的需要，引入了西門子SINAMICS G120 系列變頻器，其電壓范圍在380 伏至480 伏之間，輕功率過載為160 千瓦，重功率過載為132 千瓦。對于該型號的變頻器來說，主要在PROFIBUS 現(xiàn)場總線的支持下實(shí)現(xiàn)與本地控制器之間的通信。在變頻器的控制單元，引入具備兩個(gè)DP接口的CU240E-2DP，切實(shí)滿足變頻器的接線與通信需要。

選取的風(fēng)機(jī)單臺(tái)供風(fēng)量在每小時(shí)4500 立方米，風(fēng)壓參數(shù)為68.8 千帕，依托下式計(jì)算風(fēng)機(jī)功率：

在該公式中，風(fēng)量使用Q 表示；風(fēng)壓使用P 表示；η 代表著風(fēng)機(jī)效率，其中η1 取值為0.719，2 取值為0.95。由此可以得出風(fēng)機(jī)功率為125.5 千瓦。

2.4 儀表單元模塊的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對污水處理設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面采集，在進(jìn)行基于PLC 技術(shù)的生活污水處理及回用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建過程中，主要引入了如下儀表設(shè)備：

（1）PH 傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控污水處理過程中的PH 值及其變化情況，促使其始終維持在中性狀態(tài)下，為微生物的繁殖與生長營造更為理想的環(huán)境條件。選取PH 傳感器的型號為PS-750，將工作溫度維持在零上60℃以內(nèi)。

（2）超聲波液位傳感器，對液體水位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取超聲波液位傳感器的型號為RW-UTG 一體式超聲波液位計(jì)，其量程穩(wěn)定在0-20 米之間。

（3）電磁流量傳感器，對液體流量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取電磁流量傳感器型號為LJDN200 一體化電磁流量傳感器，其量程維持在每小時(shí)34-680 立方米之間。

（4）溫度傳感器，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取溫度傳感器型號為PT100 鉑電阻，其量程維持在-20℃至105℃的范圍內(nèi)。

（5）溶解氧傳感器，對污水中的溶解氧濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取溶解氧傳感器型號為ASY3851，其量程為每升0-20 毫克。

（6）懸浮物濃度傳感器，對污水中的懸浮物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取懸浮物濃度傳感器型號為WBXY-010，其量程為0-400NTY。

（7）COD 傳感器，對污水中的化學(xué)需氧量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與獲取。選取COD 傳感器型號為TA-C254，其量程為每升0-400 毫克。

2.5 電路設(shè)計(jì)

（1）供電電路（圖2），設(shè)定三相380 伏、50 赫茲交流電為進(jìn)線電源，在通過隔離開關(guān)的條件下，依托斷路開關(guān)將電源分配至各個(gè)回路中，以此實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)，PLC 供電電路如圖3 所示。

圖2：電源供電電路圖

圖3：PLC 供電電源

（2）變頻器風(fēng)機(jī)控制電路。當(dāng)選用自動(dòng)控制模式時(shí)，依托DP 通信，PLC 實(shí)現(xiàn)對中間繼電器閉合與斷開的控制，促使電路轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)或是關(guān)斷狀態(tài)，最終達(dá)到管控、調(diào)整變頻器以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的效果。當(dāng)選用手動(dòng)控制模式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕后電源與電機(jī)實(shí)現(xiàn)接通，中間繼電器自鎖，驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。

（3）溫度檢測回路，利用三線接法完成對溫度變送器與PT100 溫度傳感器的連接，以此避免產(chǎn)生偏高的測量誤差。

（4）流量檢測回路，在一體化電磁流量計(jì)的支持下，電流信號能夠傳輸至阻隔器，并轉(zhuǎn)入模擬量輸入模塊中，對單日污水處理量進(jìn)行計(jì)算。

（5）液位檢測控制回路，傳感器完成各個(gè)階段的液位數(shù)據(jù)獲取后，將相應(yīng)轉(zhuǎn)入模擬量輸入模擬模塊，并利用PLC控制泵的運(yùn)行，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)整液位的效果。

（6）PH 檢測控制回路，主要選用閉環(huán)控制，傳感器在獲取到PH 數(shù)據(jù)后將相應(yīng)信號傳遞至變送器，從而轉(zhuǎn)入模擬量輸入模塊中，結(jié)合PLC 以及模擬量輸出模塊自動(dòng)調(diào)整、控制PH 值。

（7）SBR 生化池溶解氧檢測回路，主要選用模糊自適應(yīng)PID 控制模式，傳感器在獲取到溶解氧參數(shù)后將相應(yīng)信號傳遞至變送器，從而轉(zhuǎn)入模擬量輸入模塊中，結(jié)合PLC 以及變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對溶解氧濃度的控制。

3 基于PLC技術(shù)的生活污水處理及回用控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC控制系統(tǒng)中各個(gè)流程的控制方案設(shè)計(jì)

粗格柵控制流程主要如下：粗格柵機(jī)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)，讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差；判斷液位差是否大于PLC中的設(shè)定值，如大于設(shè)定值則啟動(dòng)除污機(jī)，并返回讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差步驟；如小于設(shè)定值則停止除污機(jī)，進(jìn)一步判斷格柵機(jī)運(yùn)行是否到時(shí)，如確定格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間到，則停止格柵機(jī)；如確定格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間未到，則自動(dòng)返回讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差步驟。

細(xì)格柵控制流程主要如下：細(xì)格柵機(jī)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)，讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差；判斷液位差是否大于PLC中的設(shè)定值，如大于設(shè)定值則啟動(dòng)除污機(jī)以及輸送機(jī)，并返回讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差步驟；如小于設(shè)定值則停止除污機(jī)以及輸送機(jī)，進(jìn)一步判斷格柵機(jī)運(yùn)行是否到時(shí)，如確定格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間到，則停止格柵機(jī)；如確定格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間未到，則自動(dòng)返回讀取格柵機(jī)兩側(cè)液位差步驟。

SBR 生化池處理流程主要如下：啟動(dòng)進(jìn)水泵，判斷進(jìn)水是否滿1 小時(shí)，如未滿則繼續(xù)開啟進(jìn)水泵進(jìn)水；如滿足1 小時(shí)，則停止進(jìn)水泵，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)；判斷曝氣是否滿2.5 小時(shí)，如未滿則繼續(xù)開啟風(fēng)機(jī)曝氣；如滿足2.5 小時(shí)，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)；判斷沉淀是否滿1 小時(shí)，如未滿則繼續(xù)沉淀；如滿足1 小時(shí)，則將潷水器轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)；判斷潷水是否滿1 小時(shí)，如如未滿則繼續(xù)開啟潷水器潷水；如滿足1 小時(shí)，則停止?jié)鳎⒖刂莆勰啾棉D(zhuǎn)入開啟狀態(tài)；判斷排污是否滿0.5 小時(shí)，如未滿則繼續(xù)開啟污泥泵排泥；如滿足0.5 小時(shí)，則關(guān)閉污泥泵。

污泥脫水處理流程主要如下：空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)，定時(shí)開始，判斷是否達(dá)到延時(shí)，如未到延時(shí)則返回上一步驟；如達(dá)到延時(shí)則將皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)；啟動(dòng)高壓緊密螺桿泵，定時(shí)開始；判斷是否達(dá)到延時(shí)，如未到延時(shí)則返回上一步驟；如達(dá)到延時(shí)則將PAM、FeCl3 加藥泵轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)，定時(shí)開始；判斷是否達(dá)到延時(shí)，如未到延時(shí)則返回上一步驟；如達(dá)到延時(shí)則加工脫水機(jī)隔膜壓榨泵轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)

結(jié)合前文的分析能夠了解到，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要將西門子工控機(jī)設(shè)定為系統(tǒng)的上位機(jī)。同時(shí)，在WinCC 組態(tài)軟件的支持下，完成對系統(tǒng)監(jiān)控畫面的制作，并在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)單元的作用下，促使相關(guān)工作人員能夠及時(shí)、全面、清晰的獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、掌握現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，從而保證在發(fā)生故障與異常問題時(shí)可以第一時(shí)間反應(yīng)、控制與處理?；赑LC 技術(shù)的生活污水處理及回用控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控畫面主要如下：

（1）登錄界面（圖4）。相關(guān)工作人員使用個(gè)人賬號在該界面內(nèi)登錄系統(tǒng)，登錄成功后才能夠利用該系統(tǒng)監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4：登錄界面

（2）提升泵控制界面（圖5）。相關(guān)人員可以在該界面內(nèi)迅速了解液位數(shù)據(jù)以及提升泵的運(yùn)行信息。

圖5：提升泵控制界面

（3）SBR 反應(yīng)池監(jiān)控界面（圖6）。相關(guān)人員可以在該界面內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控SBR 反應(yīng)池內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行情況，獲取各個(gè)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

圖6：SBR 反應(yīng)池監(jiān)控界面

（4）報(bào)警界面（圖7）。一旦檢測到系統(tǒng)與設(shè)備故障，則能夠及時(shí)彈出報(bào)警界面并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)記錄故障與異常信息。

圖7：報(bào)警界面

4 總結(jié)

綜上所述，選取西門子S7-300 系列的PLC 作為PLC 單元模塊的主要結(jié)構(gòu)，并引入西門子工控機(jī)、AOC C27B1H 的液晶顯示器、西門子SINAMICS G120 系列變頻器、PH 傳感器、超聲波液位傳感器、電磁流量傳感器、溫度傳感器、懸浮物濃度傳感器、COD 傳感器等硬件單元，結(jié)合PLC 控制系統(tǒng)控制流程以及上位機(jī)監(jiān)控畫面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了基于PLC 技術(shù)的生活污水處理及回用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了生活污水處理及回用系統(tǒng)控制的自動(dòng)化以及性能升級。