一種基于PLC的污水處理粗格柵池自動控制系統(tǒng)設計

羅洪霞

（廣州番禺職業(yè)技術學院，廣東 廣州 511483）

0 引言

隨著社會工業(yè)化、城市化及現(xiàn)代化的發(fā)展，每時每刻都會產(chǎn)生并排放大量的污水，污水處理已成為現(xiàn)代社會生活的必要組成部分，對于保護環(huán)境和維護公共衛(wèi)生具有至關重要的作用。污水處理的基本方法包括：物理處理、化學處理和生物處理。本文介紹的粗格柵池是一種污水的物理處理方法，主要利用粗格柵機械分離、沉淀、過濾等手段去除污水中的懸浮物和雜質(zhì)，這種方法被廣泛應用于污水處理流程的初級處理。

PLC控制系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和可靠性，被廣泛應用于各領域，不但能實現(xiàn)各種邏輯控制，還能用于運動控制、數(shù)據(jù)處理和通信等[1-2]。基于PLC的污水處理粗格柵池自動控制系統(tǒng)能實現(xiàn)污水處理的自動化，提高污水處理效率，降低污水處理成本[3]。

1 粗格柵池控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

污水處理粗格柵池控制系統(tǒng)由進水水泵、粗格柵、格柵輸送機、電動閘門、排水水泵等組成，系統(tǒng)可以實現(xiàn)過濾污水中的懸浮雜物，并將過濾后的水送入后續(xù)污水處理凈化池的自動控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 粗格柵池控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 粗格柵池控制系統(tǒng)功能設計

粗格柵池系統(tǒng)功能如下：污水由進水水泵抽入格柵池，粗格柵將污水中過濾出的雜質(zhì)輸送到格柵輸送機，格柵輸送機將雜質(zhì)輸送至指定區(qū)域。電動閘門開度能夠根據(jù)格柵池和蓄水池兩側(cè)壓力大小進行實時調(diào)整，粗格柵過濾后的污水通過電動閘門流入蓄水池，再由排水水泵送入后續(xù)污水處理凈化池等。

具體運行時，粗格柵池控制系統(tǒng)有兩種工作模式，分別為手動模式、自動運行模式。手動模式時，可單獨反復運行各設備。自動運行時，按下啟動按鈕，排水水泵和粗格柵電機開始按照觸摸屏設定的額定速度運行，電動閘門開度按照觸摸屏設定的開度打開并保持，進水水泵正轉(zhuǎn)，格柵輸送機低速運行，直至按下停止按鈕后，整機停止。在自動運行過程中，系統(tǒng)可根據(jù)格柵池壓力傳感器1的壓力、蓄水池壓力傳感器2的壓力及格柵輸送機上雜質(zhì)的多少等實時調(diào)整電動閘門的開度及格柵輸送機的速度等。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

考慮到系統(tǒng)功能的需要，進水水泵M1采用三相異步電機；格柵輸送機M2采用雙速電機；排水水泵M3采用三相異步電機并由變頻器控制；為了精確控制開度的大小，電動閘門M4采用伺服電機；粗格柵電機M5采用步進電機。

本系統(tǒng)采用分布式控制方式，由三臺PLC組成，其中一臺S7-1500為主站，兩臺S7-1200為從站，采用以太網(wǎng)的形式組網(wǎng)。電氣控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)組成

3.1 主站

主站采用西門子S7-1500系列PLC，型號為CPU 1511，采用新型的背板總線技術，具有優(yōu)越的性能，編程更加靈活；同時1500 CPU配置了即插即用型顯示板，可直接在顯示板上配置IP地址；可顯示故障診斷信息，方便快速查找排除故障，且具有優(yōu)化的故障診斷機制，在CPU處于STOP模式時，仍可保存故障和報警信息，使這些信息不丟失。S7-1500所有CPU集成兩個PROFINET接口，可實現(xiàn)現(xiàn)場級通信和系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信低成本快速組態(tài)。

系統(tǒng)組建時，主站的兩個PROFINET接口，一個連接觸摸屏，用于現(xiàn)場的人機交互；另一個連接工業(yè)交換機，用于主站和兩個從站之間進行通信和控制等。也可以在交換機接口較多的情況下，觸摸屏直接連接交換機，這樣主站可預留一個PROFINET接口，方便現(xiàn)場調(diào)試、后期系統(tǒng)擴展等。

3.2 從站1

從站1采用西門子S7-1200系列PLC，型號為CPU 1212C AC/DC/RLY，從站1用于接收主站發(fā)來的指令、與主站和從站2進行通信，控制進水水泵M1、格柵輸送機M2和排水水泵M3，接收兩個壓力傳感器的信號等。

3.3 從站2

從站2采用西門子S7-1200系列PLC，型號為CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE40-0XB0，從站2用于接收主站發(fā)來的指令、與主站和從站1進行通信，控制電動閘門電機M4和粗格柵控制電機M5。

其中電動閘門電機M4 為伺服電機，型號為Panasonic AC SERVO MOTOR MHMF022L1U2M。伺服驅(qū)動器選用MINAS A5 系列，型號為Panasonic MADLN15SG，輸入電壓單相/三相交流200～240 V，采用位置控制方式。Pr0.01=0，Pr0.07=3，一圈脈沖數(shù)Pr0.08=2000。

粗格柵控制電機M5為兩相步進電機，型號為Kinco 2S56Q-02054，步距角1.8°。步進驅(qū)動器型號為Kinco 2M530。撥碼DIP1～DIP8設置為00011101，即一圈脈沖數(shù)為2000，靜態(tài)半流，輸出電流為1.8 A。

3.4 HMI

觸摸屏選擇昆侖通態(tài)MCGS TPC7022NI，7寸物聯(lián)網(wǎng)觸摸屏，不但可以在現(xiàn)場實現(xiàn)人機交互，而且不需要專門的云平臺，可通過調(diào)試助手軟件直接連上遠程的觸摸屏，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3.5 從站2系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)組成中，從站2完成電動閘門伺服電機和粗格柵步進電機的控制，根據(jù)要求，接線如圖3所示。從站2為CPU 1212C DC/DC/DC，所以PLC的供電電源、輸入電源和輸出電源都是直流24 V，另外，Q0.0、Q0.1作為電動閘門伺服電機的脈沖端和方向控制端，Q0.2、Q0.3作為粗格柵步進電機的脈沖端和方向控制端。

圖3 從站2系統(tǒng)接線圖

4 功能實現(xiàn)

系統(tǒng)有兩種工作模式：一種是手動模式，可手動調(diào)節(jié)各控制對象的動作；另一種是自動運行模式。處于自動運行模式時，先在觸摸屏上設定排水水泵的額定速度、電動閘門的額定開度、粗格柵電機的運行額定速度，按下自動運行啟動按鈕，進水水泵正轉(zhuǎn)，格柵輸送機低速運行。在自動運行過程中，根據(jù)格柵池壓力傳感器檢測值（P1）和蓄水池壓力傳感器檢測值（P2）隨時調(diào)整閘門的開度，具體如下：

（1）當P1＞1500 Pa且P2＞1200 Pa時，閘門開度維持為當前值。

（2）當P1≤1500 Pa且P2＞1200 Pa時，電動閘門開度自動減小，減小幅度=（1500 Pa-當前壓力值）×0.03 mm，計算結(jié)果四舍五入取整，電動閘門最小開度為5 mm；粗格柵電機以觸摸屏設定額定速度的1.5倍運行。

（3）當P1＞1500 Pa且P2≤1200 Pa時，電動閘門開度自動增大，增大幅度=（1200 Pa-當前壓力值）×0.02 mm，電動閘門最大開度為25 mm，排水水泵以1300 r/min的速度運行，直至壓力大于1200 Pa時，恢復閘門開度為觸摸屏設定的額定開度，恢復排水水泵運行速度至觸摸屏設定的額定速度。此功能不影響格柵電機和格柵輸送機的運行速度。

（4）當P1≤1500 Pa且P2≤1200 Pa時，電動閘門開度根據(jù)（2）（3）的結(jié)果進行疊加。

（5）在運行過程中，如果雜質(zhì)的量多，則光電傳感器檢測有信號輸出，格柵輸送機高速運行；直至光電傳感器信號消失，并延時2 s后恢復至低速運行。

（6）在任何運行時刻，浮球高水位計得電時，觸摸屏彈出警告界面，顯示“進水泵房水位過高”，并使排水水泵以1300 r/min的速度持續(xù)運行5 s，5 s后如浮球高水位計沒有恢復至失電狀態(tài)，觸摸屏警告界面消失，自動運行模式故障指示燈亮，報警窗口顯示“進水泵房水位過高保護”。系統(tǒng)所有電機停止運行，電動閘門保持在當前位置，待浮球高水位計失電后，按下自動啟動按鈕恢復運行。

（7）在任何運行時刻，浮球低水位計得電時，觸摸屏彈出警告界面，顯示“進水泵房水位過低”，并使排水水泵以500 r/min的速度持續(xù)運行5 s，5 s后如浮球低水位計沒有恢復至失電狀態(tài)，觸摸屏警告界面消失，自動運行模式故障指示燈亮，報警窗口顯示“進水泵房水位過低保護”。系統(tǒng)所有電機停止運行，電動閘門保持在當前位置，待浮球低水位計失電后，按下自動運行按鈕恢復運行。

（8）在運行過程中需要停止時按下停止按鈕，或系統(tǒng)發(fā)生緊急事件旋轉(zhuǎn)急停按鈕，系統(tǒng)立即停止（所有電機立即停止），待事件處理完畢，按下自動運行按鈕，系統(tǒng)繼續(xù)運行。

5 結(jié)束語

本文以西門子PLC為控制中心設計了污水處理的粗格柵池自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠根據(jù)污水處理池的實時情況隨時調(diào)整各被控對象，提高污水處理效率，降低污水處理成本。

隨著環(huán)保意識的增強，污水處理技術也在不斷發(fā)展和改進。我們期待更加高效、環(huán)保的污水處理技術出現(xiàn)，為保護環(huán)境和促進可持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻。同時，每個人也應該從自身做起，減少用水，減少排放，為環(huán)境保護貢獻自己的力量。