浅谈PLC控制在污水处理中的运用

在污水处理过程中要求整个系统必须安全、可靠运行，在工艺设备、仪表、电气自控系统、计算机和网络系统、系统设计、软件设计等方面，系统的可靠性是考虑的第一原则。

1  引言

随着中国工业的快速发展，人们物质生活的提高，同时我们生活环境的污染日益加剧，尤其是水污染已经严重地威胁到了人类的健康，在全球推进低碳经济，节能减排的大趋势下，如何节能、高效地解决污水处理问题，已经成为社会研究的热点。在加之国家对环保投入的不断增加以及污水处理行业改革的不断深入，城市污水处理厂运营管理向市场化、专业化、规模化，集团化趋势发展。因此，对污水处理厂的生产运行实施全方面自动控制与远程监控，对降低运行成本、加强生产管理、确保污水处理工艺的正常高效运行和水质达标排放、提升企业运营管理的效率和品质具有十分重要的意义。

在污水处理过程中要求整个系统必须安全、可靠运行，在工艺设备、仪表、电气自控系统、计算机和网络系统、系统设计、软件设计等方面，系统的可靠性是考虑的第一原则。

2  工艺流程分析

污水处理一般来说包含以下三级处理：一级处理是它通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、油脂等。二级处理是生物处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。三级处理是污水的深度处理，它包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。工艺流程如图1所示。

图1  污水处理厂a2/0接触氧化工艺流程图

2.1预处理

(1) 粗细格栅分别按时间顺序进行控制，15min为一个周期，间歇时间10min，每次运行时间为5min。粗细格栅同时还有设在格栅前后的超声波液位计的液位差控制，当液位差大于25cm时，格栅同时连续运行。直到液位差下降小于10cm时，格栅恢复到时序控制状态运行。

(2)污水提升泵的控制：污水提升泵主要根据水位启动和关闭。当池水位降至低水位(由液位计控制)时，系统发出报警信号。根据水池水位，出厂水流量和水源进水量决定源水泵的开启台数，并按先启动先停车的原则，对累计工作时间多的先停的原则，轮换进行工作，原则上一用一备。

(3) 沉砂池：沉砂池旋流除砂机、搅拌机、砂水分离器可与提升泵实现联动控制。

2.2罗茨鼓风机房

罗茨鼓风机转速由变频器调节，其控制原理是首先将设定值与检测值进行比较得到精确量e和ec，通过模糊化变换成模糊量，再根据由大量实验数据和专家经验得出的模糊知识库把模糊输入量进行模糊推理得到相应的模糊控制量，经模糊判决将模糊控制量转化为精确控制量输出，从而实现对曝气量的控制，进而调节池中的do浓度。

在上位机上能检测到鼓风机的电流大小。厌氧、好养池上不同角落安装摄像头在控制室可观察布风是否均匀，观察水的色度及变化情况。好养段安装在线do检测仪，进水出水安装在线cod自动检测仪。

2.3剩余污泥泵站

在泵站内安装超声波液位计并在中控室显示水位，当水位超过2米时，水泵开始工作，当水位小于0.7米时，水泵停机并发报警信号到中控室。当污泥池水位超过设定的最高水位时，水泵停止工作。

2.4二沉池、脱水机房

二沉池污泥泵可实现自动启停根据池内污泥的液位变化设上限开下限停，可以实现远程控制。加药装置自动配料，溶解，投加于一体，定量投药装置具有液位控制、物料检测、振动辅助下料。

出水口电磁流量计流量在中控室上显示。

图2  plc系统图

3  监控系统设计

污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围。在中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数(水质参数、流量、液位等)、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到中控室。

3.1 功能设计

(1)控制操作。在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置plc的某些参数等。为保证污水处理厂的安全运行，自控系统设立三种控制方式：现场就地控制、屏柜控制和远程中控室控制。现场就地控制是指通过设备本地控制箱手动控制设备的开启或关闭；屏柜控制是指在配电房能够控制部分设备的开启或关闭，并配有触摸屏能够在其实现主要设备的开启与关闭，并能显示其设备的状态和参数；远程中控室控制室指由中控室通过现场总线对全厂的生产过程进行控制、监测和记录，并能对设备可以进行手动和自动开启或关闭。三种控制方式的关系如下：中控室上位机可通过plc直接控制有关设备和主要设备，如果中控室或网络发生故障，操作员可通过就地控制箱对设备进行控制。

(2)显示操作。用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。

(3)数据管理。依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化曝气池的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。

(4)报警管理。当某一模拟量(如电流、压力、水位等)测量值超过给定范围或某一开关量(如电机启停、阀门开关)阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警并能够实现声光报警。系统可自动切除相关故障设备或切换到现场手动操作方式。同时记录事故内容，并对相关参数进行事故追忆。

(5)打印功能。可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

(6)运行与保护。对运行设备、仪表电气自控系统设计保证其安全可靠的保护措施，如，潜水电机具有电机过热保护功能，回流泵还具备泄露保护功能，提升泵除具备上述功能外，具备油室进水和定子过热保护功能。plc及传感器系统供电设计有1：1隔离变压器，传感器必要时需加装信号隔离器防止信号干扰。

3.2 系统结构

系统由生产过程上位pc机、plc控制、pt触摸屏系统组成。根据污水处理厂工艺流程和设备情况，控制系统采用集中式plc(可编程序控制器)结构，设计拟采用欧姆龙生产的cj1系列，该系统为单元式结构，plc与上位机通讯采用controller link通讯，plc与触摸屏通讯采用rs232串口通讯。设计中考虑系统余量为20%，便于今后扩展。数字量信号为24vdc；模拟量仪表信号为4~20ma。plc系统如图2所示。

3.3 配置设计

(1)其欧姆龙生产的cj1系列plc设备配置(①:nt-nl001②:cj1m-pa205r③:cj1m-cpu12④:cj1m-scu41⑤-⑧：cj1w-id231⑨：cj1w-od231⑩-(11):cj1w-ad081-v1(12):cj1w-da081)

(2)plc系统和仪表系统设计均由ups电源独立供电，设浪涌电源保护器。plc和仪表系统均采用独立信号接地系统，接地电阻不大于1欧姆，且接地体原理防雷接地体20m。当条件不允许时，亦可采用共用接地系统，但接地电阻必需小于1欧姆，且系统为一点接地。

(3)主要过程检测仪表的设置：粗细格栅前后拟设超声波液位计各1套，测量粗细格栅前后的液位值，当液位值预设上限值时，起到事故报警的作用。在消毒池后的出水总管上设电磁流量计，测量出水流量。在氧化沟设溶解氧分析仪1套，适时检测反应段的溶解氧气量，采集的信号输入plc，通过程序运算输出到鼓风机变频器，从而控制鼓风机的供气量；并设cod分析仪，也可设ph仪、色度仪等。在贮泥池设超声液位计1套，采集贮泥池的泥位信号，由此控制贮泥池的搅拌机的启动、停止，在超过液位上限位时发出报警。在二沉池污泥井设液位浮球控制污泥潜水泵设备启停。

上位机提供一个人机交互界面，使操作人员可以通过上位机和模拟屏直观的了解现场各工艺参数及故障报警，发出相应的控制指令。大容量存储器记录历史数据。控制核心采用plc，编程后的plc能够按照内部程序对系统进行实时监控，程序启停现场设备。

控制提升泵站、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流污泥泵站的所有设备及传感器，剩余污泥泵站、储泥池、加药间、脱水间的所有设备及传感器。

操作人员通过上位机向plc发出相应的控制指令后，由plc对现场进行直接控制。此时即便上位机出现故障(如死机、掉电等)，也不会影响系统的正常工作，plc能够对现场的设备进行欲处理。

3.4测控方式

整套污水处理流程可有多个监控点，包括液位、ph值、溶氧、cod、色度、浊度、频率、泵运行状态等。各模拟量参数通过相应的变送器输出4~20ma的标准信号，通过屏蔽电缆接至plc的ai模块。信号从plc的ao模块通过屏蔽电缆接至相应变频器、启闭阀门。数字输入信号为24v直流电信号，通过电缆接至plc的di模块。数字输出控制信号为24v直流电信号，从plc的do模块通过电缆接至现场设备。每台现场设备原则在其相应现场控制箱上输出有三个状态信号：故障、运行/停止、手动/自动和一个启动信号(并把相应信号反馈给plc)。为了使现场与plc完全隔离，plc所有数字量模块与现地箱中间必须加辅助继电器。所有输出信号(包括模拟量和数字量)由plc内部程序或上位机指令控制。

3.5 上位机组态软件

上位机软件采用的是ifix组态软件为开发平台，整套系统建设有多幅实时监控画面，包括污水系统总貌、预处理提升泵站与沉砂池、氧化沟、二沉池、加药脱水间。通过plcdi反馈信号表明设备运行状态。在pc机上也可实现手动与自动两种方式控制，在电机运行方式为手动时，可用鼠标点击画面电机启动按钮远程启动各现场设备。各仪表的瞬时值依据实际安装位置被分别标注到不同的分布工艺流程图中，其实时数据和历史数据被做成相应分布图的子画面。整个软件界面呈树状排列，便于查阅、操作简便。数据库是上位机监控软件的核心所在，因此必须依据实际需要首先将其建设好，然后将各功能模块进行恰当的组合。实际编程过程中在定义变量时，记录可设定为不计录、数据变化时记录和定时记录，要根据实际情况选择相应的设置，从而节省存储空间。报表分为实时报表和历史报表两种。

3.6 plc软件和触摸屏

触摸屏直接和plc主机相连，同样采用树形结构设计，依据不同的生产工艺区，将所有控制设备分成：提升泵站、沉砂池、氧化沟、二沉池、回流污泥泵站、剩余污泥泵站、储泥池、脱水加药间、脱泥间设备。所有传感器的值均归属于各自的子界面。

4  结束语

4.1 功能实现

(1) 对整个系统内的设备及运行结果(泥位、液位、流量等)具有控制、监视、参数设定、故障报警、故障诊断功能。

(2) 根据污水处理工艺和逻辑的要求，严格执行设备开启、停止、故障或紧急停机等控制。

(3) 系统动态显示，画面将各个工艺流程直观的显示在屏幕上，可以实时监控系统设备的工作状态和参数。

(4) 选择合理的自动运行模式，使整个系统的运行处于安全稳定的状态，并能达到污水处理的工艺要求。

(5) 当设备或控制参数接近非正常状态时，界面有报警提示，并伴有声音报警。

(6) 进行报警历史记录，将故障分类整理归档，且报警记录不可删除，用于事故分析和追忆。

(7) 历史数据通过历史库进行存储，操作人员可以方便的生成重要设备和监测指标的运行报表和曲线，并具有随时进行调用、打印功能。

(8) 系统具有用户权限管理功能，对工程各关键操作都设有不同级别的权限，以保证系统的安全性。

4.2 技术方向展望

随着污水处理技术的迅速发展，控制系统性能的不断提高，可以预见，plc自动控制系统在污水处理控制领域具有广阔的应用前景。随着对现场总线控制系统的了解和研究的深入，智能化现场仪表和设备将应用到污水处理厂，构成完整的自控系统，会进一步提高污水处理的自动化和管理水平从而大大降低了工人的劳动强度。

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