污水处理系统的自控设计

李兵

【摘 要】针对现在流行的污水高效生物处理工艺过程的要求，开发设计了一套基于工业以太网和PROFIBUS总线的污水处理自控系统。介绍了控制系统的硬件组态、程序设计以及系统工作的基本原理和主要过程。

【关键词】污水处理；控制系统；S7-300；MCC

随着我国经济的持续高速发展，环境保护已经被越来越多的人所重视。而污水处理是其中一个最重要的环节，对国民经济的持续健康发展都具有重大的现实意义。随着工业控制软件及硬件的不断发展和污水处理工艺的不断完善，我们完全可以利用先进的控制技术和控制设备对污水处理的全过程进行自动控制。可以很好的解决以往污水处理系统中存在的自动化程度低、可靠性差、大时滞性等问题。

一、污水处理工艺流程简介

污水处理工艺的选择主要取决于污水所含污染物的特性以及对处理后出水的排放要求。此文选取高浓度的有机污水做为处理对象，根据该类污水的水质特性选用技术先进、成熟可靠的“厌氧+好氧”生物处理工艺作为主处理工艺，在主处理工艺之后增加一个混凝气浮的物化处理单元，目的是化学除磷，确保磷的指标达到排放要求。选择这样一套污水处理工艺流程，具有处理效果好、投资少、能耗低、成本经济，管理方便等诸多特点。主要流程图如图1。

二、控制系统网络结构设计

根据污水处理工艺流程和现场设备的要求，控制系统采用集散型控制系统。控制部分由中央控制室、风机房、污泥处理、MCC控制中心组成。网络结构采用以太网和现场总线混合型结构，现场层的通讯采用PROFIBUS-DP主从协议，使用屏蔽双绞线作为传输介质，不同的子网和不同介质之间可以通过耦合器或接口模块连接。过程监控层使用以太网协议，通过带有双网卡的PLC进行通讯协议的转换，一块网卡为PROFIBUS-DP网卡、一块为以太网卡。PLC作为现场总线中的一个站点，又作为以太网上的一个站点，而操作员站和工程师不作为现场总线网络中的站点，只作为以太网中的一个节点，此网上的各个站点相互之间的数据交换通过以太网进行，而控制现场的的信息也通过以太网从PLC中的寄存器读取，到控制现场的参数也由以太网送到PLC的寄存器中，然后通过主从协议传送到现场总线中的各个子站。

三、中央控制室系统配置

中央控制室由PLC控制柜、操作兼工程师站及一台打印机组成。过程PLC选用西门子S7-300。CPU选用CPU315-2DP，本身集成了PROFIBUS-DP总线的端口，利用这个端口实现和远程的两个子站的通讯。此外PLC上还配置了一块以太网卡，通过一台以太网交换机OSM实现与装有WINCC的操作兼工程师站以及公司级的装有PI软件的监视计算机通讯。

1.控制系统硬件

整个控制系统硬件组态包括一个作为控制系统核心的S7-300PLC站、一个作为主控制站的PC机和一个作为公司监控站的PC机。控制系统的通讯网络包括两个网络：一个是PROFIBUS-DP网络，由S7-300PLC和两个远程I/O模块组成；另外一个网络是工业以太网，由S7-300PLC、主控操作站和公司监控站构成。

2.S7-300PLC的控制流程及程序设计

在整个控制系统中，自动控制部分主要有调节池的PH值、温度、液位的自动控制、事故池的液位控制，此外还有UASB部分、一级A2O处理池、二级A2O处理池等一些流量控制。检测部分主要有各个池的液位、温度、PH值以及管道的流量值。

3.WINCC程序设计

上位机采用WINCC软件作为开发平台生成监控界面，主要完成温度、压力、流量、液位等系统参数的监视、故障报警，远程控制、参数设置、趋势分析、打印报表。主要界面包括启动初始画面、工艺流程总览画面、各单元总览画面等，整个系统界面友好、直观、操作方便。

四、电气部分设计

本系统的电气部分按照工艺划分为预处理单元、生物处理单元、污泥处理单元、鼓风曝气单元等。由于污水处理是一个连续的过程，如果正常生产时发生电源故障，那样会引起工艺状态混乱，需要很长时间才能恢复。所以供电负荷要求为二级，供电电源为两个。一路接市电；一路接UPS，一旦市电中断，UPS电源供电，以保证系统和工艺装置的安全。本流程的主要用电负荷为鼓风机、提升泵和污泥脱水机等。MCC控制中心实现对提升泵、鼓风机、刮泥机、电动阀、脱水机的控制。

以本方案为基础设计的污水处理自动控制系统，利用了当前先进的硬件、软件以及网络总线技术，开发形成了一套先进、可靠、可利用性高、实时性好、操作简单、控制品质高、经济实用的控制系统。通过实际运行，达到了环保部门要求的市政管网的排放标准，体现了良好的社会效益。

【参考文献】

[1]WINCC手册[Z].西门子（中国）有限公司，2010.

[2]S7-300和S7-400梯形逻辑编程[Z].西门子（中国）有限公司，2008.

[3]STEP7 V6.5编程手册[Z].西门子（中国）有限公司，2010.

[4]罗红福.PROFIBUS-DP现场总线工程应用实例解析[M].中国电力出版社，2008.

[5]吕炳南，董春娟.污水好氧处理新工艺[D].哈尔滨工业大学，2007.

[6]张统.污水处理工艺及工程方案设计（精）[M].中国建筑工业出版社，2006.