关于西门子PLC在污水处理控制中的应用

摘 要：污水处理事关环境保护和水资源的重复利用，是当前城市运转所必备的环节之一。但因污水处理的环节多、工况差，依靠人工处理不仅不安全还效率低下。西门子PLC功能强大、适应性好，被广泛应用于各行各业。文章首先阐述西门子PLC的发展历程和工作原理，接着以污水处理的具体环节为依托，分析西门子PLC在其间的应用。文章的研究为推进污水自动处理起到抛砖引玉的作用，具有一定的实践意义。

关键词：西门子PLC；污水处理；自动控制

城市污水脏度高，利用人工处理不但有损工作人员健康，还影响处理效率，因此，推行污水自动处理势所必然。西门子PLC在自控领域有着非常重要的地位，将其应用到污水处理的控制意义重大。

1 西门子PLC概要

西门子PLC，是德国西门子公司生产的可编程二进制控制器，被广泛应用在生产生活的各个层面。截止当前，其发展已经历了SIMATIC S3→SIMATIC S5→SIMATIC S7→TIA等阶段。西门子PLC的特点是：（1）活动元件少，因而工作可靠；（2）各类保护齐全，设备安全性高；（3）编程简单，错误率极低。

西门子PLC的工作原理[1]：（1）输人采样。在该阶段，PLC以扫描方式对数据或状态进行读取，在初步处理后输入至后续阶段。（2）程序执行。在该阶段，PLC以梯形方式自上而下进行程序扫描（对每一梯级执行从左向右扫描），进行运算后产生执行指令。（3）刷新输出。即PLC的CPU通过输出锁存电路将命令传达到相应设备中。

2 污水处理流程

就污水处理方法来说，主要有物理法、生物法和化学法等，各种方法各有优缺点。当前的趋势是将这三类方法综合运用以达成最优效果。文章以某城市污水处理工艺为例，扼要说明污水处理流程。

2.1 预处理

分三步走：（1）首先将污水送入粗格栅除污机；（2）接着由污水提升泵将污水送入回旋式细格栅除污机进行细筛；（3）最后将污水

注入旋流沉砂池中进行沙泥沉淀。

2.2 污水净化

将预处理后的污水先送入一次分配井，再通过氧化沟进入二次分配井，最后再到污泥泵房中进行二次沉淀、消毒等。

2.3 污泥处理

即将以上步骤中产生的污泥经由发酵、消毒、脱水等工序，产生沼气和化肥。

3 基于PLC的污水处理系统设计

3.1 总体框架

污水自动处理系统应设计为集散型系统（含管理层与控制层），其中，管理层负责过程监控及数据分析，控制层负责契合工艺需要的自动操作[2]。

集散型系统的核心为可编程控制器。对于本案，为确保污水处理的安全、可靠，经综合比较，决定采用上位机+下位机的方式来组建系统。其中，上位机采用西门子WinCC组态软件，主要实现远程监测、参数设定、指令下发、数据存储及故障报警等功能；下位机采用西门子S7-300，其实现数据采集、逻辑协调、自适应控制等任务。

3.2 PLC配置

电源模块选用6ES7 307-1KA02-0AA0 24VDC 10A；CPU选用CPU315-2PN/DP；DI模块选用6ES7321-1BL00-9AM0，DO模块选用6ES7322-1BL00-9AM0，分别处理32点的输入输出信号；AI模块选用6ES7 331-1KF02-9AM0，AO模块选用6ES7 332-5HF00-9AM0，分别处理处理8点输入输出信号。

3.3 PLC程序设计

PLC程序设计基于SIEMENS的Step7 V5.5软件平台[3]。为了符合污水处理的流程，我们宜采用模块化编程方法，即将污水处理中的每个阶段对应一个功能块进行编程，然后通过组织块OB1进行串接。PLC程序流程如图1所示。

3.4 其他设计

因文章的主体是研究PLC在污水处理控制的应用，因此其他部分如上位机设计、网络选择等不做重点展开，但鉴于整个系统的关联性，这里对其他部分略作一下说明。

（1）上位机。组态软件与S7-300采用串行通讯方式进行沟通。S7-300有PORT0和PORT1两个通讯端口，一般用PORT1作为与上位机通讯端口（直接与RS485总线相连）。运行时，PLC的波特率值选为9600。上位机软件一般应包括主菜单、系统总貌、参数画面、趋势画面、报警画面等几大部分。

（2）网络。本系统的网络采用Ethemet/IP工业以太网（符合TCP/IP协议），冗余设计，速率100Mb/s。

4 西门子PLC在污水处理控制的应用

考虑到各种运行可能，污水处理系统需兼具中央控制和就地控制两种能力。就地控制就是手动操控现场设备（PLC仅起监视作用），主要用于故障情形；当“手动/自动”开关定位在“自动”，则进入中央控制方式。中央控制有两种：上位机控制和PLC控制。前者的PLC接收上位机指令并将其实现；后者的PLC兼具主控机作用，能根据预设阈值自行产生操作指令，下面主要就这种类型进行阐述。

（1）在污水预处理阶段：a.PLC依照“渣耙下降→渣耙闭合→渣耙上升→渣耙停顿→渣耙开启→渣耙下降”的循环往复逻辑对粗格栅除污机的电机进行操控；对回旋式细格栅除污机的操控与此类似。b.在污水经由粗、细格栅除污机进入污水池后，PLC不断采集液面高度数据并与阈值比对，若超过阈值则启动污水提升泵将污水导入旋流沉砂池，同时对旋流沉砂池进行排水、排泥操作。

（2）在污水净化阶段：a.PLC不断采集一次分配井的液面数据并与预设阈值比对，当达到阈值时PLC发出指令将水导入氧化沟进行外、中、内三层循环，然后进二次分配池。b.与上一步骤类似，PLC通过检测、比较二次分配池的液面，来控制二次分配池的蓄水-放水动作。c.经由二次分配池的污水进入沉淀池后，PLC采集浊度数据并与阈值比对，当低于阈值时PLC出发“放水”、“放泥”命令。

（3）在污泥处理阶段：PLC监控污泥发酵后的甲烷浓度并实时

显示，以供人工抽气、取泥（用来除重金属后做化肥）的判据。

5 结束语

西门子PLC操作灵活、编程方便、性价比高，非常适合于污水自动处理的控制。文章从上下位机设计、PLC配置、PLC在污水处理的具体应用等层面做了详尽描述，可为推进污水处理添砖加瓦。

参考文献

[1]张丽丽.西门子PLC控制系统在污水处理控制中的应用[J].世界有色金属，2015（9）：83-85.

[2]牛健.PLC在污水处理控制系统中的应用[J].黑龙江科学，2013，4（6）：56-58.

[3]李庭贵.西门子PLC在污水处理控制系统中的应用[J].机械工程与自动化，2013（8）：4-6.

作者简介：顿小伟（1981，9-），男，湖北荆门人，工程师，本科学历，主要从事工业自动化控制系统工作。