基于PLC的电气自动化控制水处理系统分析

张津铭

（北京理工大学 北京市 100081）

我国的水资源分布并不均衡，并且很多省份容易出现缺水的情况。我国工业用水和生活用水需求越来越多，其排放的污水量也出现了增加的趋势，产生的大量污水给企业和环境等都带来了不良影响，因此，本文提出了一套高效和稳定的污水处理控制系统，以此通过系统的设计方案，保障人们能够正常用水，提供更加高质量的水资源。

1 污水处理系统的工艺流程

本文所设计的污水处理厂需要处理的生活污水可达1000 立方米。污水处理的工艺流程主要为：

（1）污水需通过粗格栅和提升泵站、细格栅、曝气沉沙池的处理；

（2）恒水位SBR 生化池进行生化反应；

（3）进行污水的排毒。即接触滤池、消毒池、巴氏计量槽后经出水提升泵将处理水排放到河流中。

（4）污泥泵在经过混合反应沉淀池和生化池后，将污泥排放到储泥池中，然后将储泥池中的泥排放到污泥浓缩机房后，将制成泥饼送出厂外，其整体的污水处理系统的工艺流程如图1所示。

2 污水处理系统总体方案设计

本文主要利用先进的计算机控制系统对污水处理工艺的三个阶段等进行分布式控制。其中实施电气自动化控制的阶段主要有：预处理阶段、生化反应阶段、后续污泥处理阶段，本次设计的污水处理厂采用的系统为分布式控制系统，其设计如图2所示。

2.1 污水处理系统电气电路的主要构成

（1）本系统设计主要采用的变频器为380V 交流电供电，传感器和电磁阀主要由24V 直流电源进行供电，如图3所示：PLC 供电电源。

（2）变频器风机控制电路。

（3）提升泵控制电路。自动控制模式下，PLC 通过控制接触器的闭合或者断开等对电机的启动或者停止等进行闭合和断开。

（4）进行的回路设计主要如表1所示。

2.2 污水处理自控系统软件设计

2.2.1 PLC 和CPU 的选型

本系统主要采用西门子S7-300 系列PLC，这种模块式PLC 的构成部分主要包括：机架、电源模块、CPU 模块、通信模块等构成。S7-300 系列PLC 最大的优势就是具有较高运算能力，并且还具有较高的抗干扰功能，能够对数据进行处理。相对于CPU 选型，其需要考虑的是接口和性能，在实现与PROFINET 网络进行通讯，在选择时需要优选带PN 接口的CPU；在与从站进行通信时，主要采用带DP 接口的CPU。因此，通过选择CPU315-2PN/DP,能够满足本系统对于CPU 的要求。

2.2.2 仪表的选型

检测仪表主要是由变送器、传感器、显示器等构成。现场传感器测量信号后，其信号由变送器转化成4-20MA 的电信号，在将其送入到PLC 模拟量输入模块后，其能够在上位机中显示出被测信号的数值。因此，在选择仪表时需要根据以下几个方面进行选择：

（1）保障仪表的稳定和正常运行，以减少由于外力因素或者环境因素等给仪表带来的较大干扰；

图1：污水处理工艺技术

图2：污水处理控制系统

图3：PLC 供电电源

（2）对于价格和性能等进行比较，满足控制要求；

（3）仪表型号应该尽量统一，使其方便管理。

图4：登录界面和泵房监控的界面

2.2.3 模糊自适应PID 控制器

模糊控制的方法有软件模糊推理方法、硬件模糊控制器方法、查表法。本次系统设计主要使用的方法为查询表法。使用过程为：模糊控制查询表可以通过MATLAB 中所获取，在将查询表应用到PLC 数据块中后，通过模糊控制程序等查询到该表。

模糊自适应PID 控制PLC 的具体流程为：

（1）溶解氧传感器所获取的数据送入到PLC 中，在计算后能够得到相关的误差，即e 和ec；

（2）将误差值进行模糊，即E 和EC。

（3）存储在数据块中的查询表进行有效查询，得出相关的输出量，即KP/K1/KD；

（4）解模糊化，将模糊量进行转化后，转化为Kp/ki/kd 等进行控制。

2.2.4 上位机与现场设备连接的设置

上位机监控层设计的第一步就要对上位机与现场设备的通讯进行更好的设置。其操作如下所示：控制面板处于打开的状态后，在左键点击网络和internetde，在连接网络后，右键点击本地连接，并在属性中找到IPV4，设置IP 地址。

第二部设置PC 和PG 接口，打开控制面板，左键点击这些控制面板选项后，左键点击设置PG 和PC 接口，通过手动输入添加或者删除，完成上位机的网络配置。

2.2.5 设计污水处理监控系统

（1）登录界面。管理员在登录账号密码后，对系统运行的状态等进行有效的监控。如图4所示。

（2）泵房监控的界面。该界面的设计主要是对泵房的液位等进行有效的监控，同时还能够提升泵房的整个运行的状态。

2.2.6 选择合适的软件

本设计主要采用的软件为TIA 博图软件，该软件能够对该系统中的硬件进行组态，对各个控制环节的程序等开展有序编写，在PLC 中实现模糊PID 控制。同时，本文所采用的WinCC 组态软件能够对监控污水处理的各个环节开展有效的监控，从而全面提升水的质量。

3 各环节控制方案设计

3.1 粗格栅的有效控制和设计

污水进厂之后要经过粗格栅，其主要的作用就是能够对大块的杂质进行拦截。粗格栅通过配置一台格栅除污机。粗格栅两侧装有液位差传感器，当粗格栅拦截更多的固体杂质之后，其出水量就会出现减少的现象，液位差也会出现增大或者恢复到设定值，通过启动栅除污机，以对格栅所拦截的污染物进行有效控制。

3.2 污水提升泵的设计

在提升泵站的进水管道装有超声波液位传感器，经液位传感器采集到的数据送至到控制中心，将所测得的液位值与设定的液位值进行相互比较后，能够使泵的运行状态和数量等得到有效控制，实现泵站的自动化控制。在启动液位和停止液位时应该根据当地的实际情况进行设定，即通过将泵的液位进行启动后，分别将其设置为：2 米、4 米和6 米。

3.3 细格栅的控制和设计

粗格栅中所处理的水可以经过提升泵将其送至到细格栅中，相对于粗格栅，细格栅能够对较小的固体杂质进行有效的拦截，其在工作时与细格栅较为相似。细格栅的两侧中通过设置传感器，当出水量出现减少或者细格栅两侧的液位差出现增大的现象后，其需要启动格栅除污机，在启动后对格栅拦截的污染物等进行清除，然后这些污染物也将从细格栅中进行处理，即在细格栅栅渣出口处的螺旋输送压榨机压榨。

3.4 恒水位SBR反应池的设计

该反应池作为水处理的重点，其处理污水时首要进水1 个小时；在进水完毕之后停止进水，将溶解氧浓度控制在2.5 毫克/L；曝气完成（2.5 小时）之后停止风机，沉淀1 小时。沉淀完成之后启动滗水器，滗水在完成之后启动污泥泵排污泥0.5小时；排污完成之后，需要停止排污泵，运行完成一个周期。

4 总结

本文针对于污水处理进行了有效的设计和系统分析，通过采用一种全新的水处理技术和工艺等，以为解决当前水污染问题等提供参考的价值。本设计能够对水处理系统的正常运行等进行监控，实现上位机、下位机、控制主站等的有效连接，在建立远程通讯后，使得污水处理的效果更加显著。尤其是通过采用模糊自适应PID 控制算法，以及时调整风机的转速，实现了对SBR 反应池溶解氧浓度的有效控制，保障数据更加精准。