基于PLC的污水处理控制系统设计

顾宇辉

（1.上海工程技术大学，上海 200437；2.上海市高级技工学校，上海 200437）

水质污染、水源浪费、水资源未循环利用等一系列减少可饮用水的现象，主要在于重工业的排污方面，这是造成水污染的主要原因，也是直接影响水质的重要因素。目前，较发达国家和发达国家在污水的处理方面下了很大的功夫，并且尽可能地实现水的循环利用。我国在各大城市建立了污水处理站，专门针对水质污染进行处理，尽量做到水的二次循环利用。数据显示，每日这些污水处理站需要实现几十吨乃至上百万吨的污水净化，而且不仅仅是净化，还需要满足人们对用水的正常要求，为此，国家专门设置了污水处理的硬性指标，并且在能够承受的范围内排放污水，尽可能地降低对生态环境的影响，减小水污染带来的不良影响。基于此，笔者设计了一套污水处理控制系统，以对污水处理控制系统后续的研发提供参考。

1 污水处理系统的设计方案

本方案将PLC控制的处理系统作为核心系统，针对系统中的工艺以及控制情况进行分析对比。所设计的污水自动控制系统主要分成两个部分，一是控制系统，二是硬件以及软件设计。运用PLC进行控制，代替常规的控制系统，根据其他的检测方式，对于水质进行检测与分析。随后将数据以某种形式传送给PLC，接着运算水质的信号。外面的执行机构也需要同时工作，在保证水质合格的同时还要进行调整。通过这种方式能完全实现污水自动化处理，当水质情况超过安全的范围就会发出警报声，这时就要进行排放出水。这是本设计中最大的优点。根据实际情况，本设计的污水处理系统具有多种处理方法，可对不同的情况做出不同的处理，以达到改善水质的目的，提高水的使用率。污水处理系统工艺流程图如图1所。

图1 污水处理系统工艺流程图

2 污水处理系统的构成

1）中水进水泵：污水处理的进水泵可将从工厂或者生活中排放的污水收集到调节池中。

2）调节池：调节池可对水质进行检测和调节，通过测试污水水质的pH值，来进行相应的控制调节。调节池也起到控制污水水位的作用，可使污水处理量保持在有效范围内，使控制系统处于连续工作状态。

3）好氧池：通过控制曝气机来使液体具有足够的含氧量，更好地对污水进行二次处理，尽快使污水进行分解有机物质的步骤。对比其他控制来说，好氧池控制部分极其重要，且操作最为复杂。

4）过滤器：可过滤液体中不易被肉眼观察到的微小颗粒和杂质，将处理好的污水进行过滤，筛除杂质，反复对液体进行过滤和反洗步骤。并利用石英砂和活性炭材质吸收液体中的有害物质，对污水进行彻底清洗。

5）消毒池：过滤后的水还不能直接使用，要经过消毒池进行药物消毒后才能符合用水要求，添加药物消毒可杀死水质中的细菌和微生物等有害物质，以达到国家用水标准。

6）储水池：此时污水处理已基本完成，最后只要将处理好的水进行集中储存，方便之后的调用，即整个污水处理控制过程结束。

3 污水处理控制系统的硬件选择

污水处理控制系统硬件的选择主要是对核心硬件进行选型和设计，包括PLC硬件的选择、液位传感器的选择、PLC程序设计。控制核心为PLC硬件和采集信息的传感器，最终用于实际的现场执行设备[1]。

PLC控制系统：PLC适用范围较广，主要用于循环扫描、集中输出，由外部信号和内部程序按顺序有序进行运行处理，且运行结果信息并不会被及时处理，而要先存放在存储器单元，必须执行完最后一步，系统才会对信号进行相关处理。从目前形式来看，PLC按规模可分为大、中、小型。大、中型PLC采用模块分化式分布，以CPU为核心部件对模块进行相关拓展，并对现场进行数据采集，针对实际情况加载相关控制模块；小型PLC采用主机CPU和I/O模块集中控制，由于I/O模块主体规模不大，所以可通过拓展模块进行拓展控制，装载数据模块由PLC类型和现场实际情况决定。就以上问题考虑，本设计决定使用小型PLC控制，选择西门子S7-200 CPU226型PLC，如图2所示。

图2 西门子S7-200 CPU226型PLC

液位检测传感器：由于本设计需对调节池和储水池进行液位监控控制，调节池液位信号应与pH值调节泵连接使用。所以在调节池水位超过上限值时，供水系统自动停止运行，并测量污水池的pH值，计算出需要添加的pH值调节剂剂量，实现PLC自动调节污水池pH值。

浮球液位传感器由检测单元和转换单元构成，检测单元由连杆、浮球装置组成，连杆内部装有感磁元件，浮球内装有磁性元件。液位发生改变时，浮球位置也改变，当液位到达设定量时，连杆内的弹簧感磁闭合，内部电阻也随之变化，这时信号转换单元将数值转换成适合仪器使用的电压/电流数值（1 V~10 V/4 mA~20 mA），浮球液位传感器可适用于很多液体检测场合。浮球液位传感器的结构如图3所示。

图3 浮球液位传感器

本设计所使用的液位检测传感器使用DC24 V电源供电，信号为4 mA~20 mA输出，浮球为SU304不锈钢材质，抗腐蚀性好，检测差距在±5 mm范围内，测量液位在200 mm范围内，垂直安装在容器内，溶液浓度保持在0.015 paS内。

变频器是通过电子元件的工作状态将不可调交流电变为可调直流电的工作器件，通常由主电路以及控制带电路构成，主电路由异步电机VF电源直接供电，通过控制电路的电压、电流、输出功率来控制相应指令，从而得到外部操作指令信息。在一些较复杂电路或者要求较高调速的情况下，为预防逆变电路发生过载现象，使用者可对变频器主电路、保护电路进行测试，防止由过电流/过电压造成的器件损坏，起到保护电路、电动机、变频器等的作用。本设计选择西门子MM440系列变频器，MM440实物图如图4所示。西门子MM440是针对功能要求高和灵活性较好的场合设计的变频器，使用范围较广，为防止负载在运行时发生改变，采用矢量控制来保持信号的稳定性。MM440具有高速运行的输入特性和减速定位功能，可在没有编码器的情况下准确定位到位置，且驱动电路功率较大，最高能达到250 kW（350 P），最低能达到0.12 kW（0.16 P）。

图4 MM440实物图

4 污水处理控制系统的I/O设计

对PLC污水处理系统的设计需要考虑制作成本低、结构简洁、制作简单等方面，整体设计思路首先要对输入输出端进行设计，绘制I/O分配表，根据表格确定完整的设备原理图，并进行合理的硬件原理图设计。

1）输入端设计：本设计考虑到发生紧急事件时，可通过按下急停按钮立刻中断系统运行，起到安全保障作用，因此设有切换按钮，可自动切换运行状态。该控制系统具有手动、自动两种运行状态，还设有在自动状态时立即启动和停止按钮，方便系统操作；当系统处于手动运行时，设备手动控制系统启停、进水泵启停、pH值调节泵启停、过滤器启停、消毒启停等。同时系统还具备检测调节池和蓄水池液位功能，利用液位传感器检测调节池的pH值。污水控制系统的I/O分配表如表1所示。

表1 输入分配表

2）输出端设计：PLC的输出端主要接外部负载设备，如运行状态指示灯、系统故障灯、进水泵接触器、pH值调节泵接触器、消毒泵接触器、过滤接触器等。根据系统控制要求设计PLC输出分配表，如表2所示。

表2 输出分配表

3）动力回路控制：本设计电路主要由6台控制电动机运转，系统电压为380 V，且QF0为系统的供电电路的总控制开关，起到短路保护作用；每组回路都具有对应的断路器元器件，起到过载保护和短路保护等作用；每组回路还具有相应的热继电器元器件，用来控制运行电流在额定电流范围内，当运行电流大于额定电流时，热继电器受热变形，触点断开同时使该电路断电。电动机自动运行由接触器控制，当接触器线圈通电时，该回路接通，使电动机运转，不同的接触器对应不同的PLC输出端。本设计重点在于控制pH值调节泵和运行状态的变换，系统主电路回路设计如图5所示[2]。

图5 主电路回路

4）PLC回路设计：本设计选用西门子S7-200系列的PLC控制，选择型号为226CN-AC/DC的继电器控制，供电电压为220 V交流电和24 V直流输出电源，PLC输出端为继电器输出，RSP为急停按钮，SA为系统状态转换按钮，SB1~SB10为输入端按钮，FR1~FR7为热继电器触点，KM1~KM5为接触器触点线圈，HL1~HL2为系统指示灯。PLC回路单元电路图如图6所示。通过PLC技术实现了对整个制造过程的统一控制，不但提高了准确度，还提高了生产效率[3-4]。

图6 PLC回路单元电路图

5 污水处理系统PLC程序的设计

为方便PLC编程的设计，在确定污水处理系统的程序之前，要设计出PLC的工作流程，如图7所示。该控制系统分为手动/自动模式，具有启停控制、选择分支控制等。

图7 PLC工作流程图

1）控制选择与启停：污水处理程序的控制选择与启停程序段如图8所示，可实现手动、自动切换。由程序可知，若想要系统处于自动运行状态，应确保I0.1为接通状态；当I0.1为断开状态时，程序为手动控制状态。按下自动运行按钮，I0.2通电，M0.0接通，系统为自动运行状态，按下停止按钮，改变运行方式，M0.0断开，停止自动运行[5]。

图8 控制选择与启停程序段

2）调用子程序：M0.0得电时执行程序才会调用，且只在自动运行状态下才会启动。水泵和pH值调节泵子程序调用程序段如图9所示。

图9 水泵和pH值调节泵子程序调用程序段

6 写入程序调试

为确保系统能够顺利运行，本设计决定采用仿真软件对PLC程序进行仿真调试，强制给PLC输入量，达到设计目的要求。经调试后，证明PLC程序无误，符合工艺要求。程序调试如图10所示，打开L0.0、L0.3、L0.4、L0.5、L0.6、L0.7、L1.0、L1.1、L1.2电磁阀让Y0、Y1、Y2启动，自动打开水泵使污水进入调节池，打开pH值调节泵和曝气机对污水进行加工处理。经过测试，本设计的控制系统符合设计要求。

图10 程序调试

7 总结

一般对污水的处理包含了厌氧、好氧两个阶段，通过这两个阶段的处理，能够将污水中极少数的碳水化合物和较多的可燃气体提取出来，并且根据其他工艺进行回收再利用，这样就能做到循环利用水资源。该控制系统不仅可以实时监控数据信息，还能自动运行系统并修改相关数据，已达到设计目的。