一种基于PLC的污水处理粗格栅池自动控制系统设计

罗洪霞

（广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483）

0 引言

随着社会工业化、城市化及现代化的发展，每时每刻都会产生并排放大量的污水，污水处理已成为现代社会生活的必要组成部分，对于保护环境和维护公共卫生具有至关重要的作用。污水处理的基本方法包括：物理处理、化学处理和生物处理。本文介绍的粗格栅池是一种污水的物理处理方法，主要利用粗格栅机械分离、沉淀、过滤等手段去除污水中的悬浮物和杂质，这种方法被广泛应用于污水处理流程的初级处理。

PLC控制系统具有高度的稳定性和可靠性，被广泛应用于各领域，不但能实现各种逻辑控制，还能用于运动控制、数据处理和通信等[1-2]。基于PLC的污水处理粗格栅池自动控制系统能实现污水处理的自动化，提高污水处理效率，降低污水处理成本[3]。

1 粗格栅池控制系统结构

污水处理粗格栅池控制系统由进水水泵、粗格栅、格栅输送机、电动闸门、排水水泵等组成，系统可以实现过滤污水中的悬浮杂物，并将过滤后的水送入后续污水处理净化池的自动控制系统中。系统结构示意图如图1所示。

图1 粗格栅池控制系统结构示意图

2 粗格栅池控制系统功能设计

粗格栅池系统功能如下：污水由进水水泵抽入格栅池，粗格栅将污水中过滤出的杂质输送到格栅输送机，格栅输送机将杂质输送至指定区域。电动闸门开度能够根据格栅池和蓄水池两侧压力大小进行实时调整，粗格栅过滤后的污水通过电动闸门流入蓄水池，再由排水水泵送入后续污水处理净化池等。

具体运行时，粗格栅池控制系统有两种工作模式，分别为手动模式、自动运行模式。手动模式时，可单独反复运行各设备。自动运行时，按下启动按钮，排水水泵和粗格栅电机开始按照触摸屏设定的额定速度运行，电动闸门开度按照触摸屏设定的开度打开并保持，进水水泵正转，格栅输送机低速运行，直至按下停止按钮后，整机停止。在自动运行过程中，系统可根据格栅池压力传感器1的压力、蓄水池压力传感器2的压力及格栅输送机上杂质的多少等实时调整电动闸门的开度及格栅输送机的速度等。

3 电气控制系统设计

考虑到系统功能的需要，进水水泵M1采用三相异步电机；格栅输送机M2采用双速电机；排水水泵M3采用三相异步电机并由变频器控制；为了精确控制开度的大小，电动闸门M4采用伺服电机；粗格栅电机M5采用步进电机。

本系统采用分布式控制方式，由三台PLC组成，其中一台S7-1500为主站，两台S7-1200为从站，采用以太网的形式组网。电气控制系统组成如图2所示。

图2 电气控制系统组成

3.1 主站

主站采用西门子S7-1500系列PLC，型号为CPU 1511，采用新型的背板总线技术，具有优越的性能，编程更加灵活；同时1500 CPU配置了即插即用型显示板，可直接在显示板上配置IP地址；可显示故障诊断信息，方便快速查找排除故障，且具有优化的故障诊断机制，在CPU处于STOP模式时，仍可保存故障和报警信息，使这些信息不丢失。S7-1500所有CPU集成两个PROFINET接口，可实现现场级通信和系统的网络通信低成本快速组态。

系统组建时，主站的两个PROFINET接口，一个连接触摸屏，用于现场的人机交互；另一个连接工业交换机，用于主站和两个从站之间进行通信和控制等。也可以在交换机接口较多的情况下，触摸屏直接连接交换机，这样主站可预留一个PROFINET接口，方便现场调试、后期系统扩展等。

3.2 从站1

从站1采用西门子S7-1200系列PLC，型号为CPU 1212C AC/DC/RLY，从站1用于接收主站发来的指令、与主站和从站2进行通信，控制进水水泵M1、格栅输送机M2和排水水泵M3，接收两个压力传感器的信号等。

3.3 从站2

从站2采用西门子S7-1200系列PLC，型号为CPU 1212C DC/DC/DC 6ES7212-1AE40-0XB0，从站2用于接收主站发来的指令、与主站和从站1进行通信，控制电动闸门电机M4和粗格栅控制电机M5。

其中电动闸门电机M4 为伺服电机，型号为Panasonic AC SERVO MOTOR MHMF022L1U2M。伺服驱动器选用MINAS A5 系列，型号为Panasonic MADLN15SG，输入电压单相/三相交流200～240 V，采用位置控制方式。Pr0.01=0，Pr0.07=3，一圈脉冲数Pr0.08=2000。

粗格栅控制电机M5为两相步进电机，型号为Kinco 2S56Q-02054，步距角1.8°。步进驱动器型号为Kinco 2M530。拨码DIP1～DIP8设置为00011101，即一圈脉冲数为2000，静态半流，输出电流为1.8 A。

3.4 HMI

触摸屏选择昆仑通态MCGS TPC7022NI，7寸物联网触摸屏，不但可以在现场实现人机交互，而且不需要专门的云平台，可通过调试助手软件直接连上远程的触摸屏，实现远程监控。

3.5 从站2系统接线图

系统组成中，从站2完成电动闸门伺服电机和粗格栅步进电机的控制，根据要求，接线如图3所示。从站2为CPU 1212C DC/DC/DC，所以PLC的供电电源、输入电源和输出电源都是直流24 V，另外，Q0.0、Q0.1作为电动闸门伺服电机的脉冲端和方向控制端，Q0.2、Q0.3作为粗格栅步进电机的脉冲端和方向控制端。

图3 从站2系统接线图

4 功能实现

系统有两种工作模式：一种是手动模式，可手动调节各控制对象的动作；另一种是自动运行模式。处于自动运行模式时，先在触摸屏上设定排水水泵的额定速度、电动闸门的额定开度、粗格栅电机的运行额定速度，按下自动运行启动按钮，进水水泵正转，格栅输送机低速运行。在自动运行过程中，根据格栅池压力传感器检测值（P1）和蓄水池压力传感器检测值（P2）随时调整闸门的开度，具体如下：

（1）当P1＞1500 Pa且P2＞1200 Pa时，闸门开度维持为当前值。

（2）当P1≤1500 Pa且P2＞1200 Pa时，电动闸门开度自动减小，减小幅度=（1500 Pa-当前压力值）×0.03 mm，计算结果四舍五入取整，电动闸门最小开度为5 mm；粗格栅电机以触摸屏设定额定速度的1.5倍运行。

（3）当P1＞1500 Pa且P2≤1200 Pa时，电动闸门开度自动增大，增大幅度=（1200 Pa-当前压力值）×0.02 mm，电动闸门最大开度为25 mm，排水水泵以1300 r/min的速度运行，直至压力大于1200 Pa时，恢复闸门开度为触摸屏设定的额定开度，恢复排水水泵运行速度至触摸屏设定的额定速度。此功能不影响格栅电机和格栅输送机的运行速度。

（4）当P1≤1500 Pa且P2≤1200 Pa时，电动闸门开度根据（2）（3）的结果进行叠加。

（5）在运行过程中，如果杂质的量多，则光电传感器检测有信号输出，格栅输送机高速运行；直至光电传感器信号消失，并延时2 s后恢复至低速运行。

（6）在任何运行时刻，浮球高水位计得电时，触摸屏弹出警告界面，显示“进水泵房水位过高”，并使排水水泵以1300 r/min的速度持续运行5 s，5 s后如浮球高水位计没有恢复至失电状态，触摸屏警告界面消失，自动运行模式故障指示灯亮，报警窗口显示“进水泵房水位过高保护”。系统所有电机停止运行，电动闸门保持在当前位置，待浮球高水位计失电后，按下自动启动按钮恢复运行。

（7）在任何运行时刻，浮球低水位计得电时，触摸屏弹出警告界面，显示“进水泵房水位过低”，并使排水水泵以500 r/min的速度持续运行5 s，5 s后如浮球低水位计没有恢复至失电状态，触摸屏警告界面消失，自动运行模式故障指示灯亮，报警窗口显示“进水泵房水位过低保护”。系统所有电机停止运行，电动闸门保持在当前位置，待浮球低水位计失电后，按下自动运行按钮恢复运行。

（8）在运行过程中需要停止时按下停止按钮，或系统发生紧急事件旋转急停按钮，系统立即停止（所有电机立即停止），待事件处理完毕，按下自动运行按钮，系统继续运行。

5 结束语

本文以西门子PLC为控制中心设计了污水处理的粗格栅池自动控制系统，系统能够根据污水处理池的实时情况随时调整各被控对象，提高污水处理效率，降低污水处理成本。

随着环保意识的增强，污水处理技术也在不断发展和改进。我们期待更加高效、环保的污水处理技术出现，为保护环境和促进可持续发展做出更大的贡献。同时，每个人也应该从自身做起，减少用水，减少排放，为环境保护贡献自己的力量。