基于PLC的污水处理系统控制系统设计

2013-06-01苏东升

机电工程技术 2013年4期

苏东升

（青岛恒逸物业管理有限公司，山东青岛 266109）

0 引言

水资源的重要性促进了人们对其的开发和利用，与此同时，水资源的短缺与需求量增大之间的矛盾也日趋尖锐，各国政府不仅出台大量有益于解决水体污染的法律法规，而且加大了在防治水体污染以及治理水污染上的资金和技术支持[1-5]。PLC以其通用性好、可靠性高、编程控制方便、安装方便等特点得到了广泛的应用。控制方法一般都为PID 控制，模糊控制逐渐也应用到控制系统中。在污水处理的研究上，建立的数学模型一般都与实际数据存在误差，而且在节能上与国外相比还有一定的差距，触摸屏的应用也较为鲜见。本文将PLC[6-8]等控制系统以及触摸屏[9-10]监控系统的技术应用在污水处理系统的设计中，并与其他生物、自然学科的知识相结合，对于提升污水处理能力、促进污水的循环再生利用将有极大的帮助。

1 污水处理工艺设计要求

图1 污水处理工艺

污水处理工艺如图1 所示，按下启动按钮后，污水能够经由进水阀进入系统，并通过粗格栅除污机的初次过滤，将污水送入初级过滤池，实现初级过滤。之后经抽水水泵，从初级过滤池送入管道，并经过细格栅除污机的二次过滤之后，送入次级过滤池。在此实现污水中杂物与污水的分离。在集水池中，搅拌电机开始工作，待污水搅拌均匀后，集水池中的酸碱度检测设备开始检测污水的pH值，并通过通讯工具把检测结果实时传送给酸碱控制设备，而后，酸泵和碱泵将根据检测结果控制酸液和碱液的加入，直到污水的pH达到要求标准。之后在SBR池中进行污水的曝气处理、无氧处理及沉淀过程。预先给SBR 池设定一个液位，在水泵作用下，污水由集水池进入到SBR 池，当污水液面到达SBR 池的预设液位后，SBR 池进水停止。在鼓风机和搅拌电机的共同作用下，污水中溶解氧增多，促进好氧微生物对有机物质的分解利用。此后提供适宜的外界温度、湿度条件，为池水中的厌氧微生物提供一个适宜的生存环境，使它们能够很好的分解有机物。在此过程中，产生的污泥将在重力作用下沉降到SBR 池底部，从而实现杂质污泥与处理后污水上清液的分离。当污水沉淀之后，用滗水器引出。滗水器停止工作后，排泥电机开始工作，将SBR 池底残存的污泥清理干净。处理后污水进行活性炭吸附处理，除去那些难以被分解的有机物以及其他的一些无机物成分和有毒物质等，使排放的污水满足污水排放的高标准要求。当系统排泥处理过程结束之后，系统将自动打开进水阀，将新的污水送入到污水处理设备中，从而实现污水处理过程的循环控制。

2 系统硬件的设计

2.1 污水过滤过程设计

按下启动按钮，粗格栅除污机的进水阀打开，当一个处理周期结束之后，粗格栅除污机能够自动启动，完成新一轮的除污工作。当按下停止按钮，或者是当初级过滤池、次级过滤池、集水池的液位分别到达其各自的最高液位设定值时，粗格栅除污机都将自动停止工作。初级过滤池进水到设定时间后，细格栅除污机自动启动；并且初级过滤池液位到达最高限位、次级过滤池液位到达最低限位时，细格栅除污机也将启动。细格栅除污机的停止采用的原理和方式与粗格栅除污机相同。粗格栅除污机开始工作后，皮带传送机应立即开始工作。细格栅除污机停止工作后，皮带运输机将延时处理一段时间后再停止运行。系统中装有3台水泵，它们的作用都是将前一级处理设备中的污水运送到下一级处理设备中。三个水泵的启动都是前一设备储水一定时间后，自动启动运行的。当初级过滤池液位到达最低限位，或者是次级过滤池、集水池到达最高限位，水泵1 将停止工作；当次级过滤池到达最低限位，或者集水池到达最高限位后，水泵2 将停止工作；当SBR 池的液位到达在污水处理之前预先设定的值之后，水泵3将停止工作。

2.2 集水池和SBR池的电气设计

集水池控制部分的设计，即控制酸碱液的排放阀，从而调节污水的pH值，使之达到标准。在SBR 池中首先进行的是曝气处理。污水经水泵3由集水池运输到SBR 池。到达其液位高限位之后鼓风机和搅拌电机2 开始工作，对污水进行曝气处理。设定时间继电器，当曝气结束之后，给SBR 池提供适宜的无氧、温度及湿度条件，使无氧处理过程顺利进行，并通过时间继电器控制处理时间，设定的时间值要略大于无氧生物在处理废水中的最佳处理时间。

2.3 污水的后处理电气设计

无氧处理后，滗水器开始工作，将收集到的污水再通过活性炭的吸附作用后运送入储水池中，一般经过这道工序处理后的污水就能够达到排放标准了。当SBR 池液位到达设定的最低液位之后，池内的滗水器将停止工作，排水结束。当滗水器工作结束后，排泥电机开始工作，将SBR池底部残存的污水处理泥渣运到储泥池，然后对储泥池中的污泥进行进一步的处理，使其达到排放要求。设计的控制时间应该使污泥能够被彻底的清除干净。

2.4 电气设计中的报警设计和总停设计

图2 系统的电气设计连接图

图3 液位报警电路程序设计

设计中有完善的液位报警部分的设计，当液位值到达最高或者最低限位时，要求相应的指示灯能够立即闪烁报警，并自动采取相应的控制措施对液位的高度进行调整。

系统设计了一个总的停止按钮，当按下停止按钮后，所有的设备都能够停止工作，原先设定的系统的运行指示灯也将停止工作状态显示。

系统的电气设计连接线路图如图2 所示。SB1-SB15 表示各相应的输入；M0.0-M1.7 表示中间继电器；Q0.0-Q2.3表示PLC输出线圈；M表示接地端。

3 系统软件的设计

污水处理控制系统的软件设计包括PLC控制程序的编写和触摸屏程序的编写两大部分。根据输入输出口个数的要求，在本设计中选用S7-200系列的PLC。首先根据电气设计的要求，按照电气连接图中的连接，首先对各个变量及输出进行分配，而后对整个污水处理过程的控制进行程序的编写。PLC控制程序的编写采用的是STEP 7-MicroWIN V4.0应用软件，由于梯形图语言有着直观、通俗易懂和易于操作修改等的优点，因此采用梯形图语言进行程序的编写。在程序中添加自锁和互锁的设置，使系统能够循环的运行。PLC与计算机之间的通讯使用的是RS-232/PPI多主站通讯电缆。

选用的是步进电机，电机的转速可以通过编程，改变输入的脉冲而任意调节。液位的报警电路的设计通过指示灯连续闪烁的方式报警，警报信号指示灯设置为闪烁8 次。也可以加警笛。其程序如图3所示。针对酸碱度的调节，根据已经设定的传感器所需要的数据而进行智能调节。程序如图4所示。PLC程序编写的流程图如图5所示。

在触摸屏人机界面的设计上，选用的是K-TP 178 Micro 型的触摸屏，编程软件选用SIMATIC WinCC flexible 2007。人机界面触摸屏控制屏设计如图6所示，点击集水池、SBR池、酸阀泵手动控制可以查看三者分别的运行控制界面。另外添加了几个倒计时显示模块，以便于操作者掌握和实时观测各个过程的工作时间。数字显示模块则是通过触摸屏手动改变转速的数据输入模块。

图4 酸碱度的调节程序设计

4 实验结果

完成硬件接线和程序的下载之后，将触摸屏模块和PLC模块之间通过通信电缆连接好，按动触摸屏上的相应控制按钮之后，观察触摸屏上的相应指示灯的工作状态以及实际接入的电机的工作状态，通过观察它们的动作状态即可以判断相应的设备是否能够正常运行。经过演示调试，该控制系统有很好的控制效果，能够达到污水处理工艺要求和本设计电气控制的要求，触摸屏的监控模块也一直运行正常。