基于PLC的城市污水处理控制设计

目录
1绪论 (1)
1.1选题目和意义 (1)
1.2国内污水处理自控系统发展状况 (2)
1.3课题主要研究内容 (3)
2 污水处理工艺流程 (4)
2.1本设计系统污水处理工艺及描述 (4)
2.2 污水处理系统功能要求 (5)
3 硬件配置 (7)
3.1 污水处理主要硬件分析 (7)
3.2污水处理系统工作原理 (9)
3.3 PLC选型 (10)
3.4 PLCI/O资源配置 (11)
4 总体设计 (14)
4.1总体流程设计 (14)
4.2手动模式 (14)
4.3自动模式 (15)
4.4控制系统功能 (16)
4.5定时器和寄存器设置 (22)
5软件设计 (24)
5.1主要程序 (24)
5.2 软件测试 (26)
总结 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
基于PLC城市污水处理控制设计
摘要：污水处理成本居高不下，污水厂排放处理过污水水质不稳定，所以如何建立有效自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。

本设计主要从污水处理基本工艺和流程，并通过研究设计一套基于PLC控制污水处理系统。

文章首先介绍了基于PLC污水处理控制系统工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统基本原则和步骤，来说明PLC在污水处理过程中应用。

先根据污水处理要求设计了设备电器控制及自动控制线路，主要包括设备启停、状态信号故障信号、和信号采集等，最后按照工艺要求设计PLC控制系统，其中包括PLC选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序。

然后进行软件仿真实现系统功能，证实程序可在污水处理工程中实际使用。

关键词：污水处理，西门子S7、PLC控制
1绪论
1.1选题目和意义
随着我国社会和经济高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境恶化，加剧了水资源短缺，严重影响着人民群众身心健康，这些情况已
经成为城市可持续发展严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市废水排放量大，已造成城市地表水严重污染；三峡库区水环境保护事关三峡工程长期安全运行和长江中下游地区经济社会可持续发展，因此受到国内外广泛关注，但目前各城市因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了或仍然是直接排放污水，很多操作和检测监控过程需要人工完成，人工监控时间覆盖率低、工作量大，手工采集样品不准确和缺乏科学性和代表性，很难反映城市污水处理及排放连续变化情况[1]。

建立污水处理系统和自动控制监控体系，势在必行。

先根据污水处理要求设计了设备电气控制及自动控制线路，主要包括设备启停、状态信号、故障信号和信号采集等。

最后按照工艺要求设计PLC 控制系统，其中包括PLC选型、系统资源配置以及按照污水处理工艺编制PLC程序等。

建立高标准自动化污水处理厂，不仅可以加强整个系统稳定性、准确性、可靠性，还可以缓解人力劳动，降低处理成本以及节约能源[2]。

污水处理厂自动控制系统会降低维护成本，减轻维护工人及生产工人劳动强度，还能够更好完成生产工艺，具有很好社会效益和经济效益。

1.2国内污水处理自控系统发展状况
我国解放初期工农业生产才开始起步，当时对污水污染认识程度很低，并且提倡利用污水进行农田灌溉，尤其是北方地区由于缺水污水灌溉利就成为经验进行推广，如著名沈抚灌渠等，所以全国仅仅只有几个城市建设了污水处理厂，这些工厂在处理工艺比较简单，处理规模也非常小，每天只有几千立方米，最大也仅仅只有五万立方米/天，导致污水处理技术不成熟和管理水平低下状态。

及国外相比，国内自动化污水处理相对比较晚，起初采用热工仪表，实行集中巡检；其后使用了DCS系统和应用分析仪表；直至九十年代利用国际贷款所建立大型污水处理厂投产，我国自动化污水处理控制系统水平才开始有很大提高[3]。

从国外引进污水厂自动控制系统采用集散式计算机监控系统开始广泛使用，应用了检测仪表这种高自动化产品，各种新设备、新工艺大量出现并开始使用。

从这些方面可以看出我国污水处理自控系统有以下特点：
（1）新建污水处理厂使用计算机分散控制系统进行手动及自动并存控制方式管理污水处理厂。

旧污水处理厂仍采用人工巡检方式，自动化水平较低。

（2）国产生产仪表自动化水平还没有达到控制标准，所以大部分采用价格比较昂贵进口在线仪表，所以不可能广泛使用进口来进行污水处理。

所以水质检测只有实验室人员通过人工实验来获得，数据不一定准确。

（3）各个控制站之间独立存在没有信息交换不能很好完成污水全部处理过程。

并且犹豫条件限制，只是完成了简单控制，没有完全做到自动化[4]。

通过对比，不难看出整：体上和国外相比我国污水自控系统仍然存在很大差距，但是我国应用前景却非常广泛、潜力很大。

1.3课题主要研究内容
本课题论述了污水处理工艺及污水处理系统组成和PLC控制系统设计,主要由以下内容组成：
（1）分析了污水处理基本内容，包括污水处理发展，现状以及污水
处理工艺流程；
（2）分析了PLC基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析；
（3）具体分析设计污水处理部分硬件系统；
（4）具体分析设计污水处理部分软件系统。

2 污水处理工艺流程
2.1本设计系统污水处理工艺及描述
本污水处理工艺流程图如下图2-4所示：
图2-1 工艺流程图
污水由进水系统通过粗格栅和清污机进行初步排除大块杂质物体，到达除砂池中。

在除砂池系统中细格栅和转鼓清污机进一步净化污水中细小颗粒物体，将污水中细小沙粒滤除后进入氧化沟反应池。

在该氧化沟系统中进行生化处理，分解污水中有害物质，此环节用到一些化学药剂来加强处理效果，如复合碱、氯气、油絮凝剂等。

对污水进行除油、消毒、调整PH值。

同时在该系统中潜水搅拌机来推进水流，使氧化沟活性污泥和污水
处于剧烈搅拌充分混合接触，使反应更加充分，使用时间更短，以最大程度地分解污水中有害成分。

同时设置有溶解氧仪超声波检测器，通过它对污水中含氧量进行检测值PLC来控制曝气机变频器运行，改变污水中溶解氧含量[5]。

经处理污水进入沉淀池中，在刮泥机作用下进行物理沉淀，为了加强沉淀效果，同时加入混凝剂和絮凝剂利用高分子助凝剂强烈吸附架桥作用更加容易沉降。

污水经沉淀池处理最后到达脱水环节，离心式脱水机作用下进行脱水处理后排出清水。

2.2 污水处理系统功能要求
污水处理系统主要功能是完成对城市污水净化作用，将城市中排除污水通过该系统处理后，输出符合国家标准水质。

长期以来，污水处理技术虽然经过了迅速发展，但仍滞后于城市发展需要，污水处理率低、设备运转率低等极大地影响了城市发展[6]。

为实现污水处理技术简易、高效、低能耗功能，并且实现自动化控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好方案。

PLC作为污水处理系统控制系统使得设计过程变得更加简单，可实现功能变得更多。

及各类人机界面通信可完成PLC控制系统监视，同时使用户可通过操作界面功能控制PLC系统。

由于PLCCPU强大网络通信能力，使得工业污水处理系统数据传输及通信变得可能，并且也可实现其远程监控[7]。

2.2.1信号输入
污水处理系统信号输入检测方面主要涉及四类信号监测，主要包括：按钮输入检测、液位差输入检测、液位高低输入检测，以及曝气池中含氧
量输入检测。

（1）按钮输入检测。

大多数为人工方式控制输入检测，主要有自动按钮、手动按钮、格栅机启动按钮、清污机启动按钮、潜水泵启动按钮、潜水搅拌机启动按钮、污泥回流泵按钮、曝气机工频、变频按钮，以及变频加速减速按钮等。

（2）液位差输入检测。

检测粗细格栅两侧液位差，用来控制清污机启动及停止。

（3）液位高低输入检测。

检测进水泵房和污泥回流泵房中液位高低，用来控制潜水泵或污泥回流泵启动和停止，以及投入运行潜水泵数量。

（4）含氧量输入检测。

以上三种都为数字量输入，该输入为模拟量输入。

曝气过程是工业污水处理系统中最重要环节，为了保证微生物所需要氧气，必须检测污水中含氧量，并通过曝气机增加或减少其含氧量。

通过将溶解氧仪设置在适当位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制曝气机转速信号。

当溶解氧值偏低时，降低了微生物分解效果，延长了处理时间，严重时甚至导致处理失效，因此需要增加曝气机转速以增加供氧量；当溶解氧值偏高时，导致微生物过氧化，降低了其活性，也不利于处理，因此减小曝气机转速以减少供氧量，最终使污水中溶解氧保持在一定范围内[8]。

2.2.2控制输出信号
信号输出部分主要包括两个方面：一个是数字量输出，即各类设备接触器；另外一个是模拟量输出，用来控制曝气机变频器。

（1）数字量输出。

控制各类设备启动和停止，包括：格栅机启停、
清污机启停、潜水泵启停、潜水搅拌器启停、污泥回流泵等设备[9]。

（2）模拟量输出通过PLC中PID运算后数据，通过其功能模块输出控制信号，该控制信号输入到变频器控制端子上，改变变频器输出频率，从而控制曝气机转速，最后达到控制污水中含氧量要求[10]。

3 硬件配置
3.1 污水处理主要硬件分析
污水处理系统结构比较复杂，设备较多。

(1）进水系统。

进水系统主要有进水管道和进水泵房组成，进水管道主要由粗格栅机和清污机组成，进水泵房主要有两台潜水泵组成。

进水管道主要功能是将污水中大块物体排除，其中粗格栅是根据程序设定时间进行间歇工作，而清污机运行和停止是根据粗格栅两侧液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机运行。

进水泵房中潜水泵运行及停止是通过安装在泵房内液位传感器来决定，当液位较低时只启动一台潜水泵，当液位较高时启动两台潜水泵，若液位持续升高时，则输出报警以示意有故障发生[11]。

(2）除砂系统。

除砂系统主要由细格栅系统和沉砂池组成，细格栅系统是由细格栅机和转鼓清污机组成，沉砂池主要设备是分离机。

细格栅系统主要功能是进一步净化污水中颗粒物体，将污水中细小沙粒滤除，其中细格栅机是根据程序设定时间进行间歇工作，而转鼓清污机运行和停止则根据细格栅两侧液位差来决定，当液位差超过某个值时，启动清污机；当液位差小于某个值时停止清污机运行，这和粗格栅系统运行方式一致。

沉砂池中分离机运行和后续处理中转碟曝气机运行同步，即启动转碟曝气
机时候同时启动分离机，对沉砂池中沙粒进行排除[12]。

(3）氧化沟系统。

氧化沟系统由氧化沟和污泥回流系统构成，氧化沟是污水处理系统中比较重要环节，因此需要控制很多控制量，控制过程也相对比较复杂，系统包括潜水搅拌机和转碟曝气机，污水回流系统主要有污泥回流泵构成。

氧化沟功能主要是是对污水进行化学处理，将污水中有害物质进行分解，使其达到污水排放标准，其中主要转碟曝气机这个关键设备，在氧化沟中使用溶解氧仪检测污水中含氧量， PLC根据所反馈值来控制曝气机变频器运行，这样就可以改变污水中溶解氧含量[13]。

还有潜水搅拌机推进水流使氧化沟活性污泥和污水处于剧烈搅拌状态，使他们充分混合接触加快活性污泥生化反应和更加充分，这样才能最大程度地将污水中有害成分分解。

污水回流系统污泥回流泵将剩余污泥及使用过污泥进行处理，该设备运行及停止主要根据泵房内液位传感器状态，当液位低于某个值时停止回流泵运行；当液位持续高于某个高位时，回流泵停止运行同时输出报警信号；液位处于正常状态时，回流泵正常运行。

(4）沉淀系统。

沉淀系统主要设备为刮泥机，其功能是对进行氧化沟处理后污水进行物理沉淀，将污泥和清水分离，刮泥机在整个系统启动后就开始持续运行。

在该系统中会使用到一定化学药剂主要包括复合碱、絮凝剂、混凝剂等，这些化学药剂主要用来改善混凝条件及调节絮凝体结构，利用化学反应让其发生沉降。

(5）污泥脱水环节。

污泥脱水系统主要包括离心式脱水机，其主要功能是对氧化池中处理过污水活性污泥进行脱水处理，由于对污水进行处理后，活性污泥中有新微生物及其他杂质，因此需要先对活性污泥添加一定
量药物，便于污泥脱水。

离心式脱水机主要有聚合物泵、污泥机和切割机构成，以上设备按照顺序控制方式启动，依次启动聚合物泵、污泥机和切割机，完成对污泥脱水处理[14]。

3.2污水处理系统工作原理
3.2.1控制系统总体框图
污水处理系统电气控制系统总框图如图4-2所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮输入、各类传感器输入，以及相关模拟量输入，完成相关设备运行、停止和调速控制。

3-1电气控制系统框图
3.2.2工作过程
在手动状态下，各类设备控制是根据人工手动控制实现无逻辑控制，可以不根据传感器状态来进行设备控制。

自动方式下，系统将会根据检测
到外部传感器状态对设备进行自动化控制，其工作过程如下。

(1）接通电源，启动自动控制方式，自动启动刮泥机和潜水搅拌器。

(2）自动运行粗格栅机和细格栅机，通过时间控制进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。

(3）清污机根据传感器反馈回来液位差状态控制运行及停止。

(4）进水泵房中潜水泵根据液面高低进行运行、停止及运行数量控制。

(5）转碟曝气机根据溶解氧仪反馈模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机运行及停止。

(6）污泥回流泵运行及停止根据液面高低进行控制。

(7）在污泥脱水系统中，离心式脱水机启动采用顺序控制方式，依次启动其设备[15]。

3.3 PLC选型
根据污水处理系统电气控制系统功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面来考虑，选择西门子S7—300系列PLC作为工业污水处理系统电气控制系统控制主机。

由于污水处理电气控制系统涉及较多输入输出端口，其控制过程相对复杂，因此采用CPU315-2DP作为该控制系统主机。

根据工艺需要和控制要求，本系统需要数字输入量20点，数字输出量22点，模拟输入点7点，模拟量输出点1点。

考虑到系统余量，选用西门子sm32132点di32*24v数字量输入模块1块，选用sm322do32*24v 数字输出量模块1块，；sm3318点ai8*12bit模拟量输入模块1块；sm3322点ao2*12bit模拟量输出模块1块。

图3-2 硬件配置图
3.4 PLCI/O资源配置
根据系统功能要求，对PLCI/O进行配置，具体分配如下表。

3.4.1数字量输入部分
污水处理系统会用到很多开关量，也就是在污水处理现场操作开关量，以下是我所设计污水处理控制系统中用到开关量分配表。

表3-3 数字输入量地址分配
输入设备
输入地
址输入设备
输入地
址
急停I0.0
手动转碟曝气机变频启
动
I1.2手动方式I0.1手动潜水搅拌机启动I1.3自动方式I0.2手动刮泥机启动I1.4自动启动确认I0.3手动污泥回流泵启动I1.5手动粗格栅机启动I0.4手动分离式脱水机启动I1.6手动清污机启动I0.5手动污泥泵启动I1.7
手动潜水泵启动I0.6手动转碟曝气机加速I2.0
手动细格栅机启动I0.7手动转碟曝气机减少I2.1
手动分离机启动I1.0启动I2.2
手动转碟曝气机工频启
I1.1停止I2.3动
3.4.2数字量输出部分
在污水处理中会有很多数字量输出部分，这也就是所谓现场有实物设备，通过数字量输入来控制，下面就是本设计所用到输出量设计。

表3-4数字输出量地址分配
输出地址输出设备输出地址输出设备Q4.0粗格栅机接触器Q4.7潜水搅拌机接触器
Q4.1清污机接触器Q5.0刮泥机接触器
Q4.2潜水泵接触器Q5.1污泥回流泵接触器
Q4.3细格栅机接触器Q5.2离心式脱水机接触器Q4.4分离机接触器Q5.3潜水泵报警
Q4.5转碟曝气机工频接触器Q5.4污泥回流泵报警
Q4.6转碟曝气机变频接触器Q5.5
3.4.3模拟量输入输入部分
在此控制系统中需要将采集回来模拟量进行数据处理，然后，通过模拟输出口对变频器进行控制，进行控制其他设备运行。

下面就是模拟量输入输出地址分配情况。

表3-5模拟量输出地址分配
设备地址粗格栅液位差计PIW288
细格栅液位差计PIW290进水泵房液面高位传感器PIW292进水泵房液面低位传感器PIW294污泥回流泵液面高位传感器PIW296污泥回流泵液面低位传感器PIW298检测污水含氧量PIW300转碟曝气机PQW304
4 总体设计
采用西门子公司为S7—300系列PLC开发STEP7作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统结构、工作原理和电气控制部分结构，硬件结构总体设计基本完成后，就要开始软件部分设计，根据控制系统控制要求和硬件部分设计情况及PLC控制系统I/O分配情况，在软件设计中，进行软件编程设计，为了编写程序条例清楚，后期便于调试，首先我们要按照污水处理需要实现具体功能要求做出流程框图，其次按照不同功能要求在不通程序块中编写不同程序。

4.1总体流程设计
根据污水处理控制要求，控制过程可以分为自动运行功能和手动控制功能。

手动控制模式下，每个设备可以手动单独运行，以测试设备性能和特殊需求下运行，如图4-1所示。

图4-1模式选择流程图
4.2手动模式
在手动模式下，可单独调试每个设备运行，如图4-2所示。

在此模式下，可以通过按钮对清污机启动、转碟曝气启动、机格栅机启动、刮泥机启动，以及各类泵进行手动启动控制，可以通过按钮增大或减小变频器频率来改变转碟曝气机速度。

手动模式主要是为了以检测调试性能。

图4-2手动操作模式流程图
4.3自动模式
处于自动方式时，系统打开电源后，按下自动启动按钮后系统会自动运行，其工作过程包括以下几个方面。

（1）系统打开电源后，按下自动启动按钮，潜水搅拌器和刮泥机会自动启动。

（2）启动污泥脱水系统。

（3）启动污泥回流系统。

（4）启动曝气沉砂系统。

（5）启动细格栅系统。

（6）启动潜水泵。

（7）启动粗格栅系统。

自动控制过程不是按照顺序控制方式，而是根据PLC检测到传感器状态进行自动启动如图4-3所示。

图4-3 自动操作模式流程图
4.4控制系统功能
在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统程序，主要包括粗格栅系统控制程序、潜水泵控制程序、细格栅系统控制程序、曝气沉砂系统控制程序、污泥回流泵系统控制程序。

以及污泥脱水系统控制程序，以下将分别介绍各个子控制程序工作过程[16]。

4.4.1粗格栅系统
粗格栅系统控制程序主要控制清污机和粗格栅机运行，其工作过程包括以下几个方面。

（1）自动过程开始后自动启动粗格栅机，定时20min。

（2）定时到后，停止运行粗格栅机2h。

（3）2h定时到后，运行粗格栅机20min，循环进行。

（4）同时通过传感器检查液面差，如果超过设定值就自动启动清污机。

（5）如果液面差值低于设定值，则停止清污机运行。

粗格栅系统工作流程图如图4-4所示。

图4-4粗格栅系统工作流程图
4.4.2潜水泵控制
潜水泵程序主要控制潜水泵运行和停止，其工作过程包括以下几个方面：（1）自动过程开始启动潜水泵。

（2）检测液面高度，低于最低位传感器时，开始定时防止误判。

（3）定时到后，若仍低于最低位传感器，则停止潜水泵运行，否则潜水泵继续运行。

（4）检测液面处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判。

（5）定时到后，若液面仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。

潜水泵工作流程图如图4-5所示。

图4-5潜水泵工作流程图
4.4.3细格栅系统
细格栅系统程序及粗格栅系统程序相似，主要控制细格栅机和转鼓清污机运行，其工作过程包括以下几个方面：
（1）自动过程开始，启动细格栅机，定时20min。

（2）定时到，停止运行细格栅机2h。

（3）2h定时到，运行细格栅机20min，循环进行。

（4）同时检测液面差，若超过设定值则启动转鼓清污机。

（5）液面差低于设定值，停止转鼓清污机运行。

图4-6细格栅系统工作流程图4.4.4曝气沉沙系统
曝气沉砂系统工作流程图如图4-7所示。

4-7曝气沉砂系统工作流程图
4.4.5污水回流系统
污泥回流系统程序主要控制污泥回流泵运行和停止，其工作过程包括以下几个方面。

（1）自动过程开始首先检测液面高低，若低于最低位传感器，启动定时。

（2）定时到，若液面仍低于最低位传感器则停止回流泵运行。

（3）若液面处于最高位和最低位之间，启动污泥回流泵。

（4）若液面高于最高位传感器时，启动定时。

（5）定时到，若液面仍处于最高位传感器时，输出报警信号。

污泥回流系统工作流程图如图4-8所示。

图4-8污泥回流系统工作流程图4.4.6污泥脱水系统
污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机，启动定时。

（1）自动过程开始首先启动离心式脱水机，启动定时。

（2）定时到，启动聚合物泵，启动定时。

（3）定时到，启动污泥泵和切割机。

污泥脱水系统工作流程图如图4-9所示。

图4-9污泥脱水系统工作流程图
4.5定时器和寄存器设置
在设计程序过程中，会用到许多中间继电器、寄存器、定时器等元件，为了便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到软元件，如表4-10所示。

表4-10定时器和寄存器设置
元件意义内容备注
M10.0系统停止标志On有效
M10.1手动方式标志On有效
M10.2自动方式标志On有效
M10.3自动方式启动标志On有效
M10.4清污机运行标志On有效
M10.5聚合物泵运行标志On有效
M10.6污泥泵运行标志On有效
M10.7切割机运行标志On有效M20.0粗格栅机停止标志On有效M20.1粗格栅机定时脉冲计数On有效M20.2进水泵房液面低于最低位On有效M20.3细格栅机停止标志On有效M20.4细格栅机定时脉冲计数On有效M20.5转碟曝气机变频转工频运行标志On有效M20.6转碟曝气机变频运行标志On有效M30.0回流泵房液面低于最低位标志On有效M30.1回流泵房液面高于最高位标志On有效C1粗格栅机2h定时中间计数器10
C2细格栅机2h定时中间计数器10
T33时钟脉冲550ms t1粗格栅机运行时间1200020min T2粗格栅机停止时间定时720012min T3进水泵房液面低于最低位定时202s
t4进水泵房液面高于最高位定时202s
t5细格栅机运行时间1200020min t6细格栅机停止时间定时720012min t7污泥回流泵房液面低于最低位定时202s
t8污泥回流泵高于低位且低于高位定时202s
t9污泥回流泵房液面高于最高位定时202s
t10离心式脱水机及聚合物泵启动间隔505s
t11聚合物泵及污泥泵和切割机启动间隔505s。