污水处理的PLC控制系统设计

摘要
我国污水处理事业迎来了高速发展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道各车站区，甚至发达地区的乡镇都开始修建污水处理厂。

随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，PLC控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。

本文采用生物法中氧化沟法进行污水处理，结合污水处理流程，本系统需控制7台设备和检测2个参数。

共有32个输入开关量和20个输出开关量。

最终选择OMRON公司内装60个I/0端子的CPM2AE一60CDR—A型PLC。

它运行速度快，控制可靠，具有强大的指令系统和丰富的输入输出扩展设备及特殊扩展设备，并进行了硬件和软件设计。

在软件设计中做了上位机和下位机软件设计。

并利用Intouch组态软件实现动态实时显示过程控制参数和系统运行状态，报警和报表等功能。

本文通过PLC控制系统的配置和控制方式，和由PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。

本文应用PLC控制达到了设备的自动监视和控制，使出水指标稳定，满足了工艺要求，并且节省了大量的人力物力。

关键词：污水处理；PLC；控制系统
目录
摘要 0
1 绪论 (1)
1.1 设计的背景与意义 (1)
1.2 研究现状 (2)
1.3 主要内容和预期目标 (3)
2 污水处理的工艺流程 (5)
2.1 工艺技术简介 (5)
2.2 工艺流程 (6)
2.3 控制要求 (7)
3 污水处理的PLC控制系统 (9)
3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤 (9)
3.2 硬件设计 (10)
3.2.1 PLC机型的选择 (11)
3.2.2 模拟量模块的选择 (12)
3.2.3 开关量模块的选择 (14)
3.2.4 电源模块的选择 (16)
3.2.5 PLC的输入、输出点功能 (17)
4 软件设计 (18)
4.1软件控制系统功能的实现 (18)
4.2 PLC控制流程图 (18)
4.3 PLC控制系统梯形图程序 (21)
4.4下位机软件设计 (23)
4.5上位机软件设计 (23)
结论 (32)
谢辞 (33)
参考文献 (34)
1 绪论
1.1 设计的背景与意义
我国是个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1/4。

而且我国的水资源在时空和地域分布上的分布不均匀，更加重了实际的缺水情况。

因此近些年来我国城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。

与此同时，水资源污染却日益严重，因此许多都城市规划和建设了自己的污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。

我国城市污水处理事业是在80年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已经初具规模。

但是，与国外同期的城市污水处理厂相比较，始终存在效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。

随着全球能源供应紧张和对自动化程度要求的不断增加，我国的污水处理厂必然向着高度自动化和无人职守的方向发展。

目前，PLC在其稳定性、高自动化程度的不断加强，使得PLC成为城市污水处理自动化方面[1-3]的首选。

如今，我国污水处理事业迎来了高速发展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道部各车站区，甚至发达地区的乡镇都开始修建污水处理厂。

PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中也得到一定程度的推广。

随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，PLC控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理[4-6]，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。

针对我国水资源现状呈不断恶化的态势，介绍现有的污水处理基本原理和技术，对新兴的污水处理理论和技术、污水治理
方法做出评价。

水体污染是指排入水体的污染物使该物质在水体中的含量超过了水体的本底含量和水体的自净能力，这些污染物质使水体的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值。

治理污水的方法和技术的基本原理主要是分离、转化。

设计系统应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态软件技术、电力电子控制技术艺等，介绍了PLC在污水处理厂自动控制系统中的应用，通过PLC控制系统的配置和控制方式，和用PLC控制站和上位机组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。

1.2 研究现状
新世纪，我国污水处理事业迎来了高速发展的阶段，不仅大城市，很多中小城市、铁道部各车站区，甚至发达地区的乡镇都开始修建污水处理厂。

PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用，在污水处理中也得到一定程度的推广。

实践证明,在污水控制系统中,采用可靠性较高的PLC与具有强大数据处理能力的计算机组成远程监控系统[7-10],不仅可以提高系统的稳定性.可靠性.灵活性,及时发现可能出现的故障,还能大大节约人力成本.通过采用计算机作为上位机实现管理和监控,PLC作为下位机实现电机的控制,并使个PLC均可与PC 联网通信,从而实现了远程集中控制,整个系统运行可靠,达到并满足设计的目的和要求。

控制方案:通过分析工艺工程发现,在受控对象中有相当多的开关量和模拟量,检测点也较多,而控制过程是以逻辑控制为主,闭环控制为辅。

针对这样一个实际情况,我们采用了基于PLC与工控机来构建监控和数据采集系统，以工控机作为监
视和控制现场生产过程的可视窗口,在PLC可编程控制器进行逻辑运算,对生产过程实行在线实时控制。

系统构成:(1)根据工艺设计要求,将污水控制系统分为三个网络层面.即监控管理层,过程控制层和设备执行层.(2)根据生产工艺的要求,将厂内所有设备按功能分为3个区域,在3个区域内各建立一个PLC站(即下位机),构建过程控制层。

1#PLC控制站设在加氯间控制室内,监控项目有粗格栅机,提升泵,加氯设备等。

2#PLC控制站设在沉沙池控制室内,监控项目包括鼓风机.细格栅机等。

3#PLC控制站设在BAF动力间,主要监控项目是冲洗离心泵等。

监控方式:集中监控,在监控计算机上可以实现工艺过程的全面监控。

基于PLC与计算机构建控制系统具有系统配置合理,可靠性高,控制精度高和系统成本低等优点,随着我国对环境保护投资力度的不断加大,各城市污水处理厂在建项目相继启动,将PLC与计算机构建的污水处理控制系统应用于在建项目和老水厂的改造,不仅可以提高系统的整体控制水平,同时可以利用网络平台实现数据共享,提高整体管理水平,具有广泛的应用前景。

1.3 主要内容和预期目标
（1）介绍了当前工艺技术，根据需要最终选择氧化沟法进行污水处理设计，介绍了工艺流程各部分的实现方式，明确了控制要求。

通过系统设计方案了解PLC控制系统的全部功能，控制规模，控制方式。

(2)针对污水处理的工业对象，分析其工艺流程和控制特点，根据其控制要求，完成基于PLC的污水处理控制系统的方案论证和设计，即PLC控制系统的硬件和软件设计。

硬件设计部分，完成了PLC的机型选择，开关量的选择[11-13]，模拟
量的选择和电源模块的选择。

软件部分，通过污水处理的工艺流程，完成了流程图和梯形图的设计。

(3)通过PLC控制系统的配置和控制方式，和由PLC控制站和上位机[14]组成的控制系统，从而实现污水处理整个过程的实时监测和自动控制。

使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，以实现高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。

2 污水处理的工艺流程
2.1 工艺技术简介
“七五”、“八五”、“九五”国家科技攻关课题的建立与完成，使我国在污水处理新技术、污水再生利用新技术、污泥处理新技术等方面都取得了可喜的科研成果，某些研究成果达到国际先进水平。

同时，借助于外贷城市污水处理工程项目的建设，国外许多新技术、新工艺、新设备被引进到我国，B法、氧化沟法、/O 工艺、//O工艺、SBR法在我国城市污水处理厂中均得到应用。

污水处理工艺技术由过去只注重去除有机物发展为具有除磷脱氮功能。

国外一些先进、高效的污水处理专用设备也进入了我国污水处理行业市场，如格栅机、潜水泵、除砂装置、刮泥机、曝气器、鼓风机、污泥泵、脱水机、沼气发电机、沼气锅炉、污泥消化搅拌系统等大型设备与装置。

我国80年代以前建设的城市污水处理厂大部分采用普通曝气法活性污泥处理工艺，具有工艺简单，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等特点，适用于水质水量变化大的生活污水处理。

可是，由于该工艺主要以去除BOD和SS为主要目标，对氮磷的去除率非常低。

为了适应水环境及排放要求，一些污水处理厂正在进行改造，增加或强化脱氮和除磷功能。

B法污水处理工艺于80年代初开始在我国应用于工程实践。

由于其具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用的特点，故主要应用于污水浓度高、水质水量变化较大，特别是工业污水所占比例较高的城市污水处理厂。

目前氧化沟工艺是我国采用较多的污水处理工艺技术之一。

应用较多的有奥
贝尔氧化沟工艺，由我国自行设计、全套设备国产化，已有成功实例。

DE型氧
化沟和三沟式氧化沟在中高浓度的中小型城市污水处理中也有应用。

采用卡罗塞尔氧化沟工艺的城市污水处理厂大部分为外贷项目。

氧化沟，氧化沟又名连续循环曝气池，是活性污泥法的一种变形。

经过三十多年的使用、研究、开发和改进，氧化沟系统在池型、结构、运行方式、曝气装置、处理规模、适用范围等方面都得到了长足的发展。

氧化沟由沟体、曝气设备、进水区、出水区和自动控制设备等部分组成。

氧化沟体的平面形状一般呈环状沟渠形，也可以是长方形、L形、马蹄形、圆形或其它形状，氧化沟断面形状多为矩形和梯形。

曝气设备是氧化沟的主要设备，它起着供氧、推动水流和防止活性污泥沉淀等作用，常用的曝气设备有表面曝气机、曝气转刷(转笼、转盘、转碟)、射流曝气、导管式曝气机等。

2.2 工艺流程
根据污水浓度高、负荷波动大、水质多变等特点，经过比较，采用生物法中氧化沟法进行处理，其工艺流程如下图2.1所示。

图2.1污水处理工艺流程
格栅井，格栅井单元的设备包括格栅井提升泵、浮球液位控制器、粗格栅、浮球液位变送器，其作用是清除污水中的颗粒与悬浮物；液位变送器用来检测粗格栅前后的液位差，当差值大于10cm时粗格栅开始运行。

主要用于进水泵的入口处，防止较大的污物进入泵内，进而保护进水泵，保证其能正常工作。

格栅机的启停由前后为了避免液位在设定值的临界状态时，由于波动而造成频繁启停设备，将启动与停止设置成二个设定值，并可调节该回差大小。

#1泵井：主要作用是将城市生活生产所排放的污水经过栅格过滤后提升，使其进入沉沙井。

氧化沟：主要有氧化沟和污泥回流系统组成。

氧化沟的功能主要是对来自除砂系统的污水进行生化处理，其主要设备，有转碟曝气机和潜水搅拌机，转碟曝气机的转速改变污水中溶解氧的含量，潜水搅拌机的作用是推进水流，使得氧化沟内的污水和活性污泥充分混合，有利于对污水进行生化处理。

污泥回流系统的功能是通过回流泵将剩余的污泥和使用过的污泥进行处理。

#2泵井, 其功能是对氧化沟处里的污水进行物理沉淀，使得污泥和清水分离, 对氧化池中处理过污水的活性污泥进行脱水处理.
2.3 控制要求
#1和泵井以及氧化沟均设计有PLC控制器，用以控制#1泵井、#2泵井内各2台潜水泵和氧化沟内2台转刷和1台推流器。

同时，在#1、泵井内设计有液位检测装置，用来检测井内水位高度。

在氧化沟内设计有液位和氧化浓度检测装置，用来检测水位高度和氧化浓度。

#1泵井控制方式：水位高时，电机启动，把水抽走；当电机堵转时，热继电器动作，跳闸以保护电机。

其中#1泵井、#2泵井各2台潜水
泵互为备用。

氧化沟两台转刷控制方式：1、2号转刷用于增氧，转速有高低两档，D。

为1、0时，分别为高速、低速运转。

推流器控制方式：两个转刷根据液位和氧化浓度独立工作。

液位 >3.2m且氧低于设定值时，启动转刷。

当水位日H<2.8m或氧化浓度高于设定值时，化浓度O
d
停止转刷，故障状态下停止转刷。

流量控制：用流量计检测流量，保证流速一定，确保沉除砂效果。

由进水阀调整流量大小。

当检测到流量过快时，则关小进水阀；当检测到流量过慢时，则开大进水阀；当流量适中时，进水阀则不动作。

水位控制：由水位检测计检测处理池水位，水位过高则开大排水阀，过低则关小排水阀，适中则排水阀不动作。

3 污水处理的PLC控制系统
3.1 PLC控制系统设计的基本原则和步骤
一．PLC控制系统设计的基本原则
PLC是一种计算机化的高科技产品，如果被控系统复杂，I/O点数很多，系统的可靠性要求很高，由于生产工艺流程或产品的变化，需要经常改变系统的控制关系，就可以使用PLC。

任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，确定选用PLC控制系统后，在设计PLC控制系统时应遵循以下原则：
1）最大限度地满足被控对象的控制要求；
2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单，经济，使用及维修方便；3）保证控制系统的安全，可靠；
4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。

二．PLC控制系统设计的一般步骤
1.熟悉控制对象。

首先应详细了解被控对象的全部功能和它对控制系统的要求，如机械的动作，机械、液压、启动、仪表、电气系统之间的关系，关系是否需要设置多种工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其他智能装置之间的关系，是否需要通信联网功能，是否需要报警，电源停电及紧急情况的处理等等。

2.确定硬件配置，设计外部接线图。

正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术与经济性能指标起着重要的作
用。

选择PLC，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。

根据被控对象对控制系统的要求，及PLC的输入量、输出量的类型和点数，确定出PLC的型号和硬件配置。

PLC硬件配置确定后，对I/O点进行分配。

设计出PLC的外部接线图。

3.设计控制程序
在硬件设计的基础上，通过控制程序的设计完成系统的各项控制功能。

对于简单系统的控制程序，可以使用经验法设计直接设计出梯形图。

对于比较复杂的系统，一般要首先画出系统的工艺流程图，然后再设计PLC的控制梯形图。

4.程序调试
控制程序是控制整个系统的工作软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。

因此，控制系统的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

3.2 硬件设计
选择的污水处理工艺流程的特点，进行硬件总体设计，如图3.1，硬件主要由PLC，上位机，泵类设备，格栅机和输入信号组成。

图3.1 硬件总体框图
3.2.1 PLC机型的选择
结合污水处理流程，本系统需控制7台设备和检测2个参数。

共有32个输入开关量和20个输出开关量。

比较德国西门子公司S系列、日本j菱公司的A系列大型PLC和日本OMRON公司的c系列PCL，并考虑到成本和易操作性等因素，最终选择OMRON公司内装60个I／0端子的CPM2AE一60CDR—A型PLC。

它运行速度快，控制可靠，具有强大的指令系统和丰富的输入输出扩展设备及特殊扩展设备.
根据功能与任务相适应的原则，对于控制要求较高的系统，选用中大型PLC，为了提高PLC的实时处理速度，选择CPU处理速度快的PLC，减少执行指令时间，同
时对编制的程序优化，缩短扫描周期。

选择PLC使结构合理，机型统一。

选择本控制系统由双CPU414—4H组成l：1处理器单元冗余，由双SITOP电源构成24VDC 1：1供电冗余，由ET200M系列双IM153—2及双回路光纤构成1：1分布式I／O DP通讯冗余，由双以太网模板构成处理单元与上位机1：1以太网通讯冗余，所有开关量输入、输出信号通过集电器隔离。

图3.2 PLC接线图
3.2.2 模拟量模块的选择
考虑到污水处理系统还必须检测2个模拟量，即氧化沟溶解氧浓度和液位，故必须为CPM2A扩展一个模拟量I／0单元。

根据工程需要，选用CPM1A—MAD02—CH 扩展单元。

其硬件如图3.2。

模拟量输入模块：
规格型号：SM33l
输入点数：8点
额定电压：24VAC
信号输入：4—20mA／0—10VDC／热电阻／热电偶典型功率消耗：1.0W
最大电流消耗：50mA(背板总线)，
光耦合器隔离：有
模拟量输出模块：
规格型号：SM332
输出点数：8点
额定电压：24VAC
信号输出：0／4—20mADC
典型功率消耗：3.0W
最大电流消耗：100mA(背板总线)，
光耦合器隔离：有
绝缘试验电压：1500VDC
保护等级：IP20
工作环境：温度：0-60℃，湿度：10％ -95％
尺寸：80×125×120mm
重量：0.465kg
3.2.3 开关量模块的选择
选择适合的电压等级和模块密度。

为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小，门槛电平指输入点的接通电平和关断电平的差值。

门槛电平越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。

选用输出模块还应注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。

输入、输出端对应接口地址如表3.1。

开关量输入模块:
规格型号：SM322
输入点数：16点
额定输人电压：24VDC
输入电压范围(信号1时)：13—30VDC
输入电压范围(信号0时)：-30～5VDC
典型输入电流：信号1时典型值7mA，
最大电流消耗：25mA(背板总线)
绝缘试验电压：500VAC
I／O通道间隔离：有
保护等级：IP20
工作环境：温度：0-60℃，湿度：10％-95%
尺寸：40 ×125×120mm
重量：200g
开关量输出模块:
规格型号：SM322
输出点数：32点
输出信号类型：无源触点
额定负载电压：24VAC
负载电压范围：20～28VDC
额定输出电流：0.5A
典型功率消耗：4.9W
最大电流消耗：80mA(背板总线)，
光耦合器隔离：有
绝缘试验电压：500VDC
短路保护：有
保护等级：IP20
工作环境：温度：0-60℃，湿度：10％-95%
尺寸：40 ×125×210mm
重量：0．19kg
表3.1 32个输入开关量和20个输出开关量接口地址
3.2.4 电源模块的选择
规格型号：PS 407 10A
额定输人电压：230VAC
输人电压范围：85—264AC
额定电源频率：50Hz
电源频率范围：47～63Hz
额定输入电流：0.6A
最大启动电流：15X额定输入电流
电源掉电缓冲：>20ms
额定输出电压：5VDC和24VDC
输出允许范围：5VDC：+3％／-0.5％，24VDC：+25％／ -20％
额定输出电流：5VDC：10 AVDC：0.5A 短路保护功能：有
保护等级：IP20，有保护导体
工作环境：温度：0-60℃，湿度：10％ -
95％
尺寸：50X290×217mm
重量：780g
3.2.5 PLC的输入、输出点功能
(1)模拟输入信号温度信号包括进水温度、PH值和空气出口温度用于指示进水特征和鼓风机进入曝气池的空气温度。

压力信号包括鼓风机空气出口压力和脱水机冲洗滤布水压力信号。

粗、细格栅前后液位信号用于指示前后液位的高低。

进水泵阀门的开度及鼓风机进、出空气阀门的开度指示信号用以调节其流量。

流量信号用于指示进水、出水、污水处理过程污水或污泥流量并参与过程控制。

曝气池溶解氧信号、氧化还原电位及悬浮物仪表信号可指导污水处理工艺的调整。

(2)模拟输出信号粗、细格栅前后液位差信号输出用于控制粗、细格栅的自动起停。

PLC根据曝气池溶解氧信号的大小输出4～20mA 的电流信号控制鼓风机进、出空气阀门的大小或起停鼓风机。

PLC根据脱水机房泥泵泥量信号的大小输出4-20mA电流信号控制混合絮凝剂用量的大小，以达到好的污泥脱水效果。

(3)数字输入信号设备自动／-y-动状态输入信号，自动状态可由PLC达到自动控制，手动状态可由现场人工控制。

设备运行状态输入信号指示设备的起停或开关位置。

过热、过载、湿保护(电机内有湿保护开关)输入信号指示设备的故障现象或原因。

(4)数字输出信号开关设备输出信号在自动控制状态下起停设备。

4 软件设计
4.1软件控制系统功能的实现
在控制系统的功能设计上，各提升泵、格栅机、污泥泵都具有独立的控制功能而且互为备用。

相互之间即可以在自动控制方式下实现任意组合联锁控制，也可以在手动控制方式下独立控制。

中控室的两台操作站具有同等的功能，而且互为热备用。

当一台出现故障时也不会影响污水处理的操作。

各提升泵在远程控制方式下分手动控制和自动控制。

手动控制是操作员根据实际情况对提升泵、格栅机、污泥泵出水堰门、进水堰门、转刷进行启动和停止操作。

PLC 根据实际情况对处于自动方式的提升泵、格栅机、污泥泵、出水堰门、进水堰门、转刷进行启动和停止操作。

在计算机操作站显示的画面有工艺流程主画面、工艺流程分画面、设备操作画面、趋势图、报警画面记录报警发生时有关信息，如故障标签名称，报警信息，故障报警时间，确认报警时间等。

报表画面有主要设备运行报表和生产日报表。

操作人员通过调用这些画面可以全面了解污水处理厂的运行情况，并且很方便地对设备操作。

采用基于客户／服务器HMI组态软件Intouch。

实现了对污水处理厂的远程监控。

操作人员可在中央控制室对生产过程进行监控。

管理人员坐在办公室甚至在家里也可以监控污水处理的运行情况。

4.2 PLC控制流程图
根据生产工艺要求，设计以下控制流程图，如图4.1所示。

输入输出分配表如表4.1。

图4.1 程序设计流程图
图4.2氧化沟#l转刷程序流程框图
表4.1 输入输出分配表
4.3 PLC控制系统梯形图程序
根据工艺流程的控制要求，设计梯形图，如图4.3。

图4.3 PLC控制系统梯形图程序
4.4下位机软件设计
下位机采用OMRON公司开发的CX—PRO．GRAMMER软件对PLC进行编程和对PLC设备配置进行维护。

编制的软件主要包括信号获取处理、信号控制、故障模块的设计、与上位机通讯的DB块的设计。

4.5上位机软件设计
为保证工业现场的稳定，上位机采用Windows2000操作系统，编程平台为INTOUCH。

上位机实现的功能如下：数字显示液位和溶解氧浓度，并用趋势图显示溶解氧的历史和当前变化趋势；显示各设备的启动、停止、故障等运行状态；启。