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基于PLC的污水处理进水控制系统设计
作者：向丹
来源：《湖北农业科学》2015年第13期
摘要：针对污水处理进水系统中出现的应急能力差、格栅易堵塞和潜水泵易出现故障等问题，设计了一种基于PLC（Programmable Logic Controller）的多环节进水自动控制系统。系统通过液位差来控制粗格栅和清污机的协调运行，保证格栅畅通；通过低位锁定、高位预警潜水泵的运行，保证供应与输出相平衡，提高了应急能力，防止故障发生。试验结果表明，所设计的进水控制系统处理后的水质化学需氧量（COD）、污水五日生化需氧量（BOD5）和固体悬浮物浓度（SS）3项指标检测达标率均为100%。
关键词：污水处理；进水系统；PLC（Programmable Logic Controller）；自动控制；检测试验
中图分类号：TP273；X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）13-3254-04 DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.13.048
Designs of Feedwater Control System in Sewage Disposal based on PLC XIANG Dan
（College of Automation，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510635，China）
Abstract： Aiming at solving the problems of the feedwater system in sewage disposal， such as poor emergency response capacity， easy blockage of gratings and easy fault of submersible pumps， an automatic multi-ink control system was designed based on PCL（Programmable Logic Controller）. The system coordinated the operations of gratings and cleaning machine according to the level difference， so as to ensure the gratings unblocked. The running of the submersible pumps was adjusted by means of low lock and high warning， in order to ensure the balance between supply and output to improve emergency response capacity and prevent failure. Results showed that the COD，BOD5 and SS’s standard rate of water treated by the designed feedwater control system were 100%.
Key words：sewage disposal；feedwater system；PLC（Programmable Logic Controller）；automatic control；detection experiment
水是人类生活、生产作业的基础，在中国淡水资源不断减少的同时，水污染却更加严重，致使可利用水资源紧缺，严重降低了人们的生活质量，阻碍了工农业的发展。资料[1-4]显示，
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中国工业用水重复利用率平均为40%～50%，污水处理率仅为10%左右，其余的污水都直接排入河流、海洋等地，未经处理的污水直接排放不仅浪费了水资源而且还污染了环境，而被污染的环境又蚕食未被污染的水源，如此恶性循环，无疑是“自毁前程”。污水处理系统能够有效地对污水进行净化，变废为宝，循环利用，但是，在污水处理过程中，由于污水来源不明确，成分复杂多变，这对污水处理方法、处理技术及其控制方式提出了较高的要求。
污水处理系统的自动化控制可以明显改善处理效果，提高处理效率。污水处理进水系统主要由粗格栅、清污机和潜水泵3大部分组成，粗格栅可以过滤体积较大的固体物，但是容易堵塞，需要清污机适时清理堆积物，潜水泵是后续处理工序的心脏，泵送污水[5-8]。生产实践中发现，在污水处理系统的进水系统中，经常因格栅易堵塞导致系统瘫痪，潜水泵抽水液面过低，引起泵干烧，或者抽水液面溢流淹没格栅间，特别是雷雨洪水天气，此现象尤为严重[9，10]。为此，针对污水处理进水系统中出现的应急能力差、格栅易堵塞和潜水泵易出现故障等问题，设计了一种基于PLC的多环节进水自动控制系统。系统通过液位差来控制粗格栅和清污机的协调运行，保证格栅畅通；通过低位锁定、高位预警来潜水泵的运行，保证供应与输出相平衡，提高应急能力，防止故障的发生。 1 污水处理系统工作原理
污水处理系统按其功能大致可分为进水系统、除沙系统、氧化沟系统、沉淀系统、污泥回流系统和污泥脱水系统几大部分。污水处理系统组成及工艺流程如图1。
污水从主管道进入进水系统，首先进入格间，格间设置有粗格栅和清污机，粗格栅可以过滤体积较大的固体物，为了防止堵塞，需要清污机适时清理堆积物，此为污水预处理；然后通过两台大型潜水泵将经过预处理的污水泵送至除沙系统，首先进入格间，格间设置有细格栅和清污机，细格栅和转鼓清污机配合工作去除体积较小的固体物质，然后污水进入除沙池进行沙水分离，污水进入氧化沟系统。经过两道物理过滤的污水在氧化沟反应池里进行生化反应，在氧化沟反应池中加入活性污泥等物质，降解有机物和去除有害物质，并用潜水搅拌机充分搅拌促进生化反应，以最大限度地去除有害物质。经过生化反应的混合液进入沉淀池，在沉淀池内泥水分离，沉淀下来的污泥一部分通过污泥回流泵送至氧化沟反应池，以保证池内有一定量的污泥，另一部分进行污泥脱水、压缩行程污泥饼外运。上层上清液为满足要求的干净水，可以安全排放。
2 污水进水控制系统设计 2.1 硬件设计
污水处理控制系统硬件配置框图如图2。控制系统以PLC为核心，通过控制面板、液位差传感器和液位高度传感器数字量输入，溶解氧仪模拟量输入，控制各类泵、格栅机、各类清污机和离心式脱水机的运行，设备控制状态和运行状态都显示在面板上。操作面板主要用于手动
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控制模式下的操作，液位差传感器主要是检测粗格栅两侧的液位差，液位高度传感器主要是检测进水泵房中液位的高低。
西门子S7-200系列PLC功能强大，在污水处理控制系统中，无论是其运行或者联网都能实现复杂的控制功能。CPU226主要用于要求较高的控制系统，其具有24个数字量输入点和16个数字量输出点，在该系统中，仅自带的40个输入输出点不能满足要求，故外接了EM223模块，其具有8个数字量输入点和8个数字量输出点；同时为了采集模拟量，还配置了EM235模块，其具有4个模拟量输入，2个模拟量输出（实际为1个）。硬件I/O地址分配如图3。
2.2 软件设计
污水处理进水控制程序主要为粗格栅清污机控制程序和潜水泵控制程序。通常粗格栅每隔2 h运行一次，每次运行20 min，当液位差大于200 mm时启动清污机，而潜水泵是根据液面的高低来自动控制运行，同时增加了低位锁定、高位预警功能。
粗格栅清污机控制程序主要控制粗格栅机和清污机的协调运行，其工作过程为：粗格栅每工作20 min，停止运行2 h，如此循环动作；同时，通过液位差传感器实时检测粗格栅两侧的液位差，并将液位差与设定值200 mm进行比较，若液位差低于设定值，则停止清污机工作；若液位差高于设定值，则必须启动清污机工作。这样既可以保证污水的稳定供应，同时又保证了粗格栅不被堵塞。粗格栅控制流程图如图4所示。
潜水泵控制程序主要是控制两台潜水泵的运行。其工作过程为：通过液位高度传感器检测污水池中的液位高度并与设定液面值进行比较，若液位处于最低液位和设定液面值之间，则只启动一台潜水泵工作；若液位处于设定液面值和最高液位之间，则启动两台潜水泵工作；若液位低于最低要求液位，则延时2 s再检测，仍低于最低液位，此时为防止泵烧坏，则停止潜水泵工作；若液位高于最高液位时，延时2 s再检测，仍高于最高液位，此时为防止事故发生，则发出报警信号。通过低位锁定、高位预警来保证供应与输出相平衡，提高应急能力，防止故障的发生。其中液面设定值14 m，最低要求液位设置为10 m，高位液位16 m。潜水泵控制流程图如图5所示。 2.3 通信结构设计
通信网络是上位机监控系统和下位机PLC控制系统的连通介质，其稳定性和时效性直接决定了整个系统的运行状况和控制功能。本文所设计的控制系统通信网络以Ethernet/IP为基础，实时扩展TCP/IP并附加CIP，进行层级通讯。其Ethernet/IP的协议结构如图6所示。 3 现场检测试验结果
将所设计的污水处理进水控制系统在广东省东莞市某污水处理厂进行检测试验。结果表明，粗格栅每隔2 h运行一次，每次运行20 min，能够很好地隔离树枝、塑料袋和水瓶等大体
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积固体物，在液位差大于200 mm时清污机启动，能够及时清除拦截物，并通过螺旋输送机输送，压榨机压榨，然后外运。粗格栅工作效果良好，无堵塞，工作过程流畅。连续监测2 h无故障发生。两台潜水泵和两台电动阀门安装在粗格栅间后的提升泵房内，潜水泵扬程48 m，流量300 m2/h，提升泵房内安装有一台超声波液位计。PLC能够根据传感器检测液位值实时比较，宏观潜水泵工作的数量及启停。连续监测2 h，泵房液面无外溢，潜水泵轮转平稳，工作高效，无故障发生。
2014年9月每天对处理后的水质取样检测，检测指标为化学需氧量（COD）、污水五日生化需氧量（BOD5）、固体悬浮物浓度（SS）。检测结果见图7、图8和图9。试验结果表明，COD、BOD5和SS 3项指标检测达标率均为100%。 4 小结
所设计的污水处理进水控制系统已经在广东省东莞市某污水处理厂投入使用，2014年9月检测试验结果表明，该系统对污水处理可达到十分理想的效果，具有以下两个技术特点。 1）系统通过控制粗格栅每工作20 min，停止运行2 h的循环动作和通过液位差传感器实时检测粗格栅两侧的液位差，并将液位差与设定值200 mm进行比较，若液位差低于设定值，则停止清污机工作；若液位差高于设定值，则必须启动清污机工作。这样既可以保证污水的稳定供应，同时又保证了粗格栅不被堵塞。
2）通过液位高度传感器检测污水池中的液位高度并与设定液面值进行比较，若液位处于最低液位和设定液面值之间，则只启动一台潜水泵工作；若液位处于设定液面值和最高液位之间，则启动两台潜水泵工作；若液位低于最低要求液位，则延时2 s再检测，仍低于最低液位，此时为防止泵烧坏，则停止潜水泵工作；若液位高于最高液位时，延时2 s再检测，仍高于最高液位，此时为防止事故发生，则发出报警信号。通过低位锁定、高位预警来保证供应与输出相平衡，提高应急能力，防止故障的发生。 参考文献：
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