西门子PLC在污水处理控制系统中的应用.pdf

第 4期 总第 1 7 9期 2 0 1 3年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NEERI NG 8 乙 AUT0MATI N NO． 4 Aug． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 O 1 3 O 4 0 1 2 4 0 3 西 门子 P L C在污水处理控制 系统 中的应用 李庭贵 1 ．泸州职业技术学院，四川 泸州 6 4 6 0 0 5 ；2 ． 四川省泸州市工程机械智能优化设计重点实验室，四川 泸州 6 4 6 0 0 5 摘要 通 过对城市污水处理 过程工 艺的分析 ，采用 西 门子公 司的 Wi n C C 6 ． 0组态 软件 和 S 7 4 0 0系列 P L C 设计 了污水处理 自动控制系统。实践表 明，系统运行 状况 良好 ，出水指标 、控制 可靠性、安全性等达到 了设 计要求 。具有广泛 的应用前景 。 关键 词 Wi n C C组态软件 ；S 7 4 0 0 P L C；污水处理 ；以太网 中图分类号 TP 2 7 3 文献标识码 A 1 污 水处 理 过 程工 艺分 析 1 ． 1 污水 处理 处理污水 的方法很多， 一般可归纳为物理法 、 化学 法 和生物法等。现代污水处理技术按处理程度可分为 一 级 、 二级和三级处理 ， 一般根据水质状况和处理后水 的去向来确定污水处理程度。一级处理主要去除污水 中呈悬浮状态的固体污染物质 ， 物理处理法大部分只 能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水 ， B oD 一 般 可 去除 3 O 9 ， 6 左 右 ， 达 不 到排 放 标 准 。二 级处 理 主 要去除 污水 中呈 胶 体 和溶 解 状态 的有机 污 染 物质 B O D和 C OD物质 ， 去除率可达 9 0 以上 ， 使有机 污染物达到排 放标 准， 悬浮物去 除率达 9 5 ， 出水 效 果好。三级处理进一步处理难降解的有机物 、 氮和磷 等能够导致水体富营养化 的可溶性无机物等， 主要方 法有生物脱氮除磷 法、 混凝沉淀法、 砂滤法、 活性炭吸 附法 、 离子交换法和 电渗析法等Ⅱ ] 。 1 ． 2 工 艺 流 程 图 1 为北小河改扩建后污水处理工艺流程。北小河 污水处理厂流域 内的污水通 过进水管线 接入原提 升泵房 的集水井， 通过 2条装有 8 mm粗格栅的格栅间， 拦截污 水中较大杂质后进人污水提升泵房， 污水提升后流入曝 气沉砂池去除砂粒， 自此向后分为如下两个系统。 系统一 6 1 0 m。 ／ d的污水经 1 mm 细格栅后 ， 通 过 流 量计 计 量 水 量 ， 然 后 进 入 MB R Me mb r a n e B i o R e a c t o r ， MB R 膜生物反应池 ， 去除 C O D、 B OD 5 、 N、 P等污染物 ， 其 中 5 1 0 m。 ／ d的出水经 UV 消毒 后 ， 流人 MB R清 水池 ， 在进 入 清水池前 投加 二 氧化 氯 ， 以保证管网内的余氯要求 ， 最后通过配水泵房提升 送至厂外再生水利用管网向用户供水 。另外 1 0 m。 ／ d 的 MB R膜生物反应池出水经紫外线 UV 消毒㈨后 ， 进入 R 0 Re v e r s e Os mo s i s 反渗 透系统进行深 度处 理 ， 然后进入 R O清水池 ， 最后通过配水泵房送至厂外 高品质水管道向奥运公园供水。 原 4 1 0 ‘ m 。 ／ d R 坚艺 改 造 u v 消 毒 ； j I 原初I一一上 鍪 ⋯⋯⋯‘ 『 ⋯⋯一 麓 ．2 2 2 1 一 I器 水 泥饼 外 机I运处理 房l _r 6 f ‘ r再生 水 ． 补氯上 。 。 。 新建6 l O ‘m 。 ／ d l 1 0 ‘ m 。 ／ d M B R 工艺 l R O 系统 图 I 北小河 改扩建 后污 水处理工艺流 程 系统二 4 1 0 m。 ／ d的污水经 3 mm 细格栅后 ， 通过 流量 计计 量水 量 ， 然后 进入 改造 A2 ／ O生 物池 ， 去 除 C OD、 B OD 5 、 N、 P等污染物， 依 出水情况投加化学 除磷药剂， 最后经沉淀池沉淀分离 ， 出水汇人处理厂退 水干管 ， 采用紫外线 UV 消毒后 ， 经巴式计量槽计量 水量， 最终排人北小河。 2 污水处理 自动控制系统设计 2 ． 1主要 控 制 内容 系统主要控制包括进水泵控制、 粗细格栅控制、 曝 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 1 6 ；修 回日期 2 0 1 3 0 3 一 1 0 作者简介 李庭 贵 1 9 7 3 一 ，男 ，Ig t J I 泸县人 ，副教授 ，工程师 ，硕士 ，主要研究方向为智能优化与控制。 剩余污泥 俪问 及 泵 房 d ＼ I水 原 l 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4期 李庭贵 西门子 P L C在 污水处理控制 系统 中的应 用 1 2 5 气沉砂池控制、 曝气池 溶解氧控制、 污泥 回水流量控 制 、 污泥浓缩脱水系统控制、 MB R膜生物反应池控制 、 膜反冲及化学清洗控制 、 配水泵控制、 电力监控和电气 设备控制等【 4 ] 。 1 进水泵 自动控制 根据集水池 的水位控制进 水泵的开启数量 。为了保证进水泵总是处于最佳运行 状态 ， 实现进水泵 的自动轮换 ， 应累积其运行时间并限 制启动次数 。所有进水泵在干运转保护水位开关动作 时 ， 应 停 止运 行 。 2 粗 、 细格栅 自动控制 通过格栅前、 后 的液位 差来控制格栅 的运行 ， 其运行时 间及运行周期可 自动 调节 。系统启动时先启动螺旋输送器 ， 再启动格栅工 作 ， 停止时则相反 。 3 曝气沉砂池 自动控制 根据 时间程序控制曝 气沉砂池 的除砂机运行 以及气体装置 的运行 由除砂 机上 的空压机连续供气 ， 砂水分离器与除砂机联锁， 完成气体后的砂水分离。 4 曝气池溶解氧 自动控制 曝气池 内设置溶解 氧分析仪 ， 各空气支管上设置气体流量计 ， 根据曝气池 内溶解氧 的设定值 自动调节曝气池进气调节阀的开度 以保持溶解氧在所要求的设定范围内。 5 污泥回水流量 自动控制 根据曝气池的进水 量 ， 自动控制 回路污泥泵 的运转 台数并通过变频器控 制 回流污泥泵的流量 ， 实现进水量与污泥 回流量的合 理配 比， 保证曝气池中生物处理的质量稳定。 6 污泥浓缩脱水系统 自动控制 污泥浓缩脱水 机控制包括所必需 的顺序连锁 和逻辑编程控制， 以及 与辅助设备 污泥切碎机 、 进泥泵、 絮凝剂制备投加系 统 、 泥饼输送机 、 清洗水泵等 的联动控制。可实现“ 一 步化” 操作 。 7 MB R膜生物反应池 自动控制 生物反应池内 设置溶解氧分析仪 ， 曝气池各空气支管上设置气体流 量计， 根据池内溶解氧 的设定值 自动调节曝气池进气 阀的开度以保持溶解氧在所要求的设定范围内。池内 同时设置液位计 ， 用以监控池 内的液位变动 ， 并与膜系 统的抽吸泵联锁控制 。膜系统根据系统来水流量控制 膜系统的产水量 ， 同时膜池液位也与变频抽水泵进行 联锁控制 ， 以防止膜池的液位过低使膜表面暴露于空 气 中 。 8 膜反冲及化学清洗 自动控制 根据时间程序 自动控制膜元件的反冲洗周期和化学冲洗周期 。 9 配水泵 自动控制 根据配水泵 出水管路即 中 水配水管 网的压力设定值 自动调节配水泵的台数及转 速 ， 以保证 中水管网的压力恒定 ， 满足厂区用水 、 外网 用 水 的需 求 。 1 0 电力监控 对整个工程实施电力监控。系统 内装 电力监控程序 ， 显示 电力系统主要电量参数 ， 如开 关状态 、 电流 、 电压、 功率、 电度等 ， 实现监控 、 管理本工 程 的 电力 消耗 。 1 1 电气设备控制 电机能 以 自动／ 就地控制 或 远程手动控制的方式运转。在就地方式下， 电气设备 运转不受 自控系统控制 ； 在 自动方式下， 电气设备 由所 属现场控制站 自动控制。在软手动方式下， 电气设备 由操作员在监控站实行软手动操作。 2 ． 2 系统控 制 方案 设计 控 制系 统 分 为 生 产 管 理 级 和 现 场控 制级 两 层 结 构。现 场 控 制 级 采 用 DP总 线[ 7 和 MOD B US总 线[ 8 - 1 o ] 的通 讯方 式 ， 控 制 站 间 和上位 监 控计 算 机 之 间 采用工业 以太 网方式 ， 保证了控制系统的快速 、 安全运 行 。网络通讯的突出设计， 为系统 自动化奠定了基础 。 污水处理 自动控制系统 由远程输入输 出单元 、 现 场控制站 、 中央监控工作站及工厂计算机管理系统、 网 络 系统等组成 。网络系统 主要包括标准光纤 以太网、 工业光纤 以太 网、 现场高速数据通讯网、 P R OF I B US -- DP网和 Mo d b u s网等。污水处理 自动控制系统网络 配置 示 意 图如 图 2所示 。 2 ． 2 ． 1 计算机管理系统 C MS 计算机管理系统由厂长室计算机、 总工室计算机 、 化验室计算机及投影仪展示计算机等组成 ， 4台计 算 机用百兆级以太 网连接， 配以打印机、 UP S不 间断电 源和投影仪等设备 。主要用于完成对工厂的管理 、 调 度 及监 视 功能 。 图 2 污水 处理 自动 控 制 系 统 网络 配置 示 意 图 2 ． 2 ． 2 中央监控工作站 c c w 设 置在 总 变 电站 中控 室 内的 中央监 控 工作 站 c c w 由两套互 为热备的监控计算机、 服务器 、 打印 机 、 UP S不间断 电源、 以太 网交换 机及便携式 编程计 算机等组成， 主要用 于完成对工厂 的管理、 调度 、 集中 操作、 监视 、 系统功能组态、 控制参数在线修改和设置 、 记录、 报表生成及打印、 故障报警及打印等功能。通过 液晶显示器可直观地显示全厂各工艺流程段的实时工 况 、 各工艺参数的趋势画面， 使操作人员及时掌握全厂 运行情况 。两套计算机互为热备。 在 中控室还设置有一套 DL P投影系统 。该 系统 主要由投影单元、 拼接显示控制器 、 中央控制系统 、 硬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3 年 第 4 期 盘存储 、 矩阵切换器 和大屏 幕应用控制软件 等组成。 大屏幕投影系统与中控室监控计算机相 连， 可将 有关 信息在大屏幕上显示 。通过矩 阵切换器还可将工业电 视监视系统的视频信号接人 投影系统在大屏幕上 显 示 ， 可同时显示 1 2路视频监控画面。计算机数字及模 拟信号可在大屏 幕上任意位置 以任意大小开 窗 口显 示 ， 开窗 口数量不受限制。 2 ． 2 ． 3 现场 控制 站 F C S 现场控制站 由西 门子 S 7 4 0 0 P L C 、 分布式 I ／ O 单元及相关附属设备组成 。根据需要可配置工业级网 络接 口模块 、 现场总线接 口模块、 串行数据通讯 R S 一 2 3 2 ／ 4 8 5 接 口模块 ， 并在现场控制站 中安装 西门子触 摸屏 ， 以方便在现场完成一些简单操作。 2 ． 2 ． 4 网络 系统 NS 网络系统 由标准光纤以太网、 工业光纤 以太网、 现 场高速数据通讯网等组成。标准光纤以太网负责综合 楼计算机管理系统 C MS 与总变 电室 中央监控 工作 站 C C W 间 的数据通讯 ， 通讯速率为 1 0 0 Mb ／ s 。工 业光纤以太网负责中央监控 工作站 C C W 与现场控 制站 F C S P L C控制器之间的数据通讯。该控制系统 采用了冗余系统设计， 确保网络可靠性 ， 通讯速率为 I O O Mb ／ s 。现场高速数据通讯网采用 P R OF I B US D P网 络， 负责 P L C控制器主站与从站及 P L C与远程分布式 I ／ o之间 的数 据通讯 ， 通 讯速率不小 于 1 0 Mb ／ s 。 2 ． 3 监 控 系统设计 污 水处 理 自动 控 制 系统 中 ， 采 用 上 位 机 和下 位 机 方式实现控制 ， 系统 主要 由上位计算机 、 P L C和现 场 仪 表等 组成 。 根据污水处理控制系统 的实际需要， 上位机采用 西 门子公 司 的 Wi n C C 组 态 软 件 ， 主要 实 现 远 程 仪 器 仪表数据的监测和系统管理等功能。具体包括 获取 远程实时数据并显示 ； 向下位机发 出控制指令 ； 动态显 示污水处理工艺流程 ； 存储历史数据及打印； 系统故障 报警等。 下位机采用西门子公司 S 7 4 0 0系列 P L C及 相 应 的模块 。通过系统通讯网络， 将现场设备 的运行状 态传输到上位机 ， 接收上位机发出的控制指令 ， 协调现 场各智能仪表之间的逻辑关系， 完成污水处理工艺流 程 的控 制 。 污水处理监控系统的主要功能有 ①系统具有中／ 英文切换功能 ； ②具有用户管理功能， 保证正常操作的 同时， 分级控制操作 ； ③实时记录及修改重要参数 ， 实 时记录重要工艺参数 ， 并可以进行历史数据查询 ； ④ 自 动处理报警信号 ， 能够实时显示并记录现场报警情况 ， 如对于液位超低或超高、 电动机堵转等重大报警信号 ， 系统可声光报警 ； ⑤ 自动生成报表 ， 每隔一小 时， 在报 表中实时显示 P L C的运行状况 ， 并能按要求的格式打 印。在主画面中点击该 区域或按钮进入到相关 区域 ， 各个区域都包含有流程画面、 参数设置画面和历史 曲 线 画面 等 。 3结 束语 系统经过一年多的运行 ， 各方面运行状况 良好 ， 出 水指标 、 控制可靠性 、 安全性等达到了设计要求 ， 实现 了污水处理 的 自动控制， 在溶解 氧控制和恒压供水控 制方面取得 了良好的控制效果， 具有广泛的应用前景。 参 考文献 [ 1 ] 曹丽婷 ， 田景文 。 黄桂林 ． P L C和组 态软件 在污水 处理 远 程监控系统中的应用[ J ] ． 机床与液压． 2 0 0 8 ， 3 6 7 2 0 2 20 4， 24 8． [ 2 ] 张 自杰． 环境 工程手 册一 水污染 防治卷 [ M] ． 北 京 高等 教育 出版 社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ] 张培山 ， 钟 昆。 张林江． 基 于 P L C的污水处 理厂 自控系统 的实现[ J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 0 7 。 5 6 0 6 2 ， 7 2 ． [ 4 ] 杨 曹争 ． 毛海亮． 污水处理厂 中的 P L C及 自控系统[ J ] ． 交 通环保 ， 1 9 9 7 ， 1 8 5 5 - 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