陸大同歐艷華

（1.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

基于PLC的污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸大同1歐艷華2

（1.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

針對(duì)污水處理的典型工藝流程，設(shè)計(jì)了基于PLC的污水處理系統(tǒng)。重點(diǎn)對(duì)污水處理系統(tǒng)中的頁面控制技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)，通過分析設(shè)計(jì)了污水處理中的液面控制模型，將污水處理的工藝過程抽象為對(duì)污水處理模型的實(shí)現(xiàn)。研究了PLC控制器組成結(jié)構(gòu)和控制原理，最后設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC控制器的污水處理系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)以及詳細(xì)的自動(dòng)控制流程。

污水處理；液面；模型；PLC；自動(dòng)控制

每年我國在工業(yè)領(lǐng)域和城市生活領(lǐng)域中都產(chǎn)生了大量的污水。水資源的污染是直接影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和國家發(fā)展的重大問題，也正因?yàn)槿绱?，近年來人們?duì)水資源的保護(hù)越來越重視。而與此同時(shí)水又是人們生活與工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的物資，因此人們不得不面對(duì)隨著人類活動(dòng)的空間越來越大的條件下，水體資源遭受著越來越嚴(yán)重的威脅。為了更好的解決這一問題，最有效的途徑是對(duì)污水進(jìn)行凈化處理。無論是對(duì)生活用水產(chǎn)生的污水，還是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水，通過合理的污水凈化處理能夠有效的降低污水的危害程度，甚至能夠?qū)⑹芪廴镜乃w資源轉(zhuǎn)換為干凈的水體資源。

不同的環(huán)境應(yīng)用場(chǎng)合所產(chǎn)生的污水，其污染的程度、污染物資組成的成份，都有著十分明顯的差異，對(duì)這些污水進(jìn)行處理的過程和工藝流程也大不相同。尤其是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，排放的污水與工業(yè)生產(chǎn)過程以及工業(yè)生產(chǎn)的內(nèi)容有著直接的關(guān)系。只有設(shè)計(jì)有針對(duì)性的污水處理工藝，才能夠有效的降解這些污水中的有害物質(zhì)，并順利的將污水轉(zhuǎn)換為干凈的水資源。另一方面，目前隨著人們對(duì)水資源的保護(hù)越來越強(qiáng)，對(duì)污水的處理工藝也越來越高。而日趨復(fù)雜的污水處理工藝直接導(dǎo)致了污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)的難度越來越大。為了提高污水處理過程的自動(dòng)化程度，人們?cè)絹碓蕉嗟脑谖鬯幚硐到y(tǒng)中引入自動(dòng)控制技術(shù)。而基于PLC的控制技術(shù)是一種非常經(jīng)典的工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)，利用PLC的可編程技術(shù)能夠按照用戶預(yù)先設(shè)定的意圖，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化的控制。

本文在對(duì)污水處理過程進(jìn)行研究和分析之后，采用數(shù)學(xué)建模的方式對(duì)污水處理過程進(jìn)行抽象和建模。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于PLC的污水液面控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過程的自動(dòng)化的控制。

1 液位控制模型分析

污水處理系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)污水液面位置的位置。根據(jù)污水處理流程在污水處理的多個(gè)環(huán)節(jié)，都涉及到液面位置的控制問題。而且通過液面位置的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過程中藥劑投放量的控制、污水處理時(shí)間的控制、藥劑處理濃度的控制等等。因此研究和處理污水處理過程中的液面位置控制方法對(duì)整個(gè)污水處理過程具有非常重要的意義，而且在污水處理過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，其液面控制的方法和過程雖然有一定的差異，但其共性也非常明顯。因此本文通過對(duì)污水處理過程中的液面控制問題進(jìn)行分析之后，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的液面控制模型，并在該液面控制模型的基礎(chǔ)上研究和設(shè)計(jì)液面控制問題。

針對(duì)污水處理過程，本文設(shè)計(jì)的液面控制模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該液面位置控制模型中，假定需要對(duì)一個(gè)處理池中的液面位置進(jìn)行控制，該處理池中的液體分別有一個(gè)入口和出口，入口的液體通過水泵和閥門的控制，決定在單位時(shí)間內(nèi)送入處理池中的液體數(shù)量。而出口也通過閥門和水泵控制單位時(shí)間內(nèi)流出處理池的水量，液面控制系統(tǒng)的目的就是對(duì)該處理池中的液面位置進(jìn)行精確控制，使得該處理池中的液面位置能夠保持在預(yù)先設(shè)定的液面高度上。

圖2 基于PLC的污水處理控制結(jié)構(gòu)

圖1 液位控制模型

對(duì)該液面位置處理問題的建模結(jié)果如下：

假設(shè)入口處的潛水泵使用功率為pi，閥門的開度為Ki，入口的進(jìn)水速度為Qi，進(jìn)入的進(jìn)水量為Ri，出口處的潛水泵使用功率為po，閥門的開度為Ko，出口的排水速度為Qo，排出的水量為Ro，處理池初始的液面高度為ho，液面期望調(diào)整至的高度為hx，處理池滴面積為S，處理池最大液面高度為，則該處理池液面變化的模型描述為：

式中滿足條件：Rmax≤(Ri－Ro) ≤－Rmax而 Ri＝Qit t≥ 0

Ro＝Qot t≥ 0

Qi＝λiKiPi

Qo＝λoKoPo

2 基于PLC控制原理

為了實(shí)現(xiàn)污水處理過程中的液面位置控制問題，本文采用基于PLC的控制原理進(jìn)行污水處理的液面控制。由于污水處理過程中的液面位置控制是一個(gè)典型的工業(yè)控制問題，本文采用的是工業(yè)控制中的PC加NC的控制模式。利用PC技術(shù)能夠?qū)ξ鬯幚硐到y(tǒng)的任務(wù)管理、污水處理流程進(jìn)行控制，而且通過PC的強(qiáng)大處理能力，以及靈活的開發(fā)方式，能夠在PC端為用戶提供友好的接口，使得用戶可以更加方便、高效率的對(duì)污水處理過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、干預(yù)，以及控制。而利用NC控制，則充分展現(xiàn)工業(yè)控制中的數(shù)字化控制的靈活性。通過NC技術(shù)能夠?qū)ξ鬯幚砹鞒讨械拈y門運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行精確實(shí)施的控制。NC處理單元具有比PC控制單元更高的處理效率和更快的響應(yīng)速度，因此PC加NC的處理模式非常適合污水處理系統(tǒng)中的控制問題。

本文設(shè)計(jì)的基于PLC技術(shù)的控制原理圖如圖2所示：在該原理圖中對(duì)污水處理過程進(jìn)行控制的主要有PC端和PLC控制器實(shí)現(xiàn)。其中PC端負(fù)責(zé)為用戶提供人機(jī)相互界面，并通過通信網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)PLC控制器進(jìn)行通信互連。PC端可以向PLC控制器下達(dá)控制命令和控制程序，同時(shí)也能夠監(jiān)測(cè)PLC控制器反饋過來的各種工作狀態(tài)。PLC控制器直接通過數(shù)據(jù)總線、運(yùn)動(dòng)控制器和輸出接口與污水處理過程中的運(yùn)動(dòng)控制裝置互連。同時(shí)PLC控制器也通過數(shù)據(jù)總線與污水處理過程中傳感器互連，通過由傳感器采集污水處理過程中的各種狀態(tài)信息，尤其是污水處理過程中的液面位置信息。在PLC控制器對(duì)污水處理流程中的各功能模塊進(jìn)行控制時(shí)，主要由輸出接口通過控制變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵、液壓系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)等運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)置。根據(jù)污水處理的應(yīng)用需求，動(dòng)態(tài)的對(duì)污水處理過程進(jìn)行調(diào)整，使得污水處理過程在PLC控制器的控制下有序的進(jìn)行。

本文設(shè)計(jì)的PLC控制器采用的是西門子S7-300型號(hào)的控制器。S7-300這種控制器是西門子公司推出的一種可編程的控制器。這種控制器采用模塊化的結(jié)構(gòu)，具有良好的可擴(kuò)展性和兼容性。在PLC控制器中配備的處理器有多種可選的型號(hào)。本文所選取的處理器型號(hào)為CPU314型號(hào)，根據(jù)處理的任務(wù)量和性能的要求，可以靈活的選擇不同類型的CPU。在S7-300的控制器中可以選取多種不同類型的擴(kuò)展模塊，其最多能夠支持的擴(kuò)展模塊高達(dá)32個(gè)模塊。S7-300控制器通過數(shù)據(jù)總線與各外圍模塊進(jìn)行通信，采用總線的通信方式進(jìn)一步提升了S7-300控制器的通用性和兼容性。S7-300上面為用戶提供的編程開發(fā)環(huán)境為STEP7，STEP7這種編程工具能夠?yàn)橛脩籼峁╈`活多樣的編程方式，其支持順序結(jié)構(gòu)圖、梯形圖、語句表、功能塊圖以及結(jié)構(gòu)文本等多種編程開發(fā)方式，使得用戶利用該型號(hào)的PLC控制器能夠完成多種功能復(fù)雜的工業(yè)控制應(yīng)用的開發(fā)。

3 污水處理系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)PLC控制器的原理分析以及液位控制模型的控制，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的基于PLC污水處理系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，在圖3中描述了整個(gè)污水處理的典型工藝流程。污水處理的全過程都通過PLC控制器進(jìn)行自動(dòng)精確化的控制。

圖3 基于PLC的污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先污水通過污水提升泵將污水抽入污水處理池，在污水處理池中首先分析通過精柵格和細(xì)柵格對(duì)污水進(jìn)行過濾處理。通過過濾將能夠去除掉污水中大部分固體物質(zhì)，這為污水的后期處理做準(zhǔn)確。之后污水通過閥門送入到沉沙池，在沉沙池中將通過沙水分離器和吸沙機(jī)對(duì)沉沙池的輔助沉沙處理。由PLC控制器控制沙水分離器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)污水中沙子和水體的分離。而吸沙機(jī)同樣在PLC的控制下控制吸沙的速度和吸沙的功率。污水經(jīng)過沉沙池之后，將被去除污水中大部分細(xì)粒度的沙子和固態(tài)懸浮物。之后根據(jù)沉沙池的處理狀態(tài)，由PLC控制器控制沉沙池出口的閥門，將污水排入生物處理反應(yīng)池。在生物處理反應(yīng)池中將采用生物處理的技術(shù)對(duì)污水中的生物物質(zhì)進(jìn)行降解和處理。通過PLC控制能夠控制特征反應(yīng)池中各種藥物的投放比例以及處理時(shí)間，同時(shí)由PLC控制器調(diào)節(jié)生物處理反應(yīng)池中的報(bào)氣機(jī)工作狀態(tài)。污水通過生物處理反應(yīng)池的處理之后，由PLC控制器控制輸出閥門，將污水導(dǎo)入到生物過濾池。在生物過濾池由PLC控制器控制吸泥泵輔助對(duì)污水的過濾處理。之后污水在閥門的控制下送入二次沉淀池。在二次沉淀池中將進(jìn)一步對(duì)污水小的懸浮物以及漂浮物進(jìn)行過濾。同時(shí)由PLC控制器控制污水在二次沉淀池中的沉淀時(shí)間，PLC控制器根據(jù)對(duì)污水的監(jiān)測(cè)狀態(tài)控制污水從二次沉淀池中排出，這是一個(gè)典型的污水處理流程基本完成。除此之外在污水處理過程中，PLC控制器還將控制濃縮池的分離器對(duì)污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的污泥進(jìn)行濃縮處理，并由PLC控制器控制電輔加熱裝置對(duì)污泥進(jìn)行脫水和干燥處理，最終降低污水中污染物的排放量。

從圖3的整個(gè)污水處理流程可以看出，在基于PLC的污水處理系統(tǒng)中，存在大量的環(huán)節(jié)都需要通過PLC控制器對(duì)污水的處理過程和工藝進(jìn)行控制。所有在整個(gè)工藝處理過程中，污水的流動(dòng)都是通過潛水泵來驅(qū)動(dòng)污水的流動(dòng)，因此PLC控制器將通過對(duì)潛水泵的控制，實(shí)現(xiàn)污水的流向流速的控制。而潛水泵的控制又需要通過變頻器控制來實(shí)現(xiàn)。因此PLC控制器將直接控制變頻器，再通過變頻器驅(qū)動(dòng)潛水泵的工作。

除此之外在PLC控制系統(tǒng)中需要對(duì)液面的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且為了有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的流向和流速進(jìn)行控制，可能通過對(duì)頁面的監(jiān)測(cè)掌握各污水處理環(huán)節(jié)中當(dāng)前液面的位置，并決定污水處理裝置的工作狀態(tài)，因此液面監(jiān)測(cè)傳感器是必不可少的。筆者在設(shè)計(jì)基于PLC的污水處理系統(tǒng)中，采用超聲液位計(jì)來實(shí)現(xiàn)液面位置的監(jiān)測(cè)。超聲液位計(jì)的工作原理是采用超聲波對(duì)液面位置進(jìn)行探測(cè)，從而獲取頁面位置的精確信息。這種探測(cè)器不需要與液面直接接觸，因此使用非常方便，而且采用超聲波的原理進(jìn)行探測(cè)，其測(cè)量精度高，易于維護(hù)，因此非常適合在污水處理系統(tǒng)中應(yīng)用。

整個(gè)基于PLC控制器的污水處理系統(tǒng)其核心是以PLC控制器的智能控制為中心。從圖3的組成結(jié)構(gòu)也可以看出整個(gè)污水處理的流程，都依賴于PLC控制器對(duì)各個(gè)處理環(huán)節(jié)中的設(shè)備裝配的控制，同時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的污水排放閥門也都通過PLC控制器進(jìn)行控制。在整個(gè)系統(tǒng)的工作過程中PLC控制器，通過部署在污水處理單元，以及污水進(jìn)入和排放口的閥門狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過超聲液位計(jì)對(duì)各個(gè)污水處理單元中的液面位置進(jìn)行采樣，獲取各個(gè)單元液面的位置。運(yùn)行PLC控制器中預(yù)先設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制算法，來計(jì)算出在當(dāng)前狀態(tài)下污水處理系統(tǒng)各控制單元的控制參數(shù)，并通過PLC控制器驅(qū)動(dòng)變頻器和潛水泵，實(shí)現(xiàn)液位的控制，確保整個(gè)污水處理流程正常順暢的運(yùn)行。

4 總結(jié)

隨著人們對(duì)環(huán)保的重視越來越高，當(dāng)前對(duì)污水的處理應(yīng)用需求也越來越大。無論是工業(yè)廢水的排污處理，還是對(duì)城市污水的排污處理，每天需要處理的污水量極其龐大，設(shè)計(jì)基于PLC控制器的污水控制系統(tǒng)能夠大幅度提高污水處理的效率和自動(dòng)化程度，有助于推動(dòng)人們對(duì)污水處理工作的重視。

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The design of sewage treatment system based on PLC

In view of the typical technological process of sewage treatment, sewage treatment system based on PLC is designed. Key page control technique of sewage treatment system carried on the thorough research and design, through the analysis of design of the liquid level control of sewage treatment model, the sewage treatment process abstraction for the implementation of sewage treatment model. Studied the structure and control principle of PLC controller, finally designed a sewage treatment system based on PLC controller, gives the system structure and the details of the automatic control process.

Sewage treatment; liquid level; Model; PLC; automatic control

TP273

A

1008-1151(2015)03-0059-03

2015-02-13

2014年廣西教育廳科研項(xiàng)目“基于plc的模糊液位控制器設(shè)計(jì)”（LX2014531）；2013年廣西教育廳科研項(xiàng)目“基于嵌入式的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”（2013YB353）。

陸大同（1969－），男，百色職業(yè)學(xué)院副教授，從事機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)及研究，研究方向?yàn)殡姽る娮蛹夹g(shù)、PLC技術(shù)、電氣自動(dòng)化；歐艷華（1973－），女，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化。