基于WINCC组态的污水处理PLC自动控制系统设计研究分析

徐红秋 查安平

摘要：污水处理不仅对环境起到了改善的作用，并且污水经过处理达到排放标准后，实现水资源的再次使用，从而水资源使用效率最大化的目的。研究一套合理的污水处理自动控制系统，首先要满足国家的排放要求，并且要用较低的运行费用，来达到较好的处理效果。

关键词：SBR;污水处理;PLC

国外的计算机技术飞速发展，带动自动控制技术的不断提升，使得自动控制污水处理技术也得到长足的发展。所以通过计算机控制技术的应用，可以更高效的利用各种设备监控工艺流程，根据采集的信息，还可以不断地优化工艺。有了计算机控制技术的辅助使得效益最大化。伴随着自动控制仪表的研发出来，以及各类型的传感器精度的不断提高，优秀的自动控制系统，在生产上，保证生产的平稳运行，有效地减少人为的失误;在经济上，降低能耗，节省人力物力。

一、自动控制对于SBR工艺的优势

SBR工艺因其工艺特点，每个工艺阶段都是有序进行的，各个阶段的工作的时间不发生冲突。在不考虑所需处理的水源所含杂质成分的含量会随时间变化而存在波动前提之下，各个工艺阶段的自动控制可以通过顺序的时间控制来实现。随着智能化仪表，以及高精度传感器等设备技术的不断提升，自动控制技术也越来越成熟，对生产过程的控制也越来越精细。对控制过程中的监控参数范围更广，响应更快，可以确保生产过程的可靠运行。

二、控制系统的自动化硬件设计

（一）控制系统的构成

控制系统的基本理念是“管理集中，控制分散”，集检测、控制、反馈于一体的监控系统。考虑到为了控制实现SBR污水处理方式中比较复杂的工艺流程，可以选用逻辑操作功能强大的S7-300PLC做为该处理系统的下位机，S7-300PLC程序编写图形化，简单快捷的安装方式，在工业控制领域适用范围大，与其他设备兼容性强，逻辑控制功能极强。同时选用WinCC工控机做为上位机。上位机与下位机之间一般采用现场总线的网络技术，该网络是一个完整的，独立的网络系统。

（二）控制系统的传感器选择

现场级作为控制系统最基础的级别，囊括了生产现场的各种设施装备，包括各种检测装置、执行装置。其中作为检测装置的传感器对于系统的控制功能来说具有举足轻重的地位，它们将采集到的生产相关的数据、设备的参数状态等控制系统所需的相关信息，传输到控制系统上一层级，以供系统分析数据做出决策。作为控制系统的感知器官合理地配置与之相适应的传感器，可以实控制系统达到良好的控制效果。

（三）控制系统PLC控制器的组成

过分析研究SBR工艺，考虑到为了控制实现SBR污水处理方式中比较复杂的工艺流程，采用PLC控制系统实现其工艺流程，该系统的优势体现在，他的过程控制和顺序控制能力。PLC应用范围广，并且可靠性高，组网建议，对实现中小型规模工业自动化非常方便。PLC控制系统稳定的性能，对信号反应的及时许多，符合对污水处理设计的需求。

三、控制系统的软件设计

本文选用S7-300型PLC作为控制级，SIEMENS公司的STEP7编程软件适用于该型号PLC的程序编写。而管理级采用工控机（PC）可以运用WINCC软件对控制管理程序进行设计。通过STEP7软件策划一套控制程序需要经过以下几步：1.确定程序控制方式;2.建立任务项目;3.组态硬件：依据控制程序的需要，将相关的模块组合在一起，调整参数设置编写程序;4.最后将设计好的程序输入到PLC设备中调试程序的适合性。

（一）除污机PLC控制程序

除污机常用于污水处理工艺中的第一步，适用于处理污水中体积较大的固体物质。做为对污水进行简单的预处理的设备适合在不同污水处理方式处理各种污水。其具体控制方式如下：

1、首先超声波液位差计接收位于除污机前后两侧的两个超声波液位传感器的反馈信号，并对数据进行差值计算，得出的差值反馈给PLC，PLC经过逻辑判断发出控制指令;

2、当差值大于0.1米时，这时污水中的固体杂物已聚集过多导致前液面上升，需要运行1#除污机并启动传输机;

3、当差值大于0.2米小于0.3米时，1#除污机这时已不能及时处理污水中的固体杂物，需要同时运行2#除污机;

4、当差值大于0.3米时，说明两台除污机的工作能力已达到上限，这时要立即关闭污水进水阀门，并发出报警信号。

（二）反应池PLC控制程序

反应池是SBR工艺实施的最主要的场所，是污水处理过程中生化反应的集中发生地。其具体控制方式如下：

1、首先软启动器检测电网中可能存在问题，判断是否满足曝气机启动的条件，一旦發现风险便终止曝气机的启动动作，并发出故障报警;排除风险后曝气机便可启动工作;

2、曝气机安装于反应池底部，工作时将大量空气吸入池中，在离心力的强大作用下，反应池底的活性污泥也被空气搅动起来，使得空气中的氧气与活性污泥中的微生物充分接触、反应，使得有机物加快降解;

3、曝气机停止运行后反应池保持静止3小时，使活性污泥下沉，沉淀于反应池的底部，使其与处理好的净水分离;

4、沉淀3小时后进入排水阶段，此时滗水器开始缓慢下降，滗水槽下降到液面以下后，净水经过滗水槽流入排水分管汇聚到排水转管，滗水器下降的同时出水阀打开，最终将净水排出到反应池外;

5、滗水器下降到最低工作位面时，关闭净水的出水阀，与此同时滗水器开始上升回到初始位，至此排水阶段结束;

6、当排水阶段结束后，除泥泵启动工作将过多的污泥排除反应池外，通过超声波污泥界面仪监测池底中污泥的深度，当污泥深度达到所需污泥量的最低位时污泥泵停止，整个反应池的工艺流程结束。

（三）网络组建

本文采用PROFIBUS-DP作为系统通讯方式。在STEP7软件中运用“SIMATICManager”建立“WUSHUICHULI”项目，今后不论是PLC程序编辑还是网络组建都在该项目下进行。

1、建立控制站。本文中PLC控制站的设备选型为S7-300型，首先从“插入新对象”中找到300型站点插入到项目中。进入站点首先在画面右侧的设备库中建立Rail导轨，这时画面左侧生成了一个UR表格，依据先前的PLC配置表把控制站所用的模块填入UR表格。要注意各模块在表格中的顺序：第一位为电源模块;第二位为CPU模块;第三位空置，为新的机架预留扩展;从第四位开始加入模拟量信号、数字量信号输入输出模块，及其它相关模块。

2、建立PROFIBUS网络。找到位于二号位的CPU模块进入其下方的“MPI/DP”功能设置，新建一个DP接口，进入属性分配其地址，依据数据的传输距离选择适合的传输速率。建立成功后，会在“MPI/DP”卡位生成一根形象的PROFIBUS网线，有了这根网线便可以挂载各种需要控制的支持PROFIBUS格式的设备

（四）上位机软件设计

上位机是整个控制系统的“决策层”，操作人员通过人机界面可以对整个生产过程进行监测控制。操作人员可以了解到现场级反馈过来监测信息，调整控制级的控制方案。WinCC是由西门子公司研发，并在Windows操作系統下运行的人机界面系统，用于工业过程控制系统的监测与控制。在WinCC中建立“WUSHUICHULI”项目;在变量管理器中建立新的通道，建立与PLC的组态通讯;通过图形编辑器可建立多个过程画面将污水处理工艺图形化，直观地显示相关的控制设备设施的运行状态，控制操作只需简单的点击鼠标，输入所需参数，建立监控画面;在用户管理器中可以建立多个账号，并对不同账号可以开放不同的权限，用于修改系统。

四、结语：

本文采用了PC+PLC的控制模式，利用模块化的编程思想，对SBR工艺的流程进行了程序编写，并且利用WinCC软件对上位机进行设计。通过污水处理过程中的实际应用，在中央控制室实通过上位机WinCC的组态界面现了对整个污水处理工艺流程的自动控制，方便了现场操作人员的操作管理，同时集中的自动化控制也减轻了工作人员的工作负担提高了工作效率，提高了该厂的生产能力，降低了人工成本，使该厂的经济效益得到了很大的提升。

参考文献：

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[3]高文琪，吴守霞.自动控制在污水生物处理技术中的应用.自动化与仪器仪表[J].2015，1：117-118.

作者简介：徐红秋，女，1975.06，同济大学（上海），本科，工程师，研究方向：给排水、环保管理，环境监测、“三废”治理。