基于PLC和物联网的分散式污水处理设备自动化控制系统研究

摘 要：本文以MBR分散式污水处理设备为例，结合污水处理工艺介绍一种农村污水处理设备控制方案，详细描述相关的电气原理、设备选型及控制程序等。将PLC控制技术与物联网技术相结合，提出一种实现设备全自动化、无人值守的控制方法，提高系统运行稳定性和运维效率。

关键词：污水处理；膜生物反应器；自动控制；控制系统；物联网

随着国家乡村振兴战略的实施，生态环境部等五部门联合印发了《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025年）》，农村生活污水垃圾治理作为主要举措之一备受重视，至2025年，农村生活污水治理率需达到40%［1］。国内农村地区具有人口密度较低，排出污水量少、浓度高等特点，其次因基础建设不足，缺乏系统性的输送生活污水的管道装置，传统的远距离输送、集中处理的方式［2］会加大投资成本且管道系统易出现堵、漏现象。分散式污水治理技术因其投资成本低、能耗小，占地面积小、管网收水率高、除污率高等优点适用于农村生活污水处理中。

膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）一体化污水处理是生物处理技术与膜分离技术相结合的污水处理技术［3］。因其容积负荷大、占地面积小、出水水质好等优点被广泛应用于分散式农村污水处理中。近年来，物联网技术已广泛应用于水资源、土壤、病虫害等领域监测中，取得良好的经济效益［56］。同时，将PLC控制与物联网相结合的技术手段在农业［7］、机器人控制［8］等领域中多有应用。因此，围绕MBR一体化污水处理设备，本文介绍了一套实现设备工艺，农村生活污水达标排放的自动化控制系统。从控制系统的硬件设计、程序开发、远程监控配置等方面进行阐述控制系统设计方案。控制系统以可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为控制核心［4］，综合利用水泵、风机、阀门以及各类传感器实现污水处理系统的自动化运行。结合物联网技术，将MBR污水处理控制系统接入远程监控系统，实现设备運行状态的云端监控，提高设备运行稳定性、研发和运维人员工作效率，降低人力成本。

1 MBR污水处理设施介绍

MBR农村污水处理设施由设备间和污水处理设备组成。设备间内设控制柜、曝气风机、自吸泵、反洗泵、加药桶等。污水处理设备包含调节池、污泥池、缺氧池、好氧池、膜池以及清水池。

设备运行时，调节池内经过预处理的生活污水通过管道进入缺氧池进行反硝化反应，控制系统控制计量泵外加碳源并运行搅拌器，使缺氧池药液混合均匀。缺氧池处理后的污水通过潜污泵泵入好氧池，同时计量泵外加PAC药剂进行硝化反应。好氧池内污水自流入MBR膜池，控制系统检测膜池液位、膜压，当达到启泵液位时，调整出水阀门开度，并在膜压限值以下启动自吸泵进行抽吸，使得含泥污水透过膜组件进行过滤出水，同时膜池内通曝气系统，对膜组件进行擦洗，使得微小颗粒难以在膜丝上吸附凝聚。MBR污水处理系统长期运行后，膜通量会缓慢下降，需定期进行化学清洗，通过反洗自吸泵泵入清洗药剂，去除膜组件内吸附的污染物质，恢复膜通量。MBR膜池设有排泥管路，定期开启电磁阀，通过气提的方式将沉降的污泥排至污泥槽。

2 控制系统设计

为使MBR污水处理设备按设定的工艺稳定运行，设备控制系统采用PLC为控制核心，同时为满足现场设备运行状态的可视化、控制器参数的可编辑，控制系统采用人机交互界面HMI连接PLC。

2.1 硬件设计

为提高控制系统防护等级，防止电气元件因温湿度因素发生腐蚀生锈等故障，控制系统电控柜设有轴流风机和智能温湿度控制器。轴流风机通过不断更换柜内空气，降低柜内温度；当湿度过高时，通过加热器降低柜内湿度，使得控制系统在最佳温湿度下工作，保证设备的运行性能。

图2中，电控柜总体采用从上至下、从左到右依次排列的布局。断路器、控制器、物联网关、控制回路从上至下依次排开，电气元件均为轨道安装，元器件间连接线缆通过线槽进行防护并设有标识，利于检修和维护；控制器与各仪器仪表之间的通信线均采用屏蔽线，以避免信号干扰；控制柜所有进出线均采用端子连接，便于连接和检查。

控制柜门板上设有电表、触摸屏、急停按钮，系统手/自动切换旋钮、设备启/停切换旋钮、设备状态指示灯、故障指示灯等。紧急情况下，按下急停按钮切断设备电源，保护生命财产安全；系统手/自动切换旋钮用于切换整个污水处理设施的运行模式，手动模式下，通过设备启/停切换旋钮实现泵、风机等设备的启停，即可避免因触摸屏或控制器损坏导致设备无法临时启停；系统自动模式下，可通过触摸屏观察设备运行状态、设置运行参数，设备自动运行；设备状态指示灯用于显示设备运行状态，设备运行则点亮，停止则熄灭；故障指示灯用于设备故障报警，当控制器检测到设备跳闸、电流异常、膜压超限、液位异常等故障，则信号点亮故障指示灯；电表用于监控设备实时电耗状态，检测电压、电流以及能耗。

2.2 程序设计

控制系统采用西门子S7200 SMART系列PLC，HMI为昆仑通态触摸屏，分别基于STEP 7MicroWIN SMART和McgsPro组态软件实现控制程序的整体设计，PLC与触摸屏通过以太网在同一网段下进行通信。

为使控制程序后期维护简明易懂，PLC程序采用主程序+子程序的设计思路，将进水系统、曝气系统、加药系统等作为子程序用于主程序调用。

2.2.1 进水系统

常规基于时间的进水系统易受到液位变化、水泵功率变化等因素影响，导致设备的进水量时高时低，影响污水处理设备的处理效率。而本文采用的是基于时间+流量+液位的精准进水。自动模式下，可通过HMI预设日进水总量，PLC根据预设总量和设备日工作时长计算出每小时内单次进水总量。

Q单=Q总T

当进水系统启动时，PLC与电磁流量计通过RS485通信读取并记录MBR污水处理设备当前累计流量值q1，PLC不断读取进水流量累计值qx，并与记录的累计流量计相减，得到当前单次进水总量q，当单次进水流量达到预设值Q单时则停止进水。此外，当调节池液位过低时，停止进水，防止水泵空转损坏。

Q单q=qx-q1

2.2.2 曝气系统

PLC与负压变送器通过模拟量信号（4～20mA）进行通信并实时读取膜压力值，当膜压超出预设的限定值时则停止膜曝气风机和自吸泵出水，节约能耗。PLC与在线溶氧仪、pH仪通过RS485协议通信，实时监测设备的溶氧量和酸碱度，当测定的溶氧值和酸碱度离开设定的正常区间范围时，则输出报警信号。

2.2.3 加药系统

加药系统采用的电磁隔膜式计量泵，通过模拟量信号（4～20mA）与PLC之间实现数据交互，PLC输出模拟量信号控制计量泵的加药流量。加药系统通过时间控制结合液位控制的方式进行，当PLC检测到启泵液位时，按照时间和预设的加药流量启动计量泵，控制加药时间与加药量，当液位过低时，停止计量泵运行，避免计量泵空转损坏。

2.2.4 出水系统

控制系统中出水系统设计有正常出水模式以及排涝模式。膜池内设有电极式液位计，相较于浮子的液位计，电极式液位计可以有效避免曝气产生的气泡对液位监测精度的影响。正常模式下，控制器打开出水阀门，关闭排涝阀门，实时监测膜池液位，达到出水液位时，自吸泵启动出水，开始按设定参数排水；低于停泵液位时，停止自吸泵出水。当控制器通过雨水感应传感器检测到大量雨水，同时前端调节池监测到排涝液位时，启动排涝模式，控制器关闭出水自吸泵和出水阀门后，打开调节池内的排涝泵和排涝阀，将雨水直接排出，避免雨水直入污水处理设施。

2.2.5 触摸屏程序

触摸屏画面如图3所示，触摸屏程序设置不同的窗口画面，具有不同功能，主要有主画面、设备管理、设备配置、设备参数、仪器仪表、系统时间、报警记录、用户权限、数据报表、设备信息等。

主画面为待机画面，显示公司信息、设施工艺图等；设备管理画面用于显示设备运行状态、设备模式切换等；设备配置画面用于配置污水处理设施的处理规模、设备数量等；设备参数画面为各负载的启停时间、膜压限值、阀门开度等参数设置；仪器仪表画面用于实时显示进出水流量、设备用电、溶氧值、pH值等各类仪器仪表监控数据；系统时间用于校准和显示系统实时时间；报警记录画面分为实时故障报警与历史报警报表，便于现场运维人员及时发现问题以及为后续程序优化提供数据；用户权限画面用于切换使用者账户，分为管理员、运维人员以及游客等，不同账户对应不同的设置和查看权限；数据报表画面用于显示各负载每天的运行时长；设备信息画面用于展示控制器程序和触摸屏程序的运行版本、版本更替说明以及设备运维常见问题的基本处理方法。

2.3 远程监控系统

分散式农村生活污水处理设施由于位置分散、运维人力、资金等无法得到保证，无法第一时间发现污水处理设施运行故障并及时到场处理，使得农村污水处理设施在实际运行中的处理效果不理想。

为解决上述设备运行过程中的难题，MBR污水处理设备控制系统采用物联网技术和网络通信技术构建远程监控系统，通过以太网实现控制器、物联网关、触摸屏间的数据交互。根据PLC型号完成物联网关通信配置，利用PLC采集现场设备状态量，基于控制器數据点表，物联网关将采集的数据通过无线网络上传至云端服务器，实现设备运行状态及参数的远程查看，同时能够显示设备位置信息，为运维人员提供定位导航服务。

远程监控系统配置丰富的报警逻辑，包括液位异常、设备跳闸、电流异常、膜压超限、流量异常、溶氧量异常、温湿度异常等，实时远程监控污水处理设备的异常状态，并自动形成运维工单通过语音或微信派发运维人员及时现场检修。丰富的报警机制能够降低运维人员现场日常巡检次数，提高设备运行稳定性。

不同于触摸屏的数据报表，远程监控系统因其具有较大的数据存储量和较强的处理性能，其具备丰富的报表功能，能够长期监测设备进水流量、温湿度变化以及不同腔室的溶氧量等数据，并形成可导出的数据曲线供研发人员进一步开展工艺研究，优化设备开发。

远程监控系统能直接远程设定和修改设备参数，控制如风机、水泵的启停。通过透传功能与现场物联网关远程连接，实现控制器程序的远程更新，减少研发人员现场维护频次，节约时间和人力成本。

结语

本文以膜生物反应器（MBR）农村生活污水处理设施为例，介绍了一种基于控制器+触摸屏+物联网的自动化的无人值守控制系统，该系统能够基于PLC采集的流量、液位等传感器信号，将设备的控制方式参数化，因地制宜地设置设备运行参数，提高设备控制的灵活性和污水处理设备的出水达标率。结合物联网技术，实现农村污水处理设备运行数据的云端监控，加强设备监管，设备故障及时处理，提高设备运行稳定性，同时为后续研发提供数据基础。

参考文献：

［1］思雨.着力安排部署五个重点任务 坚决打赢农业农村污染治理攻坚战——生态环境部有关负责人就《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025年）》答记者问［J］.中国食品，2022（4）：3843.

［2］贾小宁，何小娟，韩凯旋，等.农村生活污水处理技术研究进展［J］.水处理技术，2018，44（9）：5.

［3］李凤亭，王亮，刘华，等.膜生物反应器在水处理中的应用与新发展［J］.工业水处理，2005，25（1）：1013.

［4］廖常初.PLC编程及应用［M］.机械工业出版社，2014.

［5］郭露，陈伟雄，沈玉东，等.基于物联网的生态型农村污水处理设施研究及应用［J］.中国给水排水，2020，36（10）：6.

［6］冯立波，左国超，杨存基，等.基于物联网的农村污水监测系统设计研究［J］.环境工程学报，2015（2）：7.

［7］韩贵黎，蔡宗慧.基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计［J］.农机化研究，2017，39（12）：5.

［8］滕筱茜.基于PLC及物联网技术的远程机械手控制系统［J］.数字技术与应用，2019，37（2）：2.

作者简介：严晨（1995— ），男，汉族，江苏泰兴人，硕士研究生，助理电气工程师，研究方向：环保设备。