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污水處理控制系統(tǒng)的研究與仿真

文檔作者：童剛付倩文檔來源：青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月11日
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上一篇：污水生物脫氮除磷新技術(shù)探討

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數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
2
1 引言
隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和城市人口的急劇增加,大量工業(yè)和生活
污水未經(jīng)處理流入江河湖海,使環(huán)境和飲用水被嚴(yán)重污染。因此,建
立高度自動(dòng)化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保
污水處理工藝和設(shè)備能長(zhǎng)期安全可靠地運(yùn)行, 采用西門子S 7 -
300PLC1可編程控制器和智能檢測(cè)儀表組成下位機(jī),上位機(jī)采用工
業(yè)計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。該系統(tǒng)集過程控制和科學(xué)管理
于一體,具有可靠性高、控制性能優(yōu)越、管理功能完善等優(yōu)點(diǎn),對(duì)指
導(dǎo)工藝及設(shè)備的正常運(yùn)行,提高自動(dòng)化控制和管理水平發(fā)揮了重要
作用。
主要工作是通過PLC的編程完成整個(gè)污水處理過程的自動(dòng)高
效運(yùn)行,通過PLC與上位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)的布線使其能根據(jù)污水處理每
個(gè)階段的控制理量的變化自動(dòng)完成相應(yīng)的處理動(dòng)作,從而保持污水
處理的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到用戶設(shè)定的要求。
2 污水處理工藝流程
污水處理廠從主污水管道而來的污水進(jìn)入格間,由粗格柵和細(xì)
格柵將污水中體積較大的污物除去。進(jìn)而流入進(jìn)水泵房,該處應(yīng)為
全廠區(qū)標(biāo)高的最低處,進(jìn)水泵房底部放置大功率潛水泵,主要用于
將污水提升到高處的旋流塵沙池,以使污水只靠重力作用流經(jīng)其余
的處理階段。旋流塵沙池將污水中的砂子分離出來,經(jīng)過旋流砂池
的污水靠重力進(jìn)入生物池,生物池為厭氧/好氧生物反應(yīng)池,經(jīng)過
生物的作用,將有機(jī)物質(zhì)分解。然后污水通過污泥泵池進(jìn)入二級(jí)沉
淀池,經(jīng)過刮泥橋的運(yùn)動(dòng),池上面的浮渣進(jìn)入浮渣井中,池下部的污
泥由真空泵吸出并送到污泥均質(zhì)池。經(jīng)過二次沉淀處理后的污水通
過管道自流到消毒渠道,經(jīng)紫外線消毒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過處理的污水
經(jīng)管道自流到附近的河流。污水處理的工藝圖如（圖1）。
3 控制系統(tǒng)總體方案
各個(gè)控制池之間采用分布式I/O ET200進(jìn)行通信連接,并由
污水處理控制系統(tǒng)的研究與仿真
童剛 付倩
(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院 山東青島 266041)
摘要:污水處理項(xiàng)目的自控工藝相對(duì)于其他項(xiàng)目的工藝來說相對(duì)簡(jiǎn)單,但它也有自身的特點(diǎn),如設(shè)備更分散,功能則相對(duì)獨(dú)立等。針對(duì)這種情況,
開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7-300型PLC,并通過工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線聯(lián)網(wǎng)的污水處理自控系統(tǒng)。首先大致介紹了污水處理的工藝流程;
其次介紹了基于PLC的硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本原則和步驟;最后利用STEP7仿真軟件進(jìn)行編程仿真,得到了較好的結(jié)果。
關(guān)鍵詞:污水處理 S7-300PLC 軟件仿真
中圖分類號(hào):TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2013)11-0002-03
作者簡(jiǎn)介:童剛:男, 1962. 8,教授,碩士生導(dǎo)師,青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,研究方向:工業(yè)自動(dòng)化、信息管理、智能交通。
付倩:女,1986.10,碩士,青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院,控制工程專業(yè),研究方向:檢測(cè)技術(shù)與智能裝置。
皮帶機(jī)
污泥脫水間 超聲波液位計(jì) 溶解氧分析儀
P H計(jì)
電磁流量計(jì)
CO D分析儀
消毒渠道二沉池配水井生物池
超聲波流量計(jì)
旋流沉砂池
自動(dòng)取樣機(jī)
細(xì)格柵
皮帶機(jī)
提升泵房
雷達(dá)液位計(jì)
溫度計(jì)PH計(jì)
粗格柵
清水排入河流污泥外運(yùn)
進(jìn)水
圖1 污水處理工藝流程圖
電
源
模
塊
CPU
模
塊
I / O
擴(kuò)
展
1
I/ O
擴(kuò)
展
2
I/O
擴(kuò)
展
3
I / O
擴(kuò)
展
4
PR OF I BUS總線
PLC S 7 -30 0
工業(yè)計(jì)算機(jī)
R S2 3 2總線
ET 2 0 0
應(yīng)
急
池
ET 200 ET 200
3#
氯
化
池
2#
氯
化
池
1#
氯
化
池
水
解
酸
化
池
中
心
泵
房
1#
T C
B S
池
2#
T C
B S
池
3#
TC
B S
池
回
水
池
外
排
水
系
統(tǒng)
次
氯
酸
鈉
反
應(yīng)
池
次
氯
酸
鈉
沉
淀
池
ET 2 0 0 E T 2 0 0
分布式
I/O
分布式
I/O
本地開關(guān)量
分布式
I /O
分布式
I/O
分布式
I/O
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3 硬件組態(tài)窗口
數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
3
PROFIBUS總線連接至單片機(jī)的CPU模塊。CP342-5是S7-300系
列的PROFIBUS通信模塊,可以作為DP主站或從站,但是不能同時(shí)
作為主站或從站,且只能在S7-300的中央機(jī)架上使用。CP342-5與
CPU上集成的DP接口不一樣,其對(duì)應(yīng)的通信接口區(qū)不是I區(qū)和Q區(qū),
而是虛擬的通信區(qū),需要調(diào)用CP通信功能FC1和FC2。系統(tǒng)各部分
之間的連線以及通信線路連接如（圖2）所示。
4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用西門子的S7-300PLC進(jìn)行污水處理的控制。通過
對(duì)設(shè)計(jì)要求分析得到需要的數(shù)字量輸入為65;數(shù)字量輸出為65;模
擬量輸入為38;模擬量輸出為24。基于此選擇CPU型號(hào)為CPU314。
CPU314使用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中
等規(guī)模的程序,其每1KB二進(jìn)制語句執(zhí)行的時(shí)間為0.3ms。CPU314
內(nèi)置24KB的RAM,其裝載存儲(chǔ)器為內(nèi)置40KB的RAM,可用擴(kuò)展
卡擴(kuò)展裝載存儲(chǔ)器,最大容量可為512KB。最大可擴(kuò)展512點(diǎn)數(shù)字
量I/O或64路模擬量通道。
CPU314的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的用戶程序掃描過程。CPU響
應(yīng)事件,操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該事件的組織塊OB。CPU314可以調(diào)用
128個(gè)功能塊FB,128個(gè)功能調(diào)用塊FC,127個(gè)數(shù)據(jù)塊DB,OB、FB、
FC、DB的容量均不大于8KB。此外,有34個(gè)系統(tǒng)功能塊SFC集成在
操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用,有9個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB裝載S7-300的系統(tǒng)
參數(shù),這些參數(shù)可用STEP7組態(tài)軟件輸入。
4.1 I/O模塊的選擇
由于CPU314型PLC主機(jī)不存在數(shù)字量的輸出模塊,因此需要
擴(kuò)展數(shù)字量的輸出模塊。由于數(shù)字量輸出的點(diǎn)數(shù)為65,因此選用3個(gè)
圖4
圖5 仿真界面
圖6
數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
4
數(shù)字量輸出模塊SM322。SM322將S7-300內(nèi)部的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過
程所需要的外部信號(hào)電平,同時(shí)有隔離和功率放大的作用?？梢灾?
接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電機(jī)、燈和電機(jī)啟動(dòng)器等,輸出的電流
的典型值為0.5～2A,負(fù)載由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。其主要的技術(shù)特征為:
額定電壓24 V DC;輸出點(diǎn)數(shù)32點(diǎn)晶體管;與總線采用光耦合隔離;
最小輸出電流5mA;功率9W。
4.2 硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)置
在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期,首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信
號(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù),以及對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求,確定系統(tǒng)的硬件配
置。對(duì)于S7-300來說,如果SM、FM和CP的塊數(shù)超過8塊,除了中央
機(jī)架外還需要配置擴(kuò)展機(jī)架和接口模塊。本設(shè)計(jì)利用SIMATIC管
理器STEP7進(jìn)行硬件的配置工作（圖3)。
5 程序設(shè)計(jì)及仿真
以污水處理的應(yīng)急池為例說明設(shè)計(jì)過程:
(1)顯示要求:①COD:顯示范圍2000～8000mg/L,監(jiān)測(cè)頻率2
小時(shí)/次;由于傳感器采集的COD數(shù)值為模擬量,需要模擬量輸入
模塊SM331;顯示的數(shù)值同樣為模擬量因此需要用到模擬量輸出模
塊SM3 32。監(jiān)測(cè)頻率為兩小時(shí),需要用到保持型延時(shí)接通定時(shí)器
SS_ODTS。COD的數(shù)值顯示范圍在2000～8000范圍內(nèi),8000的對(duì)應(yīng)
的二進(jìn)制數(shù)值為“1111101000000”共13位,因此選用的模擬量輸入
模塊的類型為AI8×14Bit,表示8通道的14位二進(jìn)制輸入;同樣輸出
模塊選擇類型為AO4×16Bit。②氨氮:顯示范圍0～200mg/L,監(jiān)測(cè)
頻率2小時(shí)/次;同樣需要模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊
SM332,以及保持型延時(shí)接通定時(shí)器SS_ODTS。③PH值:顯示范圍
圖7
0～14,需要模擬量輸入/輸出。
(2)控制要求:根據(jù)PH計(jì)顯示數(shù)據(jù),控制加堿量,調(diào)節(jié)應(yīng)急池出
水PH在6～9。需要用到比較器,當(dāng)PH值小于6時(shí)接通控制電機(jī)往應(yīng)
急池中加減;當(dāng)PH值大于9時(shí)控制電機(jī)往應(yīng)急池中加水。
5.1 程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)說明:COD的輸入數(shù)據(jù)存放在PID256中,輸出數(shù)據(jù)存放在
PQD260中;氨氮的輸入數(shù)據(jù)存放在PIW264中,輸出數(shù)據(jù)存放在
PQW266中;PH值輸入值存放在PIB268中,輸出值存放在PQB269
中。
(1)程序結(jié)構(gòu)
OB1為主程序,負(fù)責(zé)調(diào)用控制程序FB1,FB2。DB1、DB2、DB3為
FB1型數(shù)據(jù)塊,DB1為COD顯示控制的數(shù)據(jù)塊,DB2為氨氮顯示的
控制數(shù)據(jù)塊,DB3為PH值顯示的數(shù)據(jù)塊。FB2為PH控制的功能塊
（圖4）。
(2)OB1程序設(shè)計(jì)（圖4）
5.2 控制系統(tǒng)仿真
仿真界面如(圖5)所示。選擇RUN-P模式,為可編程運(yùn)行方式,
CPU掃描用戶程序,既可以用編程裝置從CPU中讀出,也可以由編
程裝置裝入CPU中。用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。
在仿真界面插入IB0、QB0、IB268。其中IB0表示可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)
I0.0-I0.1的值;QB0表示Q0.0-Q0.3對(duì)應(yīng)的輸出值;IB268用以設(shè)
置PH值,以二進(jìn)制形表示。如(圖5)所示,假設(shè)PH值為13(對(duì)號(hào)表示
導(dǎo)通),則Q0.0與Q0.2接通。
當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到2小時(shí)時(shí)刻,COD和氨氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?
輸出設(shè)備(綠線表示導(dǎo)通,下同)(圖6）。
當(dāng)MW200的值即PIB268中的值也就是檢測(cè)的PH值設(shè)置為4
時(shí),由于小于6則Q0.3控制的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向應(yīng)急池中加堿（圖7）。
當(dāng)MW200的值即PIB268中的值也就是檢測(cè)的PH值設(shè)置為13
時(shí),由于大于9則Q0.2控制的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向應(yīng)急池中加水。以保證PH
值控制在合理的范圍內(nèi)（圖8）。
6 結(jié)語
本文在研究污水處理的基本工藝流程的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了以PLC
為主控制器的污水處理控制系統(tǒng)。針對(duì)某種控制要求編寫了相應(yīng)的
程序段,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并仿真,結(jié)果表明PLC的控制過
程的優(yōu)越性。PLC控制系統(tǒng)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng);功能完善,適
用性強(qiáng);維護(hù)方便,易于維護(hù)等一系列特點(diǎn)使其在更多場(chǎng)合得以應(yīng)
用。
參考文獻(xiàn)
[1]劉栓,王太通.PLC 控制系統(tǒng)在污水處理過程中的應(yīng)用[J].礦山機(jī)
械,2003.6.
[2]周金全.城市污水處理工藝.第一版[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2003.
[3]廖常初《. S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)》[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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