基于PLC的自动化控制系统在污水处理中的应用

引言

随着经济社会的不断发展,我国境内一半以上的河流都受到了较为严重的污染,而城市化则加快了这一进程。目前,城市水域的污染已经超过90%,且水污染的趋势仍在不断加快,原来只是地表水污染,现在污染也加速往地下渗透[1]。传统的污水处理厂以继电器控制为主,但继电器控制系统存在体积大、能耗高、费用高、可移植性差等缺点,一旦改变系统设计,就必须对控制器进行重新设计,大大增加了人力、物力的消耗。而可编程控制器(PLC)能很好地实现系统的安全性、稳定性、经济性以及灵活性[2-3],因而现在被广泛应用于自动化控制系统中。

1系统总体设计目标

1.1主要组成

整个自动化控制系统包括可编程控制器、计算机、监控端及现场的各类仪器仪表,其中可编程控制器是整个控制系统的核心,它与计算机设定的控制程序确定了系统运行的相关程序、工艺标准等,同时可以根据实际需求,自动或手动控制相关设备运行。现场的相关设备在运行过程中,将数据实时反馈到可编程控制器、相关计算机设备中进行显示及控制。

1.2工作原理

根据城市污水处理的需求,将整个控制系统分为现场控制系统及监控室控制系统两部分,二者均能实现对现场设备的控制,包括开启格栅机,实现对污水中垃圾的拦截;调节池污水水位监测,即系统根据水位情况,给出一个或两个控制信号,控制一个或两个水泵的运行,从而降低调节池中水位高度,确保水位运行在安全线内。污泥池污泥提升泵、事故池提升泵等也是通过采集相关浮球信息,根据浮球信号实现自动控制,也可以根据用户给出的指令来控制设备的运行。其他设备如吸附风机、鼓风机、混合液回流泵等可以根据用户发出的指令控制其运行开始/结束时间、运行时长等。

另外,系统需要采集现场余氯、水位、流量等传感器信息,在各操作界面上实时显示传感器收集到的信息,同时显示污水处理现场各设备运行参数信息,当设备出现故障报警时,能实现远程报警并在各程序上记录报警信息,包括设备信息、故障或警报时间等,从而保障设备的正常运转。

2硬件设备

本系统的核心器件选用西门子S7-200 SMART PLC,它具有以太网口,用户可直接通过网线让计算机与PLC连接,方便用户下载调试程序,同时,通过网线它还能够快速和其他HMI、计算机等进行通信,且它集成了部分库文件,在编程过程中可以直接调用。在电控柜表面嵌入触摸屏显示相关参数信息并控制设备,用户只需点击屏幕上的文字或图标就能进行操作,这是一种非常方便的人机交互模式。它支持以太网通信,也支持RS232/422/485通信,可以实现HMI与HMI、HMI与PLC之间的通信,用户可以根据需求选择通信方式。另外,因需带动大型电机设备,所以要配备变频器,变频器可根据实际工作设备、工作环境进行设置,能够降低电机功耗,还能对电机进行调速,可以设置电机的软启动及软停止,也就是在启动与停止时,频率、电流、电压平稳变化,电机不至于直接承受大电流的直接冲击,这将大大降低电机等设备的维修维护成本。主要材料清单如表1所示,系统整体构架如图1所示。

3程序设计

软件系统是整个PLC系统设计的核心,它与触摸屏软件、计算机组态系统联动,共同监控各种设备的运行。根据实际需求,整个系统中,需要控制的设备包括机械格栅、污水提升泵、潜水搅拌机、鼓风机、混合液回流泵、污泥提升泵、叠螺脱水机、二氧化氯发生器、污水消毒系统、事故提升泵、变频器等,并需实现余氯在线检测、水位检测以及流量检测。

3.1各设备的工作模式

在格栅井中配备机械格栅,对污水中的杂物进行过滤,防止垃圾堵塞水泵,用户可以通过触摸屏、计算机组态端设定机械格栅的自动启动和关闭时间。

调节池内设两个污水提升泵,通过内部两个浮球的得失电来控制污水提升泵的工作,为了保护设备,每次低浮球得电,两个污水提升泵轮换工作。若高浮球浮起接通得电,则意味着调节池水位很高,此时需要同时启动两个污水提升泵以便尽快排出污水。如果两个污水提升泵同时工作超过设定时间后,高浮球仍然是得电状态,则表明进水量过大或设备出现故障,此时系统进行报警提示,提醒用户到现场排除故障,若无问题则取消报警。

厌氧池中有两台潜水搅拌机,它们与污泥池中污泥提升泵联动工作,当污泥提升泵运行时,对应的潜水搅拌机也工作,直至系统设定时间结束后自动关闭。

接触氧化池包含鼓风机和混合液回流泵。池中配鼓风机两台,该设备需长期运行,运行时,一台鼓风机工作一定时长后就切换到另一台继续工作,做到一备一用,防止设备因持续工作导致故障。混合液回流泵则是根据污水提升泵的工作情况自动运行,当污水提升泵运行时,混合液回流泵自动运行,设定时间结束后自动关闭。

沉淀池中,因污泥提升泵功率过高,采用PLC控制变频器启停,再由变频器外接污泥提升泵,用户在触摸屏或计算机组态程序中可以设定运行时间,也可以直接通过设置变频器工作状态控制其运行,将污泥从沉淀池抽至污泥池。

污泥池中,配备两台用于排放污泥的提升泵,每次污泥池浮球得电时,两台提升泵切换工作,若一台污泥提升泵运行10 min后浮球仍然得电,则将另一台污泥提升泵一起打开,若两台污泥提升泵同时工作一定时间后仍然得电,则表明进污泥量过大或者设备出现故障,系统发出报警提示,提醒用户到现场排除故障,若无问题则取消报警。污泥提升泵浮球得电时,叠螺脱水机也同步运行。

接触消毒池中,主要有臭气引风机、二氧化氯发生器、活性炭吸附塔以及相关加药泵等设备。当污泥提升泵工作时,打开污水消毒系统,关闭时,延时关闭污水消毒系统。二氧化氯发生器在污水提升泵工作一定时间后启动,当污水提升泵关闭时,二氧化氯发生器也同步关闭。

事故池提升泵则在池中浮球得电且调节池中低浮球不得电时打开,当高浮球得电或事故池浮球掉电时,关闭事故池提升泵。

吸附风机也通过系统设置运行时间,将内部异味气体吸附进管道,经活性炭吸附塔后排出。系统还要对余氯浓度、水位高度以及水流量进行监测。

3.2 PLC软件编程

PLC模块由CPU主机为SR20的PLC、一个16路输出的数字量输出模块EM QT16、一个4路输入的模拟量输入模块EM AE04组成。在创建工程后,需要对PLC信息进行配置,在最左侧的工具列表里选中系统块开始配置系统信息,包括CPU的选择、数字量输出、模拟量输入输出模块等,最后对以太网端口进行配对。系统如图2所示。

因为本系统较大,若采用单一程序设计难度较大,所以采用模块化编程方式,将整个系统根据功能不同分割成不同的模块,每个模块做成子程序。每个子程序均可由主程序控制,这样操作利于整个程序的控制、修改以及维护。

主程序直接控制各功能模块,急停按钮通过I0.0接入,各设备正常工作,当拍下急停按钮时,系统掉电,所有程序块停止工作,进而达到设备急停的目的。

需要设计的程序块包括“时钟子程序”“定时启动子程序”“数值转换子程序”“自动子程序”以及“变频器子程序”。

“时钟子程序”用于系统时间的读取。在整个系统中,部分污水处理设备需要在某个固定的时间启动或停止,这时就要对PLC的时钟进行设置,让其与计算机进行通信,从而读取计算机中的时间。

“定时启动子程序”用于设备的定时启动和关闭,当设置的时间到达时,系统自动开启设备,运行一段时间后根据系统设定时间自动关闭设备,机械格栅、沉淀池中污泥提升泵、吸附风机、鼓风机等设备都是通过定时启动子模块进行设置的。

“数值转换子程序”用于进行数值转换,因为触摸屏、计算机组态王等组态设备输入时间只能显示到分钟,而PLC中的定时器无法直接计算分钟,故而需要对其进行数值转换,将组态设备输入的时间数值进行放大后变成PLC可识别的数据。

“自动子程序”则是根据系统中的各外部信号进行自动控制,包括污水泵、潜水搅拌机、污泥提升泵、叠螺脱水机等设备都是根据浮球以及其他设备的运行情况进行自动控制。

“变频器子程序”则是用于PLC与变频器之间的通信程序,它们之间采用Modbus RTU通信协议。初始设置时,需要给其定义3个位地址作为变频器的启动、停止、频率设置选项,再进行程序的编写。

3.3触摸屏组态设计

触摸屏采用集成化的显控触摸屏,它自带组态开发软件,方便用户直接进行设计,设计完后可以通过网络或USB接口直接将项目下载到触摸屏内部。根据实际运行需求,需要对触摸屏进行页面设置,分别设计进入页面、主页面、参数页面、警报页面以及高高压电源的效率。

变频控制页面。设计完所有页面,保存后可以进行离线模拟,测试部分设备、画面按钮的功能。

3.4组态王软件设计

计算机端组态王软件设计即上位机程序的设计,通过该设计,用户不用出现在污水处理现场,在监控室就可以通过计算机监控系统运行状态。特别需要注意的是,在新建工程后需要对地址进行设置,该地址必须和PLC中的地址一致。在完成端口设置及数据词典设置后,即可进行页面设置,设置页面与触摸屏中的一致,包括进入页面、主页面、参数页面、警报页面以及变频控制页面。

4调试及总结

硬件系统和软件系统搭建好后,需要先对每个子系统进行测试,整个系统需整合后进行联调,从而验证其能否高效、平稳、安全地运行。分别测试各设备通过触摸屏和组态王软件设置时间后的定时启动、停止功能,均能正常启停,污水泵、污泥提升泵等设备也都能根据浮球情况正常运行,变频器运行正

常,设备也能根据实际情况实现报警功能,各模块软硬件均符合预期设计要求,达到了控制效果。

自动化系统的设计运行为污水处理厂的运营带来了极大的方便,用户不需要一天24 h都在设备房中,在监控室等场所就能掌握污水处理站运行状况,既提高了监控效率,同时也大大降低了生产成本。