第４卷第５期 ２０１３年５月 黑龙江科学 ＨＥＩＬＯＮ（ ＩＡＮＧ ＳＣ¨ｅＮＣＥ Ｖ（’１ ４ Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０１３ 城市污水处理厂自动控制系统的设计与实现 张建平，纪彬，刘庆滨 １５００９０） （黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨摘要：基于Ｓｉｅｍｅｎｓ ｓ７—３００系列ＰＬＣ和组态王软件，开发了一套分布式污水处理自动控制系统。根据污水处理工艺 流程设计了系统结构，介绍了系统各组成部分的软、硬件构成及特点。该系统自动化程度高，稳定可靠，具有较高的推广 应用价值。 关键词：污水处理；自动控制系统；ＰＬＣ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７４—８６４６（２０１３）０５—００７３—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｅｗａｇｅ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ—ｐｉｎｇ，ＪＩ Ｂｉｎ，ＬＩＵ Ｑｉｎｇ—ｂｉｎ （Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｅｍｅｎｓ ｓ７—３００ ＰＬＣ ａｎｄ Ｋｉｎｇ Ｖｉｅｗ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｆｅａ— ｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｒｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ｈｉｇｈｅｒ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｂｅｔｔｅｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ａｐ— ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ＰＬＣ 随着城市发展以及人民生活水平的不断提高，城市污 水排放量也在逐年增加。这给城市环境造成了严重污染。 过程…。 为了美化和治理城市环境，各地都在积极建设污水处理 厂。为了保证污水处理厂中的处理系统的运行安全可靠， １ 污水处理工艺简介 氧化沟是传统活性污泥法的变革形式之一，广泛应用 于城市污水的二级处理，处理能力为５００～１ ０００万人口当 或者运行出现故障、处理出水水质恶化时，能采取有效的 措施，有许多重要参数需要操作人员准确、及时地了解掌 握，并根据这些参数对工艺及设备运行进行控制、调整。 污水处理厂传统的运行控制方式在水质发生突变时，实验 人员很难做到及时采样分析，往往在水质分析结果出来之 前水质又发生了新的变化，运行的变化很难跟上水质的变 量。它将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体，间 歇运行，ＢＯＤ５去除率高达９７％。其主要特点是有机负荷 小，泥龄长，运行简单，出水水质稳定而且有机物去除率 高。氧化沟型式主要有奥贝尔氧化沟、卡鲁塞尔氧化沟、 三沟式氧化沟等 。 整个污水处理过程可分为预处理、污水处理和污泥处 理三个阶段。预处理阶段属于一级处理，城市污水经粗格 化，其结果只能使出水水质难以达标。由于在线监测得到 的数据几乎是水质变化及处理＿ｒ＝艺流程参数变化的同步 结果，因此，必须安装污水处理自动化控制系统，实现对污 水处理厂的自动控制，使操作人员能根据来水水质变化情 况及时调整运行参数，这样不仅能保证出水水质，而且可 节省能耗与运行费用，有利于达到国家节能减排的要求。 由于在线监测得到的数据几乎是水质变化及处理工艺流 程参数变化的同步结果，因而它是提供这些参数信息的有 栅去除较大的颗粒物和悬浮物后，南污水泵提升至细格栅 去除较小的颗粒物，再流人旋流沉砂池去除小的颗粒物和 细砂。污水处理阶段为二级生物处理Ｔ艺，主要是使出水 水质达到排放标准。经初步处理的污水从沉砂池进入矩 形配水井，经配水井后分别进入一角配水升，通过＝ 角配 水井配水至．ｔ沟式氧化沟的任一沟。在氧化沟内经曝气 转刷曝气、沉淀后，流入消毒池进行紫外线消毒后达标排 放。二沉池污泥部分回流至氧化沟，剩余的污 经 滤机 压缩为泥饼后外运处理。污泥处理Ｔ艺包括污＇７尼调节池 效手段。研究以哈尔滨市某污水厂的自动控制项目为例， 详细介绍了基于Ｓｉｅｍｅｎｓ ｓ７—３００系列ＰＬＣ和组态王软 件，开发了一套分布式污水处理自动控制系统的实现 收稿日期：２０１３—０１—２９ 作者简介：张建平（１９７９一），男，黑龙江大庆人，学士，助理研究员，主要从事工业自动化控制系统研究 ７３ 和污泥脱水间。污泥通过氧化沟底的排泥管排人污泥调 节池，由于污泥中有机物含量较小，性质稳定，只需脱水处 理即可，不需进行污泥消化。该城市污水处理厂的工艺图 如图１所示。 污水 图１污水处理工艺图 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ２ 污水处理控制系统设计与实现 ２．１污水处理控制系统结构 根据污水处理工艺过程要求，为了实现自动控制并保 证可靠性，系统采用分层控制结构。整个控制系统分为三 层结构和二级网络。三层结构包括：设备层、数据采集层 和监控层（中心控制室）。其中，设备层由设置在各污水处 理单元内的ＣＯＤ监测仪、氨氮监测仪、ＰＨ计、电流传感器 等等设备组成；数据采集层由设置在现场的ＰＬＣ数据采集 单元（下位机）组成；监控层由设置在中心控制室内的操作 站计算机（上位机）及组态软件组成。现场各种数据通过 现场数据采集模块采集，并通过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ ＤＰ现场通讯总线 传送到中央控制室操作站进行集中监视和管理。二级网 络包括：ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场通讯总线和以太网。其中， ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ现场通讯总线负责设备层和数据采集层之 间的通讯和数据传输；以太网负责数据采集层和监控层之 间的通讯和数据传输。整个系统的总体结构图如图２ 所示。 图２系统总体结构图 Ｆｉｇ．２ Ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ２．２ ＰＬＣ硬件选型 ＰＬＣ在现代工业控制领域中早已得到了广泛的应用。 以ＰＬＣ的控制功能而言，ＰＬＣ具有严谨、方便、易编程、易 ７４ 责任编辑：姜洋１ ３２０４９３８７２＠ｑｑ．ＣＯｒｒｌ 安装、可靠性高等优点。它通用性强、适应面广，特别在数 字量输入输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。ＰＬＣ具 有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的 硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平 台。另外，ＰＬＣ既有自身的网络体系又有开放Ｉ／０及通讯 接口，很容易组建网络并实现远程访问。污水处理主要是 顺序逻辑控制，这正是ＰＬＣ控制的优势所在。在众多的 ＰＬＣ生产厂家中，西门子公司的ｓ７—３００系列产品以其较 高的性价比成为众多用户的首选。ｓ７—３００是模块化的小 型ＰＬＣ系统，能满足中等性能要求的应用。模块化、无排 风扇结构，各种单独的模块之间可进行广泛的组合以用于 扩展。接口模块（ＩＭ）用于多机架配置时连接主机架（ＣＲ） 和扩展机架（ＥＲ），ｓ７—３００通过分布式的主机架（ＣＲ）和２ 个扩展机架（ＥＲ）可以操作多达２４个模块。中央处理单元 （ＣＰＵ）集成有ＰＲ０ＦＩＢｕｓ—ＤＰ和ＭＰＩ通讯接口，多点接口 （ＭＰＩ）用于同时连接编程器、ＰＣ机和人机界面等。信号模 块（ＳＭ）用于数字量和模拟量的输入输出。在设计当中，根 据设备的情况和厂方用户的要求，主控制器ＰＬＣ的ＣＰＵ模 块采用３１５—２ＤＰ，数字量输入（ＤＩ）采用ＳＭ３２１模块，数字 量输出（ＤＯ）采用ＳＭ３２２模块，模拟量输入（ＡＩ）采用 ＳＭ３３１模块，模拟量输出（ＡＯ）采用ＳＭ３３２模块。在现场 实际中数字量输入输出（ＤＩｆＤＯ），模拟量输入输出（ＡＬ／ ＡＯ）都有部分冗余，以备系统临时扩充需要。由ＥＴ２００Ｍ 模块组成的远程从站可就近放置在现场，利用ＳＩＥＭＥＮＳ公 司工业现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ完成主从通讯。通过设 置从站的方法可把地理位置相对分散的设备的控制信号， 用一根现场总线送到ＰＬＣ主站，这样不但可减少大量的电 缆铺设费用，降低工程造价，同时系统的可靠性也有了很 大的提高。在本系统中，ＰＬＣ主站共下设２个ＥＴ２００Ｍ远 程从站。从站１放置在粗格栅污水提升泵房，实现对提升 泵的数据状态采集和控制。从站２放置在污泥浓缩脱水机 房，实现对污泥泵的数据状态采集和控制。上位机监控系 统使用一台工程师站和一台操作员站。两台工业计算机 分别采用ＳＩＥＭＥＮＳ公司ＣＰ５６１ ｌ网卡通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ｓ７ 数据通讯网络完成计算机与ＰＬＣ主站之间的数据通讯。 操作员站的画面组态软件选用北京亚控公司的组态王软 件完成用户界面的软件开发。 ２．３系统软件设计 ２．３．１ ＰＬＣ程序设计 Ｓｔｅｐ７ ｖ５．４是西门子ｓ７—３００系列ＰＬＣ的编程软件， 支持梯形图编程、ＳＴＬ语句表编程、Ｉ／Ｏ模块布局配置、数 据库编辑，并可进行程序的线上更改、监控及调试。具体 ＰＬＣ程序控制流程图如图３所示 。