污水处理系统电气控制系统设计

1、摘 要本文主要介绍了 PLC 在城市污水处理中的具体应用实例，系统设计了城市污水处理工艺流程和基于 SIEMENS 的 S7200 系列 PLC 的污水处理实施方案，以及城市污水处理厂电气控制系统的方法。为了提高污水处理厂的运行管理水平， PLC 也成为了该系统的重要组成单元之一，在该系统中各单元按一定拓扑结构互相连接构成污水处理厂的控制系统。结合污水处理厂自动化控制系统的运行情况，PLC 对污水厂的进出水质等参数进行监控，同时控制水区及泥区的设备工作，当系统出现故障的时候系统能够自行报警。设计包含了污水处理厂的设备组成、自动化控制方式和PLC 各工作站的功能、网络构成在污水处理中的应用，总结

2、自动化控制系统对提高生产效率、减少现场操作人员、提高安全性发挥的良好效果。关键词 污水处理 自动化控制系统 PLC 软件设计AbstractThis paper designs the project of urban sewage disposal with PLC, which is SIEMENS S7200 series and introduces the method of urban wastewater treatment. The paper also designs the method of supervises and control in the urban wast

3、ewater treatment plant. In order to improve the operation management level of the sewage treatment plant, PLC has become one of the important composition units that is this system too, every Entrance form the control system of the sewage treatment plant according to certain topological structure int

4、erconnection among system this. Combine the running situation of the benevolence of one and automatic control system of wastewater treatment plant, system will monitor the water quality of the in and out sewage and also control the water zone and mire zone. When the system has something wrong PLC wi

5、ll give an alarm. Recommend the equipment of the sewage treatment plant to make up, automatic control method and function, network of PLC every work station form application in sewage disposal, summarize the automatic control system to the good result raising production efficiency, reducing the on-t

6、he-spot attendant, improving security full play. KeywordsKeywords Sewage treatment plant Automatic control system PLC Software design目 录绪 论.1第 1 章 污水处理工艺流程.21.1 污水处理工艺的选用原则 .21.2 对工艺流程的阐述 .21.3 主要设备的组成及控制方式 .51.3.1 主要设备.51.3.2 设备控制方式.61.4粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制.61.5 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制 .71.6 脱水机房

7、的控制 .71.7 PLC 控制系统.81.7.1 PLC 控制系统的基本构成及功能.81.7.2 网络结构 .91.7.3 上位机组态功能 .91.8 系统构成及其布局 .10第 2 章 污水处理中的 PLC.112.1 概述 .112.1.1 设计范围 .112.1.2 PLC 设计综述.112.2 PLC 在污水处理中的运用.122.2.1 中央控制室.122.2.2 控制网络系统 .132.2.3 分现场生产过程 PLC 控制系统 .142.2.4 厂级管理 PLC 系统 .162.3 PLC 设备及仪表选型.172.3.1 PLC 选型原则.172.3.2 PLC 设备的选择.182

8、.3.3 SIMATIC S7-200 简介.182.3.4 仪表设备的选择 .182.4 污水厂布局及其主要 PLC 设备分布 .212.5 PLC 具体配置情况.232.6 系统构成及其布局 .242.7 监控系统的软件部分 .24第 3 章 PLC 设计.263.1 PLC 构成的控制系统.263.2 控制软件 .313.3 对污水处理系统控制程序的设计 .313.3.1 污水处理厂的主要流程图.313.3.2 原始工艺程序的设计 .323.4 脱水机系统加药絮凝部分程序设计 .353.4.1 脱水机房工艺及主要工作流程 .353.4.2 加药絮凝部分控制要求及其主电路.383.4.3

9、PLC 控制系统的梯形图及 STL 指令表.393.5 PLC 设计小结.48第 4 章 总结.49参考文献.50致 谢.51污水处理系统电气控制系统设计1绪 论在我国，随着经济飞速发展，人民生活水平的提高，对生态环境的要求日益提高，要求越来越多的污水处理后达标排放。在全国乃至世界范围内，正在兴建及待建的污水厂也日益增多。有学者曾根据日处理污水量将污水处理厂分为大、中、小三种规模：日处理量大于 10 万 m3为大型处理厂，1-10 万 m3为中型污水处理厂，小于 1 万 m3的为小型污水处理厂。近年来，大型污水处理厂建设数量相对减少，而中小型污水厂则越来越多。如何搞好中、小型污水处理厂，特别是

10、小型污水厂，是近几年许多专家和工程技术人员比较关注的问题。我国是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的 1/4。而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此近些来，我国的城市水资源进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时，水资源的污染却日益严重，也因此许多城市都规划和建设了水污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂必然是向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前，PLC 在其稳定性和高度自动化程度的不断加强，使 PLC 成为在城市污水处理自动化方面的首选。污水处理系统电气控制系统设计2第

11、 1 章 污水处理工艺流程1.1 污水处理工艺的选用原则在污水处理工程的设计中，方案的选择具有极其重要的地位。在进行方案的规划时，污水处理工艺的优化原则将是工程界面临的首要问题。一般来说，污水处理工艺的选择有一下几个原则：（1）技术合理。重视工艺所具备的技术指标的先进性，同时必须充分考虑适合中国的国情和工程的性质。工艺的选择更注重成熟性和可靠性，以降低技术的风险，保证其长远的经济效益。（2）经济节能。节省工程投资是污水处理厂建设的重要前提。合理确定处理标准，选择简洁紧凑的处理工艺，尽可能减少占地，同时，必须充分考虑节省电耗和药耗。（3）易于管理。必须考虑到我国现有的运行管理水平，尽可能做到设备

12、简单，维护方便，适当采用可靠实用的自动化技术。应特别注重工艺本身对水质变化的适应性及处理出水的稳定性。事实上，任何一种工艺总是有利有弊，关键在于其适用性。在工程实践中应具体情况具体分析、因地制宜、综合比较，做出优化选择。1.2 对工艺流程的阐述目前，污水处理的主导工艺有 AB 法和 SBR 法。（1）AB 工艺法。AB 法是吸附生物降解工艺(Adsorption Biodegradation)的简称。该工艺将曝气池分为高、低负荷两段，各具有独立的沉淀和污泥回流系统。A 段（高负荷段）停留时间为 2040min，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除生物

13、化学需氧量（BOD）达 50%以上。B 段（低负荷段）与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长。 AB 法 A 段效率高，并具有较强的缓冲能力。B 段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB 法具有很好的适用性，并具有较高的节能效益。尤其在采用污泥消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。 但是，AB 法污泥产量较大，A 段污泥有机物含量极高，污泥后续稳定化处理是必须的，这将增加一定的投资和费用。此外，由于 A 段去除了较多的 BOD，可能会造成碳源不足，难以实现脱氮工艺。对于污水浓度较低的场合，B 段运行较为困难，污水处理系统电气控制系统设计3也难以发挥优势。目前有仅用 A 段

14、的做法，效果好于一级处理。作为过度型工艺，AB 法在性价比上有较好优势，一般用于排江、排海场合。（2）SBR 工艺。SBR 法是序批式活性污泥法(Sequencing Batch-Flow Reactor Activated Sludge Process)的简称，它是一种连续进水、间歇曝气、间歇排水的工艺。它的原理是通过微生物的活动来净化污水。它与传统的活性污泥法工艺相同，只是运行方式不同。SBR 工艺的应用起始于 20 世纪初，由于人工管理的困难和繁琐未推广应用。这种工艺集进水、曝气、沉淀在一个池子中完成。污水处理系统一般由多个池子构成一组，各池工作状态轮流交换运行，单池由滗水器间歇出水。该

15、工艺将传统的曝气池、沉淀池由空间上的分布改为时间上的分布，形成一体化的集约构筑物，并有利与实现紧凑的模块布置，最大优点是节省占地。此外，这种工艺也有利于减少污泥回流量，有节能效果。在此基础上，SBR 又发展演变了 CASS 和 CAST 等工艺，在除磷脱氮及自动控制等方面有新的特点，大大丰富了 SBR 工艺的内容。SBR 工艺的优点有：SBR 工艺流程简单、管理方便、造价低。SBR 工艺只有一个反应器，不需要二沉池，不需要污泥回流设备，一般情况下也不需要调节池，因此要比传统活性污泥工艺节省基建投资 30%以上，而且布置紧凑，节省用地。由于科技进步，目前自动控制已相当成熟、配套。这就使得运行管理

16、变得十分方便、灵活，很适合小城市采用。 处理效果好。SBR 工艺反应过程是不连续的，是典型的非稳态过程，但在曝气阶段其底物和微生物浓度变化是连续的(尽管是处于完全混合状态中)，随时间的延续而逐渐降低。反应器内活性污泥处于一种交替的吸附、吸收及生物降解和活化的变化过程之中，因此处理效果好。 有较好的除磷脱氮效果。SBR 工艺可以很容易地交替实现好氧、缺氧、厌氧的环境，并可以通过改变曝气量、反应时间等方面来创造条件提高除磷脱氮效率。 污泥沉降性能好。SBR 工艺具有的特殊运行环境抑制了污泥中丝状菌的生长，减少了污泥膨胀的可能。同时由于 SBR 工艺的沉淀阶段是在静止的状态下进行的，因此沉淀效果更好

17、。 SBR 工艺独特的运行工况决定了它能很好的适应进水量、水质波动。 SBR 法虽然工艺优势明显，但对于自动化控制要求很高，需要大量的电控阀门和机械滗水器，稍有故障将不能运行，目前一般引进全套进口设备。由于一池有多种功能，所以对曝气头的数量、鼓风机的能力、池子总体容积等要求较高。另外，由于滗水深度通常有 1.22m，出水的水位必须按最低滗水水位设计，故总的水力污水处理系统电气控制系统设计4高程度较一般工艺要求高 1m 左右，能耗有所提高。对于单一的 SBR 反应器需要较大的调节池，对于多个 SBR 反应器，进水和排水的阀门自动切换频繁。 污水处理时，先要流经格栅。一般要设置粗细两道格栅，间距在

18、 1625m，主要用来清除污水中的大块粗粒悬浮物质及杂质。在沉砂池中，密度较大的无机颗粒，如砂子、煤渣被分离并进行相应处理。SBR 反映池是整个工艺的核心部分，SBR 法工艺处理周期一般由进水、反应（曝气） 、沉淀、滗水和闲置五个过程组成，反应期间要保证一定的曝气量，需要的活性污泥一般情况下为定量，剩余污泥则排向污泥池。净化后的水由滗水器滗出，加氯后排入自然水体。贮泥室的多余污泥脱水后外运，进行深埋或投海处理。本项目拟采用 SBR 工艺，其处理水质好、系统效率高、占地省、自控运行，特别适用于中小型污水处理厂。近些年来，由于微机在自动化方面的广泛应用及在线溶解氧测定仪、液位计等高精度但对过程控制

19、比较经济的水质检测仪表的普及，SBR工艺以其独特的优势在近年来得以迅速推广，称为世界上污水处理技术中应用最为广泛的工艺技术。首先从厂外污水泵站提升到污水处理厂的污水，经过粗格栅，去除污水中较大的垃圾、漂浮物；通过污水泵将污水提升到细格栅，将较小的漂浮物去除；在沉砂池搅拌、除砂；然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理，经沉淀池泥水分离，上层澄清液作为净化后的清洁排放水；沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用，一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池，进一步浓缩，通过污泥处理系统，把泥浆态的污泥脱水、压滤，形成干污泥饼如图 1-1、1-2 所示。 图 1-1 工艺流程详图污水处理系统电气控制系统设计51#泵

20、站2#泵站细隔栅沉砂池生化反应池沉淀池鼓风机房污泥回流井脱水机房接触消毒池清水干污泥 图 1-2 工艺流程简图1.3 主要设备的组成及控制方式1.3.1 主要设备 活性污泥法的曝气方式可分为两大类：鼓风曝气及机械曝气两大类。鼓风曝气系统的主要设备是鼓风机及扩散系统。小污水厂的鼓风机一般采用罗茨风机及小型离心风机。分散系统一般采用微孔曝气器。但必须是适应于间歇曝气的运行方式。鼓风机往往安装在 SBR 池旁边，以减少管路系统的造价。由于污水厂较小，一般不设鼓风机房，仅在鼓风机上设罩棚。这主要适用于厂矿企业内的污水处理厂，不严格控制噪音的情况。如果污水厂毗邻生活小区，若采用鼓风曝气则必须建鼓风机房，

21、同时还要有相应的降噪措施，这样情况下宜采用机械曝气方式。 （所选设备名称及参数如表 1-1）表 1-1 设备名称及参数序号 设备名称数量 技术参数 1 污水提升泵 3P=55KW 流量 600m /h 3扬程 20m 2 粗、细格栅机 8P=1.5KW ，V=380V ， I=3.7A 3 罗茨鼓风机 3P=55KW ， 风量 30m /min 3压力 0.6Mpa 4 搅拌器 12P=3.8KW， V=380V ，I=7.2A 5 吸、刮泥机 8P=0.37KW ，V= 380V ， I= 1.2A污水处理系统电气控制系统设计6 6污泥提升泵 3P =54KW ，V=380V ，I=9.4A

22、 7 投药泵 2 P=0.63KW ，V=220/380Y 8 脱水机 2 P=2.2KW ，V=220/380Y 9 电磁流量计 13OUT:420mA，DN:350，DN:600， DN:1000 10 污泥浓度计 4 020mA ，05000PPM 11 溶氧仪 10020mA ， 05mg/L 12 循环泵 2P=20W 流量 20L/min 扬程 5m 13 电磁隔膜计量泵 3CONCEPT 型 流量 02.3(L/h)功率 24W1.3.2 设备控制方式 污水处理厂的设备均采用三级控制方式，即现场控制方式、MCC 控制方式和微机控制方式。目前，以 MCC 控制为基础，PLC 控制为

23、主导的控制方式始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前污水处理厂对自动化的需要。1.4粗格栅、细格栅、提升泵房的设备控制 粗格栅、细格栅的控制分为现场控制和远程控制两种模式。远程控制模式由PLC 和上位机实现，它包括微机手动和微机自动，而微机自动控制方式为：（1）水位差控制方式，通过格栅机运行液位差计的测量值用来反映格栅阻塞程度，并传输到 PLC 控制器，进行分析计算。当液位差超过预设的数值，控制格栅运行；（2）时间设置控制方式，在上位机的 INTERACT 组态软

24、件中设置格栅机运行时间和停机时间，经 PLC 控制器的程序运算指挥 MCC 对格栅机进行控制。提升泵运行控制以远程控制为主。某污水处理厂有两个提升泵站，每个泵站设有一个 PLC 工作站与厂内主站联络如图 1-3 所示。污水处理系统电气控制系统设计71# 泵站PLC 工作站2# 泵站PLC 工作站厂 内PLC主 站图 1-3 各子站联络图为实现进水提升泵的远程自动控制的安全、可靠，水位测量和提升泵的流量测量和数据分析、传输、控制等设备是不可缺少的，所以在进水泵房处安装了液位计，测量泵井的水位；每台提升泵的提升管安装电磁流量计，测量每台提升泵工作的瞬时流量；两个 PLC 工作站分别担负各泵站的设备

25、控制、设备保护、数据采样、远程数据传输等作用。根据测量值对应控制程序，自动控制提升泵的运行组合。这样可以根据厂外来水量准确及时地调整泵运行数量，减少设备疲劳；同时可以取消传统泵站三班倒的人力资源耗费。 1.5 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓风机房的设备控制砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制，而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。 生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发指令通过 PLC 控制。 生化池好氧区的 DO 计、MLSS 计(污泥浓度计)、ORP 计（氧化还原电位计）、空气调节阀和罗茨鼓风机是污水处理的重要设备。曝

26、气池溶解氧的控制、厌氧段与好氧段的控制、污泥浓度的控制是污水处理厂工艺的核心。该系统控制思路：PLC 通过对 DO 的检测，自动调节空气阀的开度；当检测到空气阀的调节不能满足 DO 的需要时，再着行调整鼓风机的出风导叶片的开度（目前各污水厂在该系统的应用都不理想，主要问题是溶解氧的测量值滞后、不稳定及空气阀门的选型）；PLC 检测 DO计、MLSS 计、ORP 计的值传送上位机进行数据分析，实时掌握厌氧段与好氧段、污泥浓度等状况，及时调整工艺控制。1.6 脱水机房的控制脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。污泥与溶解成一定浓度的絮凝剂混

27、合后，污泥中的污水处理系统电气控制系统设计8固体颗粒被凝聚成絮团，并分离出自由水，然后被输送到带式污泥脱水机上，经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导，污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。该系统流程控制原理图如图 1-4 所示。图 1-4 污泥脱水系统流程控制图脱水机系统的联动控制时序： 条件：各设备准备就绪，无故障；空压机、自动配药池工作正常。 启动：皮带输送机运转 带式脱水机运转 投药泵运转 污泥泵运转。 停机：控制顺序与启动顺序相反。 时间：根据实际的运行状况，可在 PLC 中设置各设备联动

28、间隔时间。1.7 PLC 控制系统 污水处理厂自控系统遵循“集中管理，分散控制，数据共享”的原则，设计选型先进，安全可靠，经济合理，并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC 控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率，降低运行成本，减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测，重要设备进行计算机在线集散控制，确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。1.7.1 PLC 控制系统的基本构成及功能 污水处理厂 PLC 控制系统由两台计算机、8 个现场控制站、工艺仪表、电量变送

29、器构成。8 个现场控制站用于控制现场设备、采集动态工艺参数和设备工作情况。现场控制站根据污水处理厂的实际工艺和构筑物的几何分布，设置在控制对象和信号源相对集中的几个单体中，并考虑在不影响控制功能和设备安全的前提下，尽量节省投资。本控制系统由 8 个现场控制站组成。它们分别位于：厂外 1#泵站；厂外2#泵站；厂内中心控制室；厂内低压电房；鼓风机房（3 个站）；脱水机房。1#工污水处理系统电气控制系统设计9作站和 2#工作站与厂内主工作站的距离较远，且无人值班，故租用电信公司无源电话专线通过调制解调器和 A1SJ71UC24 通信模块进行泵房设备控制和数据传输。网络控制分布图如图 1-5 所示。图

30、 1-5 全厂网络控制图1.7.2 网络结构污水处理厂的自控系统由环形拓扑形式（ring topology）和星形拓扑形式(star topology)两种总线网络形式构成。1.7.3 上位机组态功能 （1）控制操作：在中控室里采用 2 台 IBM90 和 INTERACT 组态软件开发的工控程序能对全厂和 2 个污水提升泵站的被控设备进行控制、对各现场控制站 PLC 的参数进行设定和修改，具有良好的人机交互界面，可方便地进行图形间的切换和各种功能的调用。设立不同的安全操作等级，针对不同的操作者，设置相应的加密等级，记录操作员及其操作信息。 （2）显示功能：用设计方法生成图形，实时地、集中地显

31、示被测参数所处的变化过程。对全厂工艺过程、工艺参数、设备状态等通过颜色的变化直观地、动态地显示。 数据处理及管理：操作记录并显示工艺参数、电量参数的变化曲线或趋势图，利用在线数据和数据库的数据进行分析、统计、计算、显示。 污水处理系统电气控制系统设计10 报警功能：当某一参数异常或设备故障时，可根据不同的报警类别，发出声光报警、屏幕报警。 （3）报表功能：分成年度、月度、日班报表及运行参数报表。如：污水处理量、加药量、耗电量等。 （4）打印功能：各种报表的打印，各种事件及报警实时打印。由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。有专家统计，采用渠道输配水的污水处

32、理厂的水头损失要比管道输配水的小 2 -3m。对于采用 SBR 法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与 SBR 池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放场合建。这样，在常规的设计中，小型污水厂内至多有三个主要的处理单元：辅助生产区（含办公、变配电及总控等）水处理单元、泥处理单元。有时泥处理和水处理单元也可合建。由于方便输配水，各构筑物采用了合建方式，在设计时应注意距离较近的构筑物的基础处理，埋深上尽量接近。通过连接构筑物的渠道应做沉降缝。多座反应池的排泥管也可采用渠道而非管道和止回阀连接的方式，这样不仅减少了设备的维护管理，而且没有阀门堵塞的问题。在小型污水处理厂内多采用类似策略，可以大大节

33、省工程费用，方便维护管理。1.8 系统构成及其布局根据工艺特点和控制要求，本系统采用分布式集散监控系统，按流程设两个PLC 分站，分别监控水区和泥区的设备运行和控制，设一个总站集中分站信息并控制分站工作。具体控制分为: (1) 现场控制，设现场箱或按钮站，由“现场/遥控”转换控制状态， “现场”设点动按钮，用于调整和检修。 (2) 各开关柜(包括:10kV 进线柜、0.4kV 进线柜等)，由“自动/停止/手动”转换控制状态， “手动”设启/停按钮，用于手动操作。 (3) 分站控制，用可编程控制器和工业控制计算机系统等自控设备，自动监控所属范围运行。 (4) 总站主机控制，多为计算机监控管理系统

34、，集中分站信息，进行各种处理，并通过分站统一控制全厂运行，满足工艺测控要求，使全厂运行处于最佳状态，是监控管理的中心。 监控系统由操作员工作站、服务器工作站、投影仪、打印机、2 个 PLC 工作站和现场一次设备。通信网络采用西门子的过程现场总线标准(Profibus)，它为分布式 I/O 站或驱动器等现场器件提供了高速通信所需的用户接口，以及提供了在主站间大量数据内部交换的接口通信协议采用 SINEC L2，该协议遵从 DIN19245 标准。污水处理系统电气控制系统设计11L2-DP 适用于对时间要求严格的现场，能够以最快的速度快速处理和传送网络数据。所以本系统可以快速的采集和处理由 PLC

35、 所采集的数据，符合控制系统要求的快速性。污水处理系统电气控制系统设计12第 2 章 污水处理中的 PLC2.1 概述2.1.1 设计范围设计包括厂界内预处理、生物滤池、污泥处理及附属设施需要检测和控制应提供的仪表和有关的辅助装置等。2.1.2 PLC 设计综述实用性：PLC 系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求，在保证先进的条件下，设备和系统应符合实际要求。可靠性：污水处理厂的生产过程要求 PLC 控制系统具有连续可靠性。经济性：PLC 系统的技术含量高，设备复杂，因此，在设计时应进行技术经济比较。先进性：网络技术、信息技术、PLC 控制技术发展迅速。根据某污水处理厂的设计规模和 BA

36、F 生物滤池工艺的特点，本着技术先进，性价比高，适用可靠的原则进行设计。依据集中监测为主，分散控制为辅的基本原则，设计采用以 PLC（可编程控制器）为基础的监测控制和数据采集系统,在中央控制室利用 PC（工业级 PC）对厂内各工况进行实时监控，并有信号报警和联锁等设施以保证生产正常运行，生产的工艺过程 PLC 采用就地独立控制。从安全生产的角度和操作人员技术掌握程度上考虑，设立三级控制层：设备就地手动、PLC 子站现场监控和中控室远程监控如图 2-1 所示。在综合楼设立中央控制室，下设 2#预处理 PLC 子站，3#BAF 生物滤池 PLC 子站和 4#污泥处理 PLC 子站等共 7 个现场处

37、理子站。在中央控制时可对主要设备实施开、停控制。同时，设备运转状态也通过通讯总线送入上位计算机，在计算机上对全厂设备运转情况进行监控。中央控制室还设置了以太网交换器，与厂级管理 PLC 成以太信息网络相连接，并设置厂长办公终端、生产管理终端、化验室终端。污水处理系统电气控制系统设计13图 2-1 全厂网络控制图2.2 PLC 在污水处理中的运用 2.2.1 中央控制室在办公楼设立中央控制室，中央控制室内设有两台高分辨率计算机操作站、一台数据库服务器、三台打印机、一台网络设备。两台计算机操作站互为备用，并可安装 PLC 编程软件，程序可方便地通过控制网络分别下载到指定的现场控制站，以便在调试过程

38、中随时修改程序。中央控制室可对整个分控式控制系统进行系统组态管理、系统监测、实时监测、显示、处理、控制各 PLC 子站的状态、通信、数据和信息，完成报警和报表打印。在厂级管理层可以通过 Internet 将结果、效益分析等发往主管局等政府机关，系统流程如图 2-2 所示。主要功能：生产工艺过程以工艺流程图方式显示，图形可以取出每幅图的局部进行放大，便于分幅，分组展示，流程上有相关的实时生产过程的动态参数值显示。当动态显示值显示改变时，随之改变图形的数值。污水处理系统电气控制系统设计14图 2-2 流程简图2.2.2 控制网络系统通讯控制网络系统采用可与信息系统无缝连接、可进行三阶层通信、高速可

39、靠通信。PLC 控制系统中央控制室与现场 PLC 子站之间采用最先进的控制网络，该控制网是一种最现代化的开放网络，已成为工业 PLC 领域的标准网络。它具有灵活的结构，安装方便，支持 PLC 之间及 PLC 和上位机之间的自动数据链接，也可使用信息服务进行可编程的数据传送，可得到大容量、柔性数据链接及大容量的数据传送，对应低成本的通信系统。其通讯介质选屏蔽双绞线。通讯速率可达 2Mbps，保证数据高速准确地传输。中央控制室与厂级管理层之间采用 100Mdps 的以太通讯网，该网带有 E-mail 功能，能向 mail server 发送用户自定义信息，故障信息，状态信息等，通过网关（以太网交换

40、器）或 PLC 可与其他控制网络、现场总线相连。为保证在供电发生意外时，系统能有足够的反应时间进行应急处理，中央控制室和各子站均设有在线式不间断电源。污水处理系统电气控制系统设计15过电压保护装置能抑制出现在电力网络中的暂态浪涌电压和吸收暂态浪涌电压能量，在保障供电连续的条件下，保障计算机、PLC 控制子站及其他主要设备免受过电压的干扰和侵害，使用电设备安全正常运行。2.2.3 分现场生产过程 PLC 控制系统（1）预处理 PLC 控制及检测部厂内 2#预处理 PLC 子站位于鼓风机房内。对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、闸门、粗格栅、细格栅、排砂装置等设备的运行状态、故障状态进行监测和

41、控制。通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。其主要设备有：粗格栅、闸板，细格栅、螺旋输送机粗格栅开、停控制根据超声波液位差计测得的粗格栅前后水位差值自动控制回转式粗格栅的运行，即水位差达到设定值时，自动启动格栅。当回转式粗格栅停止运行的时间超出设定值时，系统转为时间控制，此时限为可调式设计，并设置上限报警。PLC 系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式粗格栅机的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。细格栅开、停控制细格栅 24 小时运行，并设置上限报警。PLC 系统将根据软件程序自动控制螺旋输送机、回转式细格栅机

42、的顺序启停、运行、停车以及安全连锁保护，格栅机停机后延时停螺旋输送机。污水闸门控制：两台闸门根据液位手动或电动，其运行信号送入中控室监控，不参加控制。（2） BAF 生物滤池 PLC 控制及检测部分厂内 3#BAF 生物滤池 PLC 子站位于变电所低压配电室控制室内。对工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、风机、反冲洗泵等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。并可在中控室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。其主要设备有：排砂阀，排泥阀，启闭机，砂水分离器，电动进水阀，电动排水阀，电动进气阀，电动气冲阀电动反冲洗阀，回用潜水泵，离心鼓风机。沉砂池和沉淀池污水处理系统电气控

43、制系统设计16沉砂池和沉淀池定时开/停排砂、排泥阀，砂水分离器设备控制由设备厂商自带可设定控制系统，砂水分离器应与排砂阀联锁。BAF 生物滤池工艺过程简述：污水经强化预处理后进入第一级生物过滤（C/N）池，污水通过滤池进水管进入滤池底部，填料上的微生物利用进水中的溶解氧降解 BOD，同时，SS 也通过一系列复杂的物化过程被填料及其上面的生物膜吸附截留在滤床内。流出填料层的废水进入第二级生物过滤池的污水流程同第一级，但在第二级生物过滤池中可根据运行情况不曝气并减少回流比以节能。经二级生物过滤处理后的污水即直接进入接触池消毒。第一级生物滤池按时间及水位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池有超声波液位计，

44、DO 测定仪等国外仪表。第二级生物滤池按吸附与过滤方式运行。按时间及水位差控制滤池的反冲洗。在该级滤池装有超声波液位计，SS 测定仪，DO 测定仪等国外仪表。检测信号均送生物滤池处理 PLC 子站进行监控。根据生物滤池水位差的反锁信号控制反冲洗机组开停，根据 DO 测量仪所测反锁信号控制调节曝气风机的风量。BAF 生物滤池按所设计时间进行周期性反冲洗，其中，第一级按每个周期 16 小时，第二级按每个周期 36 小时进行反冲洗。或者在一个周期内，如果水头损失达到所设反冲设定值时，优先进入反冲洗程序反冲洗周期设定值根据水质情况在反冲洗程序中为可调值。BAF 生物滤池根据其优先顺序逐台启动滤池的反冲

45、洗。一、二级曝气生物滤池控制过程：反冲洗阶段:跟据时间设定为周期性反冲洗。根据超声波液位计所测水位值确定反冲洗过程。当水位下降到所设定值时，停止进水阀，开启反洗水出水阀。待滤池液位再次下降到设定反洗液位值时，先开启反洗鼓风机，后开启反洗风阀进行气冲洗。气洗数分钟后，关闭反洗气阀，关闭反洗鼓风机，气冲洗结束。气冲洗结束，进入水冲洗阶段。先开启反冲洗水泵，后开启反洗管路阀们，进行水洗数分钟后，水冲洗结束。当水冲洗结束后，继续开启反冲洗鼓风机，再开启反冲洗风阀，进入气、水混合冲洗阶段。气、水混合反洗数分钟后，关闭反洗气阀，关闭反洗鼓风机；关闭反洗水水阀，关闭反洗水泵。至此，反冲洗过程全部结束。当反冲

46、洗阶段结束后，先开启进水阀，后开启曝气鼓风机，再开启曝气风阀，最后关闭反冲洗水出水阀。进入正常曝气阶段。强制反冲洗:污水处理系统电气控制系统设计17若反洗效果不佳，说明滤路可能出现堵塞，此时，关闭进水阀，开启反冲洗出水阀，开启强制反冲洗泵和强制反冲洗阀们，进行强制反冲洗，其过程按反冲过程运行，BAF 曝气法工艺流程如图 2-3 所示。污水出水污泥池污泥脱水机房泵鼓风机隔 栅集 水 井1#反应池2#反应池3#反应池图 2-3 BAF 曝气法工艺流程图（3） 污泥脱水 PLC 控制及检测部分厂内 4#污泥 PLC 子站位于污泥脱水间控制室内。对于工艺专业要求检测的各种工艺参数，水泵、加药设备、离心

47、脱水机等设备的运行状态、故障状态进行监测和控制。通过网络把信号送中央控制室计算机操作站完成指示、记录、报表和报警打印等监控管理功能。其主要设备有：离心脱水机，污泥进料泵，冲洗水泵，皮带输送机，无轴螺旋输送机，隔膜计量泵，搅拌机。污泥脱水系统:污泥脱水系统为成套设备（包括污泥进料泵、加药泵、离心脱水机），自带现场控制柜。该系统运行、故障信号送入 PLC 显示，根据储泥池液位，PLC 给出设备的开、停命令，运行中设备根据自带的控制程序动作，给料机组机开/停与离心脱水机。脱水后污泥螺旋输送机和皮带输送机与离心脱水机联锁，先开启螺旋输送机和皮带输送机，再开启离心脱水机，最后开启污泥泵，停运时，先停污泥

48、泵，再停离心脱水机，最后停螺旋输送机和皮带输送机。污水处理系统电气控制系统设计182.2.4 厂级管理 PLC 系统为了及时地对来自污水处理现场的生产信息进行收集、储存、分析和加工处理，以便工厂领导层对生产管理的准确决策，设计中考虑了厂级管理终端。该系统主要功能：生产过程的全面查询，包括各种进、出厂水流量，各中能耗等。生产过程分析报告、报表和图形。设备资料数据库和设备运行管理数据库。化验所需要的参数。建立与外部 Internet 的双向连接，便于发布信息和从外部获取信息。2.3 PLC 设备及仪表选型2.3.1 PLC 选型原则利用可编程序控制器（PLC）组成远程自动监测系统时，首先遇到的是

49、PLC 的选型问题。在选用 PLC 时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。关于可编程控制器选型的一般原则可从以下几方面考虑：1、明确控制对象要求。本系统要求改善信息管理，把 PLC 与上位微机的通讯能力远程 I/O 与微机通讯方式和手段作为选择的依据。PLC 响应时间的影响因素有：输入信息时，CPU 读解用户逻辑网络时间和输出时间。PLC 的实时响应性还受到系统中最慢仪器的限制，与上位机的通讯也将增加服务时间。2、功能选择要根据不同的控制对象确定。具体有：替代继电器、数学运算、数据传递、矩阵功能、高级功能、诊断功能以及串行接口。3、输入输出模块

50、选择。输入/输出模块是 PLC 与被控对象之间的接口，模块选择得当与否直接影响控制系统的可靠性。4、存储器类型及其容量选择。小型 PLC 作为单机小规模控制使用时，由于工艺简单、程序固定，多数使用 EPROM 或 EPROM 加 RAM。对于中、大规模的 PLC，往往用于工艺比较复杂，且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用 CMOSRAM 存储器，且有后备电池，以便关机时保存存储信息。5、控制系统结构和方式的选择。用 PLC 构成的控制系统有集中控制、远程 I/O控制和分布式控制等三种方式。6、支持技术条件。在选用 PLC 时，有无支持技术条件也是重要的选择依据。支持技术条件主要有：编程手

51、段、程序文本处理、程序贮存方式和通讯软件包。通讯软件包往往是和通讯硬件一起使用的，如调制解调器等。污水处理系统电气控制系统设计192.3.2 PLC 设备的选择为了保证监控管理控制系统的正常运行，PLC 监控系统选用 SIEMENS 公司的S7200 CPU226 系列产品。现场 PLC 控制子站是直接监视和控制若干工艺生产过程单元，其主要设备是：SIEMENS 的 S7200 CPU226 系列 PLC 可编程控制器。PLC 性能特点：指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑、便于扩展。性价比高；最大数字量 I/O 点数为 40 点；数据内存容量：13K 字节；电源电压范围：AC 1

52、00230V DC 24V；基本指令处理速度：0.37s/指令；2.3.3 SIMATIC S7-200 简介SIMATIC S7-200 系列 PLC 是西门子公司生产的大中型可编程序控制器，其功能强大，稳定性高，完全适合城市污水处理对可编程序控制器功能的要求。SIMATIC S7-200 是应用于中、低档性能范围的可编程序控制器。模块化及无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使 SIMATIC S7-200 成为中、低档性能控制领域中首选的理想解决方案。用户还可以根据需要不断的进行升级可编程序控制器。 SIMATIC S7-200 自动化系

53、统采用模块化设计，它主要由 CPU 模块、扩展模块和总线连接电缆构成。CPU 模块：该模块主要包括 CPU、电源和 I/O 点 3 部分。CPU 主要负责程序的运行等工作；模块的电源不仅向 CPU 供电，还要满足与 CPU 模块相连的其他模块的用电需求；该模块本身自带一定数量的开关量 I/O 点，如果能够满足控制要求，则可以不再需要开关量 I/O 模块扩展模块：由于 CPU 模块本身的 I/O 点非常有限、而且无模拟量 I/O 点，所以有时需要数字量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块等一些特殊功能的模块。总线连接电缆：用来把 I/O 模块和 PLC 或其他扩展模块连接在一起。2.3.4 仪表

54、设备的选择在仪表选型上，介于监测仪表的重要性，在仪表选型上应遵循：准确全面反映进厂水的水质水量情况。污水处理系统电气控制系统设计20准确全面反映出水厂的水质情况。准确全面反映各处理单元的出口的主要水质情况。准确全面反映参与控制的水质和物理参数。尽量选用国内可靠成熟的仪表产品，以节约投资，也方便维修。对关键的现场仪表，则考虑引进国外设备。超声波液位计超声波液位计是非接触式测量仪表，该仪表通过对超声波发射和反射的行程所需的时间和测量距离成正比的原理测量液位。仪表由传感器（超声波探头）、变送器及专用电缆组成，德国 E+H 公司。型号：传感器 FDU80-RG2A 变送器 FMU682-R1A1A1产

55、品性能:菜单是引导现场操作，四行文本显示；现场显示包络线进行诊断；附送 TOF Tool 操作软件，可进行操作与诊断； 旋转 IP68 铝外壳；可进行远程操作和显示；过程连接有 G1或 1NPT 螺纹连接；内部集成的温度传感器可对超声波运行时间内的温度变化进行补偿，以实现精确测量；测量值线性化（可达 32 个点） ，单位可以是长度、流量或流速；非接触式测量，不受介质特性影响。产品的主要参数：被测介质：污水和稀污泥测量范围：FDU80 量程 050m输入范围：420mA DC， 负载电阻600电源：220V AC 50HZ测量值误差：0.2%满量程 分辨率：1mm安装位置：室外防护等级：传感器：

56、IP68 变送器：IP65现场显示：4 1/2 数显专用电缆：10M安装支架：墙支架 919792-0001电磁流量计污水处理系统电气控制系统设计21电磁流量计是测量和指示导电液体的流量，由传感器、变送器及专用电缆组成，传感器形式为发散连接，带接地环，转换器具备微处理器信号功能，用手持磁棒方法，不打开外壳就可对机内实行编程。上海光华爱尔美特。型号：传感器 IFS4000 转换器 SC100AS/MP-2211PH 计此装置为一组电极，这组电极产生的电势与被测液体的氢离子浓度成比例，该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H 公司。型号： 传感器

57、CPS11-2AA2TSA 变送器 CPM253-PR0010产品概述：pH 氧化还原：各种 pH 玻璃电极。 氯：传感器和变送器可测量余氯和二氧化氯含量。 电导率：测量系统适用于纯水、酸液或碱液等所有范围内的电导和浓度。 溶氧、浊度及固体含量：溶氧及浊度仪可提供监测/优化工业和市政用水等污水处理厂的基本参数。组件：对各种应用提供组合式最佳解决方案，如可伸缩式支架。SS 计（悬浮固体物浓度测量计）该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H 公司。产品概述：悬浮固体浓度分析仪内置微处理器,配置先进,功能强大,应用于对 SS 检测的工业处理过程中。可

58、快速准确地分析出不同条件和环境的悬浮固体浓度值,且连续测量,用来测量污水处理行业如污水处理厂。结构紧凑，内置背光液晶屏，手/自动校准，数据存储，继电器控制输出（4 个），历史数据分析，RS-232 接口。测量单位 ppm或 mg/ l，且价格低廉。DO 计（水中溶解氧测定仪）测量原理是覆膜式，电流测量传感器。该装置包括传感器、变送器及专用电缆，包括传感器的安装支架及传感器的手动清洗头，德国 E+H 公司。型号：传感器 C0S4-2 变送器 C0M253-0010产品概述：测定范围 DO:0.0019.99mg/l 大气中氧浓度:0.030.0%饱和率:0.0199.9%水温:060；精度 DO

59、:0.02mg/l；大气中氧浓度: 1%；污水处理系统电气控制系统设计22饱和率: 1%水温: 0.1；显示：液晶显示（DO,O2 或饱和率,温度同时显示）；温度补偿：自动温度补偿；周围温度：045；校正方法：空气中自动校正；水质转换：淡水/海水转换测定；电源：电池供电（4 节 4.5v 电池）；外形：仪器本身:75（W）38（H）180（D）mm,电极29155；重量：300g；材质：主体:ABS 树脂,探头:PE,黄铜（铬处理）污泥液位测量系统该装置是通过浓度变送器，应用成熟的双-光束，脉动-光方法实现。包括浓度计、浓度传感器、步进电机控制器、跟踪单元，德国 E+H 公司。型号：CUC10

60、1-A0产品概述： 产品运用光学原理的可靠的浓度测量，利用区域跟踪浸没式传感器，直接两虚测量浓度面。高度和浓度同时测量以检测污泥轮廓。字母数字显示，带菜单引导的参数输入和标定。使用红外光的四光束脉动光方法，测量值在传感器外进行预处理，减小了信号传输误差，传感器更换一般不需要重新进行仪表标定。2.4 污水厂布局及其主要 PLC 设备分布由于污水厂较小，各构筑物之间一般用渠道相连，既节省了占地，又减少了水头损失。有专家统计，采用渠道输配水的污水处理厂的水头损失要比管道输配水的小 2 -3m。对于采用 SBR 法的小型污水处理厂，一般将沉砂池与 SBR 池通过渠道相连、污泥浓缩池与脱水机房和泥饼堆放