基于PLC的污水处理厂控制系统的设计与实现

徐龙艳+翟亚红

收稿日期：2013-06-19

作者简介：徐龙艳（1983—），男，湖北巴东人，实验师，研究方向：汽车装备自动化。

通讯联系人，E-mail：longtian1119@163.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0052-03

摘 要：本课题是基于西门子PLC的污水处理厂监控系统的设计。根据污水处理厂的特点，本控制系统采用目前国内外普遍应用的基于PLC的二级分布式集散控制系统。控制系统由设在综合房的中央控制室控制站和分布在现场3个PLC控制站组成，现场控制站由3套西门子PLC组成，通过PROFIBUS总线相互通信。本次设计主要完成对现场流程进行控制以及实现对整个系统的远程监控，通过现场PLC对各种电气设备的进行控制，通过变频器对提升泵的变频控制，利用wincc组态网实现对整个污水处理流程的监控。

关键词：PLC；PROFIBUS；监控；以太网

中图分类号：TP29 文献标识码：A

Design and Implementation the Control System

of Sewage Treatment Plant Based on PLC

XU Long-yan，ZHAI Ya-hong

（School of Electrical & Information Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan，Hubei 442002， China）

Abstract：This topic is based on Siemens PLC's sewage treatment plant monitoring system design. According to the characteristics of sewage treatment plant， the control system uses the current domestic and universal application of two distributed based on PLC distributed control system. Control system consists of integrated housing in the central control room control station and distributed at the site 3 PLC control station， site controller composed by three sets of Siemens PLC， communicate with each other via PROFIBUS. The design process was completed for the on-site control and the realization of the entire system for remote monitoring through a variety of on-site PLC electrical equipment to be controlled through the drive to enhance the pump frequency control， use wincc configuration of the entire sewage network process flow monitoring.

Key words：PLC；PROFIBUS；monitor；ethernet

1 前 言

花果污水处理厂新建的3万吨/日城镇一级污水处理厂及实现2万吨/日中水回用及配套管网建设工程，建立该系统。该控制系统基于集中管理、分散控制的思想，全厂控制系统由中央控制室和现场控制站组成，现场控制站由3套西门子PLC站，通过PROFIBUS总线相互通信。PLC站与中控室采用环形光纤以太网通讯方式。上位机采用WINCC软件来进行监测。

2 系统分析

本系统利用PROFIBUS总线将PLC与现场总线模块相联接，由成套设备上的自控装置和检测仪表等组成信号采集系统，将采集到的现场信息传到PLC中，完成PLC对现场信息的读取。通过与自控装置中设定信息的比较，发出相应的控制指令，从而实现相应的控制目的。通过工业以太网将各个plc站的信息送回总控室，由总控室进行监控。

2.1 系统结构分析

本监控系统监控的部分主要包括粗格栅机、污水泵、细格栅、STCC生化池、污泥浓缩脱水机、紫外消毒渠等。污水处理从集水井开始，集水井对污水进行提升，使污水能够借重力依次流过后续处理筑物，以保证污水处理厂的正常运转。进入集水井的污水会先流经粗格栅，去除污水中的较大漂浮物，并拦截直径大于20mm的杂物，以保证潜水泵的正常运行。从粗格栅出来的污水再流进细格栅，进一步去除污水中较大的漂浮物，如丝状、带状漂浮物，以保护后续处理构筑物的正常运行。然后流经旋流沉砂池，去除污水中≥0.2 mm的无机砂粒，保护后续管道及水处理设备，并减少污泥中的砂粒。经沉砂池流出后再经配水井，向STCC净化池均匀配水，均衡的发挥各组STCC净化系统运行能力，保证其经济有效的运行。流入STCC净化池的污水，通过净化池完成有机物、悬浮物及氮磷等污染物的去除，主要由厌氧池、缺氧池、生化池、反应池、斜管沉淀池、微曝气滤池、接触过滤池等7段组合而成。经净化池净化后污水流入紫外线消毒渠及巴氏计量槽，杀灭水中的细菌、病毒及其他微生物，以保证最终出水中粪大肠菌群数达标（≤103个/L），然后排出厂外[1，2]。另外还设有鼓风机房及配电间，为生物反应池提供氧气，提供排泥空气及反冲洗时的空气，保证生物系统正常运行。除此之外还有对污泥进行处理的污泥浓缩脱水机房，该部分主要由加药部分和污泥浓缩及脱水部分组成，加药部分为污水处理厂STCC池斜管沉淀段提供药剂，当出水不能稳定达标时，向反应池中投加絮凝剂；污泥浓缩及脱水部分将污泥通过浓缩脱水机进一步脱水，降低含水率，以减少污泥体积，便于污泥储存、运输及综合利用。整个工艺流程图如图1所示。 2.2 系统控制主要内容及要求

本监控系统通过现场PLC站的PLC采集相关信号数据，经由现场总线PROFIBUS传输，通过工业以太网连接，将采集到的信号送到中央控制室处理，然后由中央控制室发出相应的控制信号，控制系统的正常运行。系统要求粗格栅机定时开停机，运行时间间隔及运行时间可调。污水泵3台潜水泵的变频运行，在全自控状态，根据泵房液位高低和各自累计工作时间多少决定自动开停顺序。细格栅机根据设定的时间运行，时间间隔及运行时

间可调。排沙设备控制桨叶分离连续运行，由plc控制电磁阀定时开关吸砂，砂水分离器与电动开关阀同步运行。STCC生化池分为四格，每格设溶解氧分析仪一台，检测DO值，与设定值比较，调节可调电动阀，控制曝气量。4台回流泵变频运行，控制到目标回流。鼓风机连续运行，PLC通过检测总出风管压力调节风机频率，达到恒压输出，风机房轴流风机与鼓风机联动。污泥浓缩脱水机为一体化机组，中控室通过通讯读取设备状态。污泥脱水间设备主要采用联动控制方式，污泥脱水机组联动控制的设备包括浓缩压滤机、空压机、进泥泵、加药泵、冲洗泵和絮凝制备系统。变配电间plc通过RS-485通信采集变配电间高压进线柜智能仪表电量参数。紫外消毒渠及出厂水质检测自带控制系统，中控室只监不控。根据需要控制消毒设备的开停，根据出水水量控制灯管启动数量[3，4]。

3 系统设计

本课题是基于西门子PLC的监控系统，通过3个PLC实现现场控制并采集相应的信号，通过现场总线和工业以太网将采集的信号送回中央控制室，由中央控制室进行监控。

PLC1为西门子S7-200系列224 PLC，完成粗格栅间、集水井等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。

PLC2主要是完成风机房、细格栅涡流沉砂池等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。PLC3的主要工作是完成STCC净化池、污泥处理间、紫外消毒渠、出水计量等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心，并在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。均选择西门子200系列CPU226的PLC。

EM235是西门子PLC中最常用到的模拟量扩展模块，它拥有4个模拟量输入和1个模拟量输出功能。此次设计主要用到的模拟量输入有温度、流量、频率、压力等。设计中所选用的温度传感器、流量传感器、压力传感器都可以输出标准模拟信号（4-20mA、1-5V、0-20mA、1-10V），因此传感器输出信号可以直接与EM235模块相连接。

通过EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将 S7-200CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络。EM 277 经过串行 I/O 总线连接到S7-200 CPU 。作为DP从站，EM 277 模块接受从主站来的多种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。EM 277 能读写 S7-200 CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到 S7-200 CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在S7-200 CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。 EM 277 PROFIBUS-DP 模块的DP端口可连接到网络上的一个DP 主站上，但仍能作为一个MPI 从站与同一网络上如SIMATIC 编程器或S7-300/S7-400 CPU 等其它主站进行通信。

系统中污水提升泵（PLC1）和鼓风机（PLC2）中用到变频控制。变频器采用西门子的MM400系列。

在过滤阶段如果需要反冲洗滤池则需要进入手动反冲洗过程，等待反冲洗过程的四步完成后，继续进入自动的工作流程。工作过程，如图2所示。4 结 论

在设计过程中，充分考虑到系统的安全可靠。从硬件和程序方面设计了多重保护，使系统能够长时间安全稳定运行。整个监控系统实现了远程的监视和控制，根据各部分返回的参数变化，在终端对整个流程进行控制。通过生产检验，该系统运行安全可靠设计符合要求。

参考文献

[1] 《污水综合排放标准》GB8978-96[S].

[2] 《城市污水处理厂污水、污泥排放标准》CJ3025-93[S].

[3] 高超，韩丹.污水处理厂电气设计若干问题探讨[J].黑龙江科技信息，2009（23）：52-56.

[4] 蒋兴加. 现场总线变配电系统在智能建筑中的应用设计[J]. 低压电器，2007，（10）：43-47.

本监控系统通过现场PLC站的PLC采集相关信号数据，经由现场总线PROFIBUS传输，通过工业以太网连接，将采集到的信号送到中央控制室处理，然后由中央控制室发出相应的控制信号，控制系统的正常运行。系统要求粗格栅机定时开停机，运行时间间隔及运行时间可调。污水泵3台潜水泵的变频运行，在全自控状态，根据泵房液位高低和各自累计工作时间多少决定自动开停顺序。细格栅机根据设定的时间运行，时间间隔及运行时

间可调。排沙设备控制桨叶分离连续运行，由plc控制电磁阀定时开关吸砂，砂水分离器与电动开关阀同步运行。STCC生化池分为四格，每格设溶解氧分析仪一台，检测DO值，与设定值比较，调节可调电动阀，控制曝气量。4台回流泵变频运行，控制到目标回流。鼓风机连续运行，PLC通过检测总出风管压力调节风机频率，达到恒压输出，风机房轴流风机与鼓风机联动。污泥浓缩脱水机为一体化机组，中控室通过通讯读取设备状态。污泥脱水间设备主要采用联动控制方式，污泥脱水机组联动控制的设备包括浓缩压滤机、空压机、进泥泵、加药泵、冲洗泵和絮凝制备系统。变配电间plc通过RS-485通信采集变配电间高压进线柜智能仪表电量参数。紫外消毒渠及出厂水质检测自带控制系统，中控室只监不控。根据需要控制消毒设备的开停，根据出水水量控制灯管启动数量[3，4]。

3 系统设计

本课题是基于西门子PLC的监控系统，通过3个PLC实现现场控制并采集相应的信号，通过现场总线和工业以太网将采集的信号送回中央控制室，由中央控制室进行监控。

PLC1为西门子S7-200系列224 PLC，完成粗格栅间、集水井等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。

PLC2主要是完成风机房、细格栅涡流沉砂池等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。PLC3的主要工作是完成STCC净化池、污泥处理间、紫外消毒渠、出水计量等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心，并在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。均选择西门子200系列CPU226的PLC。

EM235是西门子PLC中最常用到的模拟量扩展模块，它拥有4个模拟量输入和1个模拟量输出功能。此次设计主要用到的模拟量输入有温度、流量、频率、压力等。设计中所选用的温度传感器、流量传感器、压力传感器都可以输出标准模拟信号（4-20mA、1-5V、0-20mA、1-10V），因此传感器输出信号可以直接与EM235模块相连接。

通过EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将 S7-200CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络。EM 277 经过串行 I/O 总线连接到S7-200 CPU 。作为DP从站，EM 277 模块接受从主站来的多种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。EM 277 能读写 S7-200 CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到 S7-200 CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在S7-200 CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。 EM 277 PROFIBUS-DP 模块的DP端口可连接到网络上的一个DP 主站上，但仍能作为一个MPI 从站与同一网络上如SIMATIC 编程器或S7-300/S7-400 CPU 等其它主站进行通信。

系统中污水提升泵（PLC1）和鼓风机（PLC2）中用到变频控制。变频器采用西门子的MM400系列。

在过滤阶段如果需要反冲洗滤池则需要进入手动反冲洗过程，等待反冲洗过程的四步完成后，继续进入自动的工作流程。工作过程，如图2所示。4 结 论

在设计过程中，充分考虑到系统的安全可靠。从硬件和程序方面设计了多重保护，使系统能够长时间安全稳定运行。整个监控系统实现了远程的监视和控制，根据各部分返回的参数变化，在终端对整个流程进行控制。通过生产检验，该系统运行安全可靠设计符合要求。

参考文献

[1] 《污水综合排放标准》GB8978-96[S].

[2] 《城市污水处理厂污水、污泥排放标准》CJ3025-93[S].

[3] 高超，韩丹.污水处理厂电气设计若干问题探讨[J].黑龙江科技信息，2009（23）：52-56.

[4] 蒋兴加. 现场总线变配电系统在智能建筑中的应用设计[J]. 低压电器，2007，（10）：43-47.

本监控系统通过现场PLC站的PLC采集相关信号数据，经由现场总线PROFIBUS传输，通过工业以太网连接，将采集到的信号送到中央控制室处理，然后由中央控制室发出相应的控制信号，控制系统的正常运行。系统要求粗格栅机定时开停机，运行时间间隔及运行时间可调。污水泵3台潜水泵的变频运行，在全自控状态，根据泵房液位高低和各自累计工作时间多少决定自动开停顺序。细格栅机根据设定的时间运行，时间间隔及运行时

间可调。排沙设备控制桨叶分离连续运行，由plc控制电磁阀定时开关吸砂，砂水分离器与电动开关阀同步运行。STCC生化池分为四格，每格设溶解氧分析仪一台，检测DO值，与设定值比较，调节可调电动阀，控制曝气量。4台回流泵变频运行，控制到目标回流。鼓风机连续运行，PLC通过检测总出风管压力调节风机频率，达到恒压输出，风机房轴流风机与鼓风机联动。污泥浓缩脱水机为一体化机组，中控室通过通讯读取设备状态。污泥脱水间设备主要采用联动控制方式，污泥脱水机组联动控制的设备包括浓缩压滤机、空压机、进泥泵、加药泵、冲洗泵和絮凝制备系统。变配电间plc通过RS-485通信采集变配电间高压进线柜智能仪表电量参数。紫外消毒渠及出厂水质检测自带控制系统，中控室只监不控。根据需要控制消毒设备的开停，根据出水水量控制灯管启动数量[3，4]。

3 系统设计

本课题是基于西门子PLC的监控系统，通过3个PLC实现现场控制并采集相应的信号，通过现场总线和工业以太网将采集的信号送回中央控制室，由中央控制室进行监控。

PLC1为西门子S7-200系列224 PLC，完成粗格栅间、集水井等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。

PLC2主要是完成风机房、细格栅涡流沉砂池等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心。PLC3的主要工作是完成STCC净化池、污泥处理间、紫外消毒渠、出水计量等工艺参数和设备状态的采集并发送至控制中心，并在远程状态下接受控制中心对各工艺设备的控制命令。均选择西门子200系列CPU226的PLC。

EM235是西门子PLC中最常用到的模拟量扩展模块，它拥有4个模拟量输入和1个模拟量输出功能。此次设计主要用到的模拟量输入有温度、流量、频率、压力等。设计中所选用的温度传感器、流量传感器、压力传感器都可以输出标准模拟信号（4-20mA、1-5V、0-20mA、1-10V），因此传感器输出信号可以直接与EM235模块相连接。

通过EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将 S7-200CPU 连接到 PROFIBUS-DP 网络。EM 277 经过串行 I/O 总线连接到S7-200 CPU 。作为DP从站，EM 277 模块接受从主站来的多种不同的I/O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。EM 277 能读写 S7-200 CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到 S7-200 CPU中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在S7-200 CPU中的变量存储器内，并可移到其它数据区。 EM 277 PROFIBUS-DP 模块的DP端口可连接到网络上的一个DP 主站上，但仍能作为一个MPI 从站与同一网络上如SIMATIC 编程器或S7-300/S7-400 CPU 等其它主站进行通信。

系统中污水提升泵（PLC1）和鼓风机（PLC2）中用到变频控制。变频器采用西门子的MM400系列。

在过滤阶段如果需要反冲洗滤池则需要进入手动反冲洗过程，等待反冲洗过程的四步完成后，继续进入自动的工作流程。工作过程，如图2所示。4 结 论

在设计过程中，充分考虑到系统的安全可靠。从硬件和程序方面设计了多重保护，使系统能够长时间安全稳定运行。整个监控系统实现了远程的监视和控制，根据各部分返回的参数变化，在终端对整个流程进行控制。通过生产检验，该系统运行安全可靠设计符合要求。

参考文献

[1] 《污水综合排放标准》GB8978-96[S].

[2] 《城市污水处理厂污水、污泥排放标准》CJ3025-93[S].

[3] 高超，韩丹.污水处理厂电气设计若干问题探讨[J].黑龙江科技信息，2009（23）：52-56.

[4] 蒋兴加. 现场总线变配电系统在智能建筑中的应用设计[J]. 低压电器，2007，（10）：43-47.