基于SBR的PLC污水处理自动控制系统

　　随着人民生活水平的日益提高、城市规模的不断扩大，产生的生活污水越来越多。为了缓解水污染带来的环境压力，各种污水处理厂应运而生。目前，有许多污水处理厂采用了自动控制系统，但是与发达国家相比，我国自行研制的污水处理自动控制系统存在许多不足，有待进一步完善。因此，设计一种运行高效可靠、经济实惠的污水处理自动控制系统变得尤为重要。

　　一、SBR工艺

　　SBR工艺是污水处理工艺的一种，采用的是间歇曝气的方式处理污水。SBR的核心是SBR反应池，污水主要处理过程也是发生在SBR反应池，该反应池有均化、初沉、生物降解、二沉等功能，如图1所示。处理污水过程的有序、间歇操作是SBR的一大特征。特别适合流量变化比较大和间歇排放等场合。SBR工艺的优点如下：

　　(1)可以防止污泥膨胀;

　　(2)沉淀的效果非常好;

　　(3)除磷脱氮的效果好;

　　(4)反应效率非常高，对于一般难以的降解有机物，SBR工艺可以将其降解;

　　(5)工艺比较简单，不需要二沉池，不需要污泥回流，成本较低。

　　二、控制系统总体设计

　　本次研究的污水处理自动控制系统采用PLC作为控制器，PLC控制系统性能稳定，成本较低。在污水处理现场需要对多个传感器的数据进行实时采集，PLC处理数据之后再对现场多个电气设备进行控制，控制回路错综复杂。为了简化控制回路，引入现场总线控制技术。在对比众多的现场总线技术后，选择了PROFIBUSGDP。PROFIBUSGDP既可应用于过程自动化领域，也可以适用于工厂自动化领域，并且PROFIBUSGDP网络功能十分完善，控制网络的组态也比较简单。将现场总线控制与PLC控制相结合，利用现场总线和PLC的优点，既避免了冗杂的控制回路，又有效地降低了成本。

　　PLC作为PROFIBUS的主站，负责接受和处理现场传感器采集的信号还有对现场的电气设备进行检测和控制;现场风机由变频器进行控制，通过调节电流的频率来调节风机的转速，从而调节接触氧化池内污水的含氧量，变频器和PLC通过PROFIBUS进行通信;现场的提升泵、污泥泵和回流泵等由MCC进行控制，MCC和PLC通过PROFIBUS进行通信;WinCC组态软件作为上位机，操作员可通过上位机对现场电气设备进行监控和控制。具体结构如图2所示。

　　此污水处理自动控制系统最大处理能力为每小时处理生活污水80m3，整个控制系统一共有15个控制回路，包含23个模拟量输入，8个模拟量输出。具体的控制回路如表1所示。

　　三、硬件设计

　　3.1 PLC选型

　　污水处理自动控制系统需要运行几十年，因此在选择PLC时，要充分考虑PLC的先进性和稳定性。相比于国内的PLC，西门子PLC性能更好，稳定性更佳。因此选用西门子PLC。

　　西门子PLC也有很多系列，包括S7G200、S7G1200、S7G300、S7G400、S7G1500等。本次污水自动控制系统规模不大，在处理能力方面，S7G300完全可以胜任本系统的控制任务。所以选择S7G300系列PLC。

　　在CPU选型过程中，为了满足主站和从站的通讯要求，选择带有DP接口的CPU。CPU315G2DP运行内存远大于CPU314，处理速度与执行时间也优于CPU314，可以满足本系统对处理器的要求。最终选择CPU315G2DP。表2为PLC各模块选型。

　　3.2 变频器选型

　　污水处理自动控制系统需要对罗茨风机进行变频调速，采用的变频器为西门子变频器MM440，MM440应用非常广泛，功能也比较齐全。采用矢量控制技术的MM440可提供低速高转矩输出，同时具备很强的过载能力。MM440变频器主要特征如下。

　　(1)交流三相：380~480V，功率0.37~250kW。

　　(2)采用两种矢量控制方式：闭环矢量控制和闭环转矩控制;过载能力较强;参数结构和调试软件都是标准化的;具有内置参数可调的PID控制器。

　　(3)具有三种U/F控制：包括线性U/F控制、平方U/F控制和可编程多点设定的U/F控制。

　　(4)输入：6个数字量，2个模拟量;输出：2个模拟量，3个继电器。

　　(5)可选择PROFIBUSGDP通信模块和DeviceGNet通信模块。

　　3.3 变频器风机控制电路

　　此污水处理自动控制系统中一共使用两个罗茨风机。风机把压缩空气送到接触氧化池，从而将接触氧化池中污水的含氧量控制在合适范围内，加快生物反应速率。其中一个变频器风机的控制电路如图3所示。

　　3.4 MCC选型

　　MCC(MOTORCONTROLCENTER)是电动机控制中心的简称，用于对现场水泵的控制和监视。MCC的应用可以减少模拟量变送器和I/O卡件的个数，简化电机的控制回路，有利于后期的维护和安装，降低后续成本。

　　已选用了西门子PLC作为控制系统主站，MCC从站也选用西门子公司的产品。SIMOCODEpro是西门子生产的智能电机管理控制系统，可以满足对现场水泵的控制要求。SIMOCODEpro带有PROFIBUSGDP标准接口，可以直接实现与DP网络的联结。因此选择SIMOGCODEpro系列产品。

　　3.5 MCC水泵控制电路

　　MCC需要对现场的提升泵、回流泵和污泥泵进行控制，使污水处理正常有序地进行。其中一个提水泵控制电路如图4所示。

　　四、结语

　　基于SBR的PLC污水处理自动控制系统编程简单，故障率比较低，维护起来也很方便，运行稳定。在保证污水处理合格的前提下，充分发挥了PLC编程简单、功能强大、稳定性强、维护方便的优点。加上WinCC监控系统，能够实时监控系统的运行状态，及时发现故障和异常情况，保障了污水处理系统的安全、稳定和可靠性。(来源：内蒙古科技大学信息工程学院)