基于欧姆龙PLC的污水处理系统设计

摘要

目前，我国大多数污水处理控制系统自动化水平不高、安全性低，效率普遍低于世界标准，而且污水处理成本居高不下，污水厂排放的处理过的污水的水质不稳定。污水处理系统中的曝气过程控制、数据通讯和监控管理是急需解决的主要问题。所以如何建立有效的自控系统，优化运行效果，减少运行费用，具有重要意义。

本系统设计的污水处理采用A2/O处理工艺， 整个监控系统分为三部分:现场数据采集部分，完成数据采集功能；现场控制单元，分现场控制柜和PLC站，现场控制柜主要完成手动控制，PLC站主要完成数据处理、自动控制及通讯功能；上位监控部分，主要监视现场各工艺流程运行状况并实施远程控制功能。

本系统以OMRON公司的PLC作为数据采集及控制单元，配合各种检测仪表和控制设备对污水的液位、流量、pH值、温度及溶解氧浓度等控制量进行数据采集。同时，按照控制要求对各个现场设备如粗细格栅、提升泵、鼓风机等进行相应控制。根据工艺流程和控制要求设立了3个分布站，各站通过以太网与上位机相连。上位机通过组态王和各站进行数据交换，从而实现集中控制。

关键词：污水处理，PLC，工艺流程

Abstract

At present, the majority of our sewage treatment control system automation level is not high, low security, efficiency is generally lower than the world standard. And high cost, the quality of sewage treatment is unstable. In the sewage treatment system, the aeration process control, data communications and monitoring and management are the main issues that need to be resolved. So how to establish effective automatic control system to optimize the operating results, and reduces operating costs is of great significance. The system of sewage treatment plant using the A2/O processing technology, the whole monitoring system is divided into three parts: the field data acquisition, to complete the data acquisition function; field control unit, divided into the control cabinet and PLC station, the control cabinet is mainly to complete the manual control, PLC station mainly completes the data processing, automatic control and communication; PC monitoring section, the main surveillance site the process operating conditions and the implementation of remote control function.

This system using OMRON PLC as the data collection and control unit, with a variety of instrumentation and control equipment for sewage liquid level, flow rate, pH value, temperature and dissolved oxygen concentration control data collection, at the same time, in accordance with the requirements of the control the field equipment such as thickness grille, lifting pump, blower and the corresponding control. The system according to the technical process and control requirements for the establishment of 3 distribution stations, each station through the Ethernet and the PC connected. PC is using Kingview to exchange data with each station, thus realizing the centralized control.

Keywords：Sewage treatment, PLC, process

目录

摘要 .................................................................... I ABSTRACT ................................................................ II 目录 .................................................................. III 前言 ................................................................... VI 第一章 绪论 ............................................................. 1 1.1 1.2 1.3 1.4

城市污水处理国内外发展现状 ...................................................................................... 1 课题研究的目的和意义 ................................................................................................ 2 本论文的主要工作 ...................................................................................................... 2 本章小结 .................................................................................................................... 3

第二章 城市污水处理的工艺流程 .............................................. 3 2.1 污水处理指标 ................................................................................................................. 3 2.2 污水处理的基本工艺方法 ................................................................................................. 5 2.3 本系统采用的工艺介绍 .................................................................................................... 6 2.4 本章小结 ........................................................................................................................ 7 第三章 城市污水处理控制系统方案设计 ......................................... 8 3.1 设计原则 ........................................................................................................................ 8 3.2 设计思想 ........................................................................................................................ 8 3.3 系统构成 ........................................................................................................................ 8 3.3.1系统结构图 .............................................................................................................. 8 3.3.2 各单元功能描述 ....................................................................................................... 9 3.4 本章小结 ...................................................................................................................... 10 第四章 控制系统硬件设计 .................................................. 11 4.1 仪表系统 ...................................................................................................................... 11 4.1.1 仪表选型原则 ........................................................................................................ 11 4.1.2本系统主要仪表 ...................................................................................................... 11 4.2 PLC1站设计 .................................................................................................................. 12 4.2.1粗格栅 ................................................................................................................... 12 4.2.2 提升泵房 ............................................................................................................... 12 4.2.3 细格栅 .................................................................................................................. 13 4.2.4 曝气沉砂池 ........................................................................................................... 13 4.2.5 控制柜设计 ........................................................................................................... 14 4.2.5.1 OMRON CJ1M介绍 ............................................................................................. 14 4.2.5.2 PLC1站设计 .................................................................................................... 14 4.2.5.3 PLC1站选型 .................................................................................................... 15 4.3 PLC2站设计 .................................................................................................................. 16 4.3.1 鼓风机电器控制原理 .............................................................................................. 16 4.3.2 控制柜设计 ........................................................................................................... 18

4.3.2.1 PLC2站设计 .................................................................................................... 18 4.3.2.2 PLC2站选型 .................................................................................................... 18 4.4 PLC3站设计 .................................................................................................................. 18 4.4.1 生化反应池 ........................................................................................................... 19 4.4.2 二沉池 .................................................................................................................. 19 4.4.3 污泥回流泵房 ........................................................................................................ 19 4.4.4 污泥贮池 ............................................................................................................... 19 4.4.5 控制柜设计 ........................................................................................................... 20 4.4.5.1 PLC3站设计 .................................................................................................... 20 4.4.5.2 PLC3站选型 .................................................................................................... 20 4.5 本章小结 ...................................................................................................................... 21 第五章 控制系统软件设计 .................................................. 23 5.1 PLC编程 ....................................................................................................................... 23 5.1.1 编程软件 ............................................................................................................... 23 5.1.2 PLC编程 ................................................................................................................ 23 5.1.2.1 硬件组态 ........................................................................................................ 23 5.1.2.2 程序设计 ........................................................................................................ 24 5.2 上位监控画面设计 ......................................................................................................... 28 5.2.1 图形界面设计 ........................................................................................................ 28 5.2.2 定义设备 ............................................................................................................... 31 5.2.3 定义变量 ............................................................................................................... 32 5.2.4 定义动画连接 ........................................................................................................ 34 5.2.5 建立上位机的曲线、报表和报警系统 ....................................................................... 35 5.2.6 其它设置 ............................................................................................................... 38 5.3 系统调试 ...................................................................................................................... 41 5.4 本章小结 ...................................................................................................................... 41 结论 ................................................................... 43

前言

随着近年来经济飞速发展对人民的生活也带来了巨大的变化，但城市的基础设施滞后于经济发展，特别是城市污水问题日益突出。为响应国家扩大内需的要求和解决我国在污水处理自动控制系统起步较晚，污水处理效率低和成本高等方面的问题，研究设计适合自己的污水处理系统，解决水污染的问题和水资源匮乏的问题。根据污水处理工艺的不同，每种污水处理模式都有其适应性的问题，在不同的地方根据环境状况选择不同的污水处理工艺非常重要。而本篇论文设计的污水处理自动监控系统采用

A2/O工艺，论文首先介绍了污水处理的工艺流程，各个部分的功能和控制要求，再

以此画出控制流程图，进行网络的配置和连接，最后通过对系统的硬件选型和软件编程和组态进行实现。

第一章 绪论

水是生命的源泉，人离不开水。水一旦被污染，它对人类身体的危害、生态环境

的破坏是显而易见的。而水污染问题已成为世界各国关注的问题。如今水污染对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大阻碍。据权威机构调查，在发展中国家，各类疾病有8%是因为饮用了不卫生的水而传播的，每年因饮用不卫生水全球至少造成2000 万人死亡。因此，水污染问题越来越被人类重视。

1.1 城市污水处理国内外发展现状

随着人口的不断增加，经济的不断发展，人类不但消耗大量的水资源，而且还

随意的乱砍滥伐和不合理的放牧以及向环境大量排入污染物，造成水资源环境明显恶化，使全球可利用的淡水日益减少，供需矛盾日益加剧。而供人类使用的淡水仅占地球上总水量的0.34％，目前世界60﹪的地区供水不足，许多国家用水紧张。自上个世纪以来，全世界淡水使用量增加了近8 倍。其中，城市生活用水增加了12 倍，工业用水增加了20 倍，且每年仍以5%左右的速度递增。全球目前有14％以上的水体约5000 立方千米受到污染，污染导致本来就紧缺的水资源量大减，供需矛盾更加严重。在亚洲有60%的地区缺水；在非洲连年干旱有85%的地区缺水，缺水已直接威胁到生存；美洲，欧洲出现用水紧张的现象，现今全球有80 多个国家正面临着水资源不足，俄罗斯、加拿大也受到威胁，16%的城市人口缺水，约12 亿人严重缺少饮用水，在发展中国家约有10 亿多人达不到安全用水[1]。

污水处理是经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。污水处理在发达国 家已有较成熟的经验。如。英国、德国、芬兰、荷兰等欧洲国家均已投资对因工 业革命和经济发展带来的水污染进行治理；日本、新加坡、美国、澳大利亚等国 家也对污水处理给予了较大的投资，特别是新加坡并没有走先污染后治理的道 路，而是采取经济与环境协调发展的政策。国外对污水的处理主要是通过建造污水处理厂。美国平均每1 万人拥有一座污水处理厂；瑞典和法国每5000 人有一座污水处理厂；英国和德国每7000~8000 人拥有一座污水处理厂。国外城市都在为污水处理普及率达到100%而努力，将推广低能耗高性能的污水处理工艺技术，提高水处理排放的标准，完善污水处理的有关政策。

我国的城市污水量正以每年6.5%的速度增大，然而由于资金、能源等方面原因的制约，城市污水处理率很低，我国在建国初期只有几个过去有国外租界留下来的城市污水处理厂，日处理量还不过万吨；解放后，城市污水处理厂有了较大的发展，特别是“六五”期间；截止1987 年底全国污水处理厂建成投产的已有78 座；至1990 年有污水处理厂的城市56个，省和直辖市增加到21个；1999 年全国建成污水处理厂389 座，处理率为29.65%。同发达国家相比，我国城市污水处理事业无论数量、规模、普及率还是自动化程度，都存在着较大的差距。

1.2 课题研究的目的和意义

我国的人口多，城市多，企业多，所需的污水厂也多。而我国污水处理事业起步较晚，目前还处于发展阶段，国内大部分城市污水处理厂都是引进国外的设备和技术，虽然在污水处理上取得了一定的效果，但引进国外技术和设备存在以下问题：1．引进费用昂贵；2．维护费昂贵，维护不方便；3．不利于培养我国相关专业的工程技术人员。另外，我国经济发展水平还比较低，资金匮乏，投资力度不足等诸多因素，造成我国的污水处理技术处于较低的水平。为了改变我国污水处理技术现在，中央政府、有关职能部门和研究机构都倾注了较大的注意力，非常重视开展这方面的研究。

因此，对于我国这样一个污水严重、水资源短缺的国家，研制出一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低、自动化水平较高的污水处理控制系统对我国经济的发展具有重大的现实意义。

1.3 本论文的主要工作

本课题应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态技术、电力电子控制技术以及网络通信技术等，结合污水处理厂的特点，设计出运行状态和参数能够自动检测和自动控制、具有自动故障应急处理能力并且具有网络通信能力的高性能、高可靠性的污水处理厂自动监控系统。本文的研究内容包括如下几个部分：

l)了解污水处理工艺，分析各设备在污水处理厂的功能及控制要求，确定总体的控制方案。

2)自动控制系统控制柜的设计及各工艺控制流程图和程序的开发;

3)上位机监控软件的开发;上位机的人机界面采用北京亚控公司的组态王6.55

开发，通过不同协议分别与西门子PLC、欧姆龙PLC进行数据通讯，完成数据采集、处理、监督及控制功能。

1.4 本章小结

本章主要介绍了城市污水处理国外的发展现状，分析了本课题研究的意义，以及介绍了本论文该做的主要工作。

第二章 城市污水处理的工艺流程

2.1 污水处理指标

城市污水的主要来源：①生活污水：日常生活中用过并被生活废料所污染的水，

包括：卫生间、厨房、洗衣房，其他还包括公共场所、机关、学校、医院、餐饮业以及工厂中的各种生活用水②工业废水：工业生产过程中排放的水，主要夹带了生产过程中所用的原料，反应的中间体，产物等。③降水。

为了检测污水处理系统的处理效果，国家规定了许多水质指标。水质指标主要包括：温度、色度、浑浊度、溶解性固体和悬浮性固体（SS）、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、总需氧量（TOD）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮、有毒有害有机污染物、细菌总数、总大肠杆菌数、pH值等。下面主要介绍几个常用指标[2]。 1.生化需氧量(BOD)

生化需氧量(BOD)，是表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指标，是目前城市污水和大多数有机废水广泛采用的污染指标。它说明水中有机物因微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量，单位为mg/L。其值越高，说明水中有机污染物质越多，污染也就越严重。污水耗氧速度一般在开始时最快，5天内能降低BOD68%左右，因此目前实际应用中常规定，将污水在20℃温度下培养5天，作为BOD检验的标准，在此条件下测得的结果称作5日生化需氧量，记作 。一般要求经过污水处理后的废水，其BOD必须小于或等于40mg/L。 2.化学需氧量(COD)

化学需氧量(COD)，是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为二氧化碳和水所消耗的氧量，单位为m留L。与BOD相比，COD能在较短时间内，较精确地测出废水中耗氧物质的含量，而不受水质的限制，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。在城市污水处理分析中，常用BOD/COD的比值来分析污水的可生化性。可生化性好的污水BOD/COD≥ 0.3。 3.悬浮固体(SS)

悬浮固体是水中未溶解的非胶态的固体物质，在条件适宜时可以沉淀。悬浮 固体可分为有机性和无机性两大类，反映污水汇入水体后将发生的淤积情况，其 含量的单位为mg/L。 4.PH值

酸度和碱度是污水的重要污染指标，用pH值来表示。一般生活污水呈中性或弱碱性，工业污水多呈强酸或强碱性。一般污水的pH值均在6.5-9，当pH<6或者pH>9都会影响生物处理，并对混凝上和金属有腐蚀作用，这时需要进行污水预处理并对处理设备进行防腐蚀处理。 5.温度

废水温度过高而引起的危害叫做热污染，废水温度过高，使水体溶解氧浓度降低，相应含氧量随之减少，另一方面，水温升高会导致生物耗氧速度加快，促使水中溶解氧更快耗尽，水质恶化。因此必须控制废水温度，一般废水温度控制在35℃以内。

2.2 污水处理的基本工艺方法

现代污水处理技术，按原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类[3]。如下图2-1所示。

一级处理，又称物理处理。主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，可去除50%的悬浮物，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。

二级处理，又称生化处理。主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD.COD物质)，去除率可达90%以上，污水中BOD值可降至20-30mg/L，使有机污染物达到排放标准。

三级处理，又称深度处理。进一步处理难降解的有机物，氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法、混凝沉淀法、砂率法、活性炭吸附法、离子交换法和电渗分析法等。

未处理污水及雨水格栅+沉砂池栅渣与沉沙卫生填埋上层清液污泥处置或再利用雨水处理处理后雨水排入水体一级处理出水适合排入敏感性较差的水体污泥处理二级处理出水适合排入通用水体三级处理出水设和排入敏感性水体及农用消毒工艺流程线到受纳水体到污泥处置出水适合排入游泳水体（稀释/自然死亡能达到细菌标准）高级处理出水适合于质量要求高的再利用

图2-1 污水的三级处理

2.3 本系统采用的工艺介绍

本文设计的污水处理系统采用A2/O (厌氧-缺氧-好氧) 工艺，A2/O工艺是20

世纪70年代由美国专家在厌氧-好氧除磷工艺（A/O）的基础上开发出来的[4]，它具有同步脱氮除磷功能。由于将脱氮除磷统一在一个系统中，所以简化了污水处理的操作，又增加了处理工艺的功能。该工艺为污水回用和资源化开辟了新的途径，具有良好的环境效益和经济效益。它是生物脱氮除磷工艺中应用较多的一种方法。其总体工艺流程图如图2-2所示。

污水处理流程：污水进入厂区,先通过进水井（让厂能处理的污水进入厂区进行处理）进入粗格栅（打捞较大的渣滓）到进水泵房（提升污水的高度）到细格栅（打捞较小的渣滓）到曝气沉沙池（在旋流的离心力作用下，这些密度较大的砂粒被甩向外部沉入集砂槽，而密度较小的有机物随水流向前流动被带到下一处理单元。另外，在水中曝气可脱臭，除泡以及加速污水中油类和浮渣的分离，改善水质，有利于后续处理，还可起到预曝气作用）到生化池（采用A2/O法去除污水里的BOD5、SS和以各种形式的氮或磷）进入终沉池（排除剩余污泥和回流污泥）进入D型滤池（进一步减少SS，使出水达到国家一级标准）进入紫外线消毒（杀灭水中的大肠杆菌）然后出水。生化池、终沉池出的污泥一部分作为生化池的回流污泥，剩下的送入污泥脱水间脱水外运。

鼓风机房污水进水井粗格栅进水泵房细格栅曝气沉砂池厌氧缺氧好氧二沉池紫外线消毒出水A2/O生化反应池污泥回流泵房污泥贮池脱水机房泥饼外运卫生填埋

图2-2 城市污水处理工艺流程图

2.4 本章小结

本章首先介绍了污水处理的主要指标，然后介绍了污水处理的基本工艺方法，最后对本系统采用工艺进行了介绍，阐述了整个工艺流程。

第三章 城市污水处理控制系统方案设计

3.1 设计原则

污水处理控制系统的设计要结合我国国情，设计时按照以下原则进行：

(1) 严格执行环境保护的各项规定，确保经处理后的污水的排放水质达到有关排

放标准；

(2) 采用的系统应技术先进、运行可靠、操作维护管理简单； (3) 在保证处理效果的前提下尽量降低工程投资和运行成本； (4) 采用的系统必须是开放的，可扩展的。

3.2 设计思想

根据污水处理的工艺要求及现场环境，本系统主要采用了工业控制计算机(IPC)+可编程控制器(PLC)+现场检测仪表的监控模式。本控制系统通过现场检测仪表采集工艺参数，PLC作为主要现场控制单元，根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。利用IPC作为上位机，进行复杂的数据处理。通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。整个自动化监控系统完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。

3.3 系统构成

3.3.1系统结构图

整个系统由中央控制室、各分布PLC控制站和现场仪表及电控柜构成三级 监控网络。系统结构如图3-1所示。

工业控制计算机以太网交换机PLC1PLC2PLC3阀门风机离心泵温度计传感器

图3-1系统结构图

3.3.2 各单元功能描述 一、中央控制级

中央控制级工业控制计算机构成，既能完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等，又能完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能。 二、分布式控制站

监控系统共设PLC1-PLC3 三个分布控制站，现场PLC完成对各点信号的采集及控制。现场PLC站通过工业以太网与中央控制室的工控机连接。当控制模式选择置于“远程”位置时，操作人员将不能利用电气控制柜或电控箱上的启/停按钮对设备进行运行/停止操作，此时设备的控制权交给工业控制计算机控制，PLC将根据操作员站的控制指令，由PLC控制程序“自动”或“手动”控制设备的运行。 三、现场控制柜及仪表系统

各现场控制柜具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个PLC站连接，将各设备状态信号传送到PLC的相关采集模块。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态选择开关打到自动状态，远程控制程序才起作用。仪表系统用来连续测量污水处理厂工艺流程中的主要工艺参数，并将测量数据送入计算机数据采集及监控系统。整个污水厂的过程检测仪表分散设置于各个工艺处

理构筑物内及工艺管道上。

3.4 本章小结

本章首先介绍了本系统设计的原则和思想，主要说明了系统的构成及各个单元的功能，将整个设计思路解释清楚。

第四章 控制系统硬件设计

要构成一个控制系统，首先应根据控制要求对硬件进行选型配置，然后通过网络把各部件连接起来，形成控制系统的框架。再通过软件编程、组太，从而形成一个能实现一定功能要求的系统。本系统的硬件设计包括仪表的选型、各PLC站的具体设计、中央监控室的设计及数据通讯网络的选择等。

4.1 仪表系统

4.1.1 仪表选型原则

仪表选型应根据工艺装置的规模、工艺流程特点和操作要求等因素确定的控制方式进行，主要有以下几个原则[5]:

(1) 选用的仪表必须性能先进、运行稳定可靠；

(2) 量程选择应保证仪表长期工作在满量程的2/3左右。在满足工艺要求的前提下，

不必追求过高的测量精度，以节省投资；

(3) 仪表的防护等级应不低于IP65，在短时浸水场合，防护等级为IP67，在长期

浸水场合，防护等级为IP68； (4) 仪表应便于安装、检修；

(5) 在同一工程项目中，仪表品种规格不宜过多，应力求统一。

4.1.2本系统主要仪表

根据控制要求，本系统主要选择以下仪表对参数进行检测:

表4-1 主要仪表及分布位置 位置 仪表 进出水管道 智能明渠流量计 格栅 提升泵房 鼓风机房 曝气沉砂池 生化反应池 二沉池 污泥回流泵房 污泥贮池 出水渠

差压式液位计 弹簧式液位计 超声波液位计、压力变送器、COD测定仪 压力计、温度计 pH计（带温度计） 溶氧仪 溶氧仪、污泥浓度计、氧化还原电位检测仪 污泥浓度计 流量计、超声波液位计、污泥浓度计 超声波液位计、污泥浓度计 流量计（超声波时差流量计）、COD测定仪 4.2 PLC1站设计

PLC 1站主要负责粗格栅、提升泵、细格栅、曝气沉砂池等位置仪表的数据采集及设备控制。 4.2.1粗格栅

在粗格栅间共设有2个粗格栅，粗格栅的主要作用是除污水中大块漂浮物。粗格栅能够根据PLC程序或上位机设定的时间实现轮流自动启停。粗格栅的启停可由上位机直接远程控制机，也可以通过现场控制柜实现手动控制。

与粗格栅关联的设备螺旋压榨机负责将粗格栅过滤出的悬浮物脱水、粉碎。在控制时，为确保设备安全，应使粗格栅与螺旋压榨机联动，以防止螺旋压榨机空转。联动顺序为：螺旋压榨机、粗格栅，关机顺序相反。螺旋压榨机在粗格栅停止之再运行30-60s。螺旋压榨机故障时，粗格栅停止运行。 4.2.2 提升泵房

提升泵房水泵主要用来将粗格栅间流出的污水提升到细格栅间。在提升泵房，需要测量和控制的是四台提升泵的运行状态以及他们的启停。

四台提升泵三用一备，通过切换开关既可手动控制也可自动控制，自动控制过程大体如下:首先通过上位机设定超低、低、中低、中、中高、高、超高七个水位值，正常时只启用一台提升泵，即可使水位维持在中水位，当水位上涨到中高水位时则开一台停止时间最长的提升泵，若此时水位仍然继续上涨，则涨到高水位时再开一台提升泵，当上涨到超高水位时报警;若水位下降到中低水位时则关一台工作时间最长的提升泵，若水位持续降低，当到低水位时，则关另一台提升泵，当水位降至超低水位

时，停泵并报警。 4.2.3 细格栅

细格栅的目的在于拦截污水中的大量细小的漂浮物，为污水处理厂的各类设备提供更好的运行条件。对于细格栅的控制，可通过现场柜实现手动控制，也可对细格栅进行远程控制。细格栅的运行状态信号送至PLC站，以监视其行情况。细格栅也要和螺旋压榨机实现联动，以保证设备安全。

为检测细格栅前后水位差，在格栅前后安装压阻式液位计。变送器输出4-- 20mA电流信号，接入PLC站，然后送往中央控制室上位机监测显示。PLC可以根据细格栅前后液位差对细格栅进行自动启停控制。 4.2.4 曝气沉砂池

为检测污水的pH值和温度，在曝气池前安装了pH十温度计P53+6028P0，其输出4-20mA的模拟信号送入PLC，再送到中控室监视[6]。

沉砂池的作用是为了避免砂粒对处理工艺和设备带来的不利影响。砂粒进入生化池内会使污泥刮板过度磨损，缩短更换周期;进入曝气池，在池底沉积，减少有效容积，有时还会堵塞微孔扩散器；大量砂粒进入浓缩池将可能堵塞排泥管路，使排泥泵过度磨损;砂粒进入带式压滤脱水机将大大损伤脱水机，并使滤布过度磨损。以上情况足以说明除砂对污水处理的重要性，也是城市污水收集系统杜绝砂粒进入污水管道的原因。

曝气沉砂池是在池的一侧通入空气，使污水沿池旋转前进，从而产生与主流垂直的横向恒速环流。通过调节曝气量，控制污水的旋流速度，可使除砂效率稳定。沉砂池内部有一台桥式吸砂机、两台吸砂泵和一台砂水分离器，其主要作用是将砂粒吸走，需要对其进行监测和控制。吸砂机和吸砂泵的启停，可由现场控制柜手动控制，也可以由中央控制室的上位机进行远程控制。吸砂泵与砂水分离器联动运行。联动顺序:砂水分离器一吸砂泵，关机顺序相反。

鼓风机给曝气池鼓风，鼓风机由PLC根据时间控制启停，自动轮换，运行时间均等。

4.2.5 控制柜设计

PLC柜是实现现场自动控制的核心。各PLC分布控制站主要负责采集现场各个传感器的信号，除了把信号转换后传给上位机，由上位机进行显示和控制外，还要根据控制要求对现场控制柜和执行机构做出相应的自动控制，所以各分站PLC不但具有中心控制的作用，而且起着数据中转站的作用。由此可见，对PLC的选型十分重要，PLC选型主要考虑以下几方面：

1)CPU处理速度: CPU执行指令速度越快，扫描周期越短，实时性越好； 2)CPU存储器性能:存储器存放程序和数据，存储器容量要达到要求； 3)IO点数:IO点数要达到要求，并留有充分的备用点； 4)通信能力:通信速度和可扩展性也是一个重要指标。 4.2.5.1 OMRON CJ1M介绍

本站的PLC采用OMRON公司CJ1M系列。OMRON公司是世界知名公司，中文资料充足、备品备件方便、技术服务方便、国内有生产维修能力，在国内外水处理行业有大量的成功业绩。为了满足控制性能的要求，PLC选型时充分考虑了可靠性、先进性、可扩充性。能够承受工业环境的要求，具有良好的抗酸性、抗腐蚀性，适应较宽的温度变化范围，选用的PLC设备的平均故障间隔时间(MTBF)均满足系统稳定可靠运行要求。PLC系统结构简单、使用方便、程序编制方法简单易学。

4.2.5.2 PLC1站设计

现场PLC1站具体实现功能为:

l)监视粗格栅、螺旋压榨机及前后启闭机的运行状态，控制粗格栅及启闭机的启停； 2)监视进水CON值；

3)监测提升泵房液位和提升泵的运行状态，并对提升泵进行控制； 4)对细格栅、螺旋压榨机及启闭机运行状态进行监控； 5)监测细格栅出水流量及污水pH值和温度；

6)对曝气池两个闸门、桥式吸砂机、吸砂泵、砂水分离器运行状态进行监视和控制；

7)对曝气池的两台罗茨风机状态进行监控； 8)控制鼓风机房的二台冷却泵。

4.2.5.3 PLC1站选型

根据控制要求，PLC1共需数字量输入86点，数字量输出29点，模拟量输入15路，另外预留20%的IO点备用，故PLC1站控制柜内部设备如下: (l)稳压电源及UPS

由于污水处理现场环境比较恶劣，现场的水泵、鼓风机、电动机等大功率感性负载较多，容易引起电源波动，且系统要求配备不间断电源，故配备稳压电源和UPS。 (2)PLC单元 l)CPU模块

选用 OMRONCJ系列 CJIM13-EIN.它带有RS-232接口和以太网接口，可用于中大规模的I/0配置。它具有20K字的程序存贮器，4096个计数器，4096个定时器，定时范围0.lms-999.9s。每个系统可以扩展一个机架，最多可有19个模块。 2)电源模块

选用CJIW-PA205R电源模块，给CPU供电。 3)数字信号模块(DI/OO)

CSIW-ID211 16点开关量输入模块，共8块，地址:0.00-7.15。 CSIW-OC211 16点开关量输出模块，共2块，地址:8.00-9.15。 4)模拟信号模块(AI/AO)

CSIW-AD081-V1 8通道模拟量输入模块，共3块，地址:2000-2027。

模拟量输入模块将模拟信号转化为CJIM内部处理用的数字信号，与它相连的外部设备有电压和电流传感器、热电偶和电阻式温度计等。 5)其他

CJIW-IC10l I/O控制模块 CJIW-Ⅱl0l I/O接口模块 CSIW-CN313 扩展电缆 (3)IO点数

根据控制要求对PLC模块选定后，对IO点数及其地址进行分配，以下列出了

部分PLC控制对象及其对应的地址。例如1#粗格栅正转(下降)为开关量输入，1#粗格栅反馈为开关量输出，1#粗格栅前后液位差为模拟量输入。如下图4-1所示。具体详见附录四。

图4-1 PLC1站控制对象及对应地址

4.3 PLC2站设计

PLC 2站主要负责鼓风机的控制。鼓风机的手动控制由鼓风机现场控制柜完成，自动控制方式由PLC系统根据生化池溶解氧设定值及实际值，通过模糊PID算法实现自动鼓风控制。

4.3.1 鼓风机电器控制原理

鼓风机房有3台220KW的离心式鼓风机，风量150m3/min，进气温度20℃，进气压力98kpa，排气压力 169kpa。系统采用施耐德 AfS48C41Q22OKW软起动器，工作在接触器旁路工作模式，实现一拖三控制。在一拖三级联控制系统中，ATS48的运行信号RUN，停止信号STOP和级联信号LIC由PLC的继电器输出给定[7]。电机主回路控制图如图4-1所示。

图4-2 电机主回路控制图

图中1KM1、2KM1、3KM1为电机l#、2#、3#的主接触器，1KM2、2KM2、3KM2为电机l#、2#、3#的旁路接触器。下面以l#电机为例说明电机的启动停止过程。

启动时，按下启动按钮，经PLC延时后，输出一个500ms的脉冲启动信号给ATS48的RUN端，软启动器被允许启动，由于产生运行信号，ATS48内部继电器R1吸合，于是主接触器1KM1合上，ATS48按照设置的启动时间启动；启动结束后，ATS48内部继电器R2合上，于是旁路接触器1KM2合上，此时 1KM1和1KM2同时吸合;在较短的一段时间之后，R2在R1之后失电，1KM1断开，电机继续由1KM2供电，完成整个启动过程。同理可以启动2#电机和3#电机。

停止时，按下停止按钮，经PLC延时后，输出一个5O0ms的脉冲信号给ATS48的LI3端，软启动器级联控制被激活，ATS48内部继电器R1、R2吸合(R2为脉冲信号，R1保持闭合直到电机完全停下来)，于是主接触器1KM1吸合，ATS48与正在运行的电机接上;LI3脉冲信号的下降沿经PLC延时后，输出一个500ms(该时间应大于 100ms)的负脉冲信号给ATS48的STOP端，ATS48的内部继电器R2断开，于是旁路接触器 1KM2断开，ATS48软启动器按已设置的停车时间使电机停车，停车完成后，ATS48内部继电器R1断开，于是主接触器1KM1断开，完成整个停车过程。同理可以停止2#电机

和3#电机。

4.3.2 控制柜设计 4.3.2.1 PLC2站设计

PLC2站要实现的功能主要有:

l)监视鼓风机的运行状态，控制鼓风机启停; 2)监视鼓风机进气温度、排气温度、供油温度; 3)监视鼓风机进气压力、排气压力、供油压力; 4)监视、控制导叶和放空阀的开度。 4.3.2.2 PLC2站选型

根据控制要求，PLC2站共需数字量输入18点数字量输出6点，模拟量输入21路，模拟量输出3路，另外预留20%的I/0点备用，故PLC2站配置如下: l)CPU模块选用315-2DP:6ES7 315-2AG10-0AA0； 2)电源模块选用 6ES7 307-IEA00-0AA0； 3)数字信号模块(DI/DO)

6ES7 321-1BL00-0AA0 32点开关量输入模块，共1块； 6ES7 321-1BH01-0AA0 16点开关量输出模块，共1块； 4)模拟信号模块(Al/AO)

6ES7 331-1KF01-0AB0 8通道模拟量输入模块，共3块； 6ES7 332-1HD01-0AB0 4通道模拟量输出模块，共1块； 5)通讯模块6GK7 343-1EX10-0XE0，用于与上位机的以太网通讯； 6)IM模块 6ES7 365-0BA01-0AA0两块，用于主机架与扩展机架的连接。

4.4 PLC3站设计

PLC3站主要负责生化反应池、二沉池、污泥回流泵房、污泥贮池及紫外线消毒渠等处仪表的数据采集及设备的远程监控。

4.4.1 生化反应池

生化反应池集缺氧、厌氧、好氧于一体，依次分为缺氧区、厌氧区和好氧区三部分，利用综合池内大量活性污泥中的各类微生物降解污水中的有机物并除磷脱氮。 在生化反应池中装有氧化还原电位检测仪、污泥浓度计、含氧量测定仪，以监视氧化还原电位、污泥浓度、含氧量。以上仪表变送器均输出4--20mA电流信号，接入PLC站，然后送往中央控制室上位机监测显示。池内有4台搅拌机，通过切换开关可实现由控制柜手动控制，远程控制或PLC自动控制。 4.4.2 二沉池

二沉池的主要设备为2台刮泥机。有机污染物在活性污泥微生物作用下，沿生化池进行新陈代谢和降解，污泥混合物流入二沉池，在二沉池沉淀、分离，二沉池的澄清水排放。运行刮泥机，大部分的活性污泥流入污泥回流泵房，返回生化反应池。可手动控制:由现场控制柜按钮来控制刮泥机的启停。也可自动控制，可实现上位机远程控制，或自动程序定时控制。在二沉池的清水排放处安装超声波时差流量计用来检测出水流量，送PLC及中控室监视。 4.4.3 污泥回流泵房

污泥泵房内主要设备包括3台污泥回流泵、4个蝶阀和2台剩余污泥泵。污泥回流泵主要功能是将活性污泥送回生化反应池，剩余污泥泵的主要作用是将剩余污泥送入污泥贮池进行均质处理。其运行状态可以在触摸屏和中央控制室监视。可手动控制:由现场电控柜来实现各泵的启停;也可自动控制:在回流污泥渠道安装明渠流量计，回流泵根据生化反应池的混合液悬浮固体(MLSS)及进水流量，确定泵的运行台数，自动转换参与运行的回流污泥泵，使其运行时间均等。剩余污泥泵由PLC根据时间控制启停，同样需自动轮换，运行时间均等。在污泥泵房中安装超声波液位计并设液位开关，其信号送入PLC站，并送入中控室监视。液位开关完成下限停泵的保护。 4.4.4 污泥贮池

污泥贮池用于储存一定量的剩余污泥，保证浓缩机及脱水机的运行时间。剩余污泥通过回流污泥泵房提升至污泥贮池中，经污泥贮池均衡后，进入脱水机房内的浓缩脱水机。污泥贮池内搅拌机连续运行，可通过中控室监控。在污泥贮池中装有超声波

液位计并设液位开关，用以检测污泥贮池液位，并完成下限停泵的保护。 4.4.5 控制柜设计 4.4.5.1 PLC3站设计 PLC3站要实现的功能有: l)控制四台搅拌机的启停；

2)监控生化反应池内的含氧量、氧化还原电位、污泥浓度； 3)控制三台回流污泥泵及四个蝶阀的启停； 4)监控污泥回流二个闸门状态及回流的流量；

5)监控污泥回流泵房的液位，控制二台剩余污泥泵的启停； 6)监控二沉池内两台刮泥机的状态； 7)监视污泥贮池的液位，控制搅拌机的启停；

8)对紫外线消毒渠的二个闸门进行控制，监控出水流量和COD含量。

4.4.5.2 PLC3站选型

根据控制要求，PLC3共需要数字量输入69点，数字量输出24点，模拟量输入17路，模拟量输出1路。另外预留20%的I/O点备用，故PLC3站控制柜内部设备如下； (l)稳压电源及UPS (2)PLC单元 l)CPU模块

选用 OMRONCJ系列 CJIM13-EIN。 2)电源模块

选用CJIW-PA205R电源模块，给CPU供电。 3)数字信号模块(DI/OO)

CSIW-ID211 16点开关量输入模块，共5块，地址:0.00-4.15。 CSIW-OC211 16点开关量输出模块，共2块，地址:5.00-6.15。

4)模拟信号模块(AI/AO)

CSIW-AD081-V1 8通道模拟量输入模块，共3块，地址:2000-2027。

CJ1W-DA08C 8通道模拟量输出模块，共1块，地址:2030-2037。 5)其他

CJIW-IC10l I/O控制模块 CJIW-Ⅱl0l I/O接口模块 CSIW-CN313 扩展电缆 (3)IO点数

根据控制要求对PLC模块选定后，对IO点数及其地址进行分配，以下列出了部分PLC控制对象及其对应的地址。例如1#搅拌机正转为开关量输入，1#搅拌机反馈为开关量输出，氧化还原电位(缺氧区)为模拟量输入。如下图4-3所示。具体详见附录四。

图4-3 PLC3站控制对象及对应地址

4.5 本章小结

本章首先根据控制要求对硬件进行选型配置，包括仪表的选型、各PLC3个站的具体设计、中央监控室的设计及数据通讯网络的选择等。在设计的过程中，还说明了

工艺流程中各个部分的功能及要达到的控制要求，每个站的控制的对象及IO点数分配。

第五章 控制系统软件设计

本监控系统软件设计主要包括PLC程序开发和上位机监控界面的开发。

5.1 PLC编程

5.1.1 编程软件

PLC编程软件采用欧姆龙公司的编程组态软件CX-Programmer9.3，适用于OMRON各系列的PLC，它可完成用户程序的建立、编辑、检查、调试以及监控，同时还具有完善的维护功能，使得程序的开发及系统的维护更为简单、快捷。能够在 Windows XP平台运行，具备如硬件的配置和参数设置、通信的定义、编程、测试、启动和服务、文档/存档、操作/诊断功能等基本功能，所有这些功能均有详细的联机帮助，以便用户掌握。采用结构化、多任务的编程方式，支持梯形图(LAD)、语句表(STL)、结构文本语言、功能块(FB)等符合IEC的编程方式。 5.1.2 PLC编程 5.1.2.1 硬件组态 1.建立新项目

打开CX-Programmer程序，新建文件，输入PLC名称“PLC1”，选择PLC类型“ CJIM”，选择CPU类型“ CPU13”，网络类型“Ethernet”，设定好IP地址，然后按“确定”确认。 2.插入各模块

打开“I0表和单元设置” ，为“主机架”的“00空槽”选择“通信适配器”CJIW-EIN21，选择单元号“6” ；在01-08槽位中插入八个CJIW-ID211单元。再设置“机架01” ，分别在00-06槽位中插入一个Dl单元CJIW-ID211，两个DO单元CJIW-OC211，三个AI单元CJIW-AD081-V1。并设置好模拟量单元的单元号和输入范围。重复以上步骤，对PLC3进行设置[8]。设置完成后，如图5-1所示

图5-1 PLC1硬件组态

5.1.2.2 程序设计

PLC程序主要由段组成，它们存放在程序目录下，CPU中的程序就是具有特定功能和特定结构的段。 1、插入程序

单击“程序”中的“新程序”，重命名为“PLC1”。右击“PLC1”，选“插入段”，再将其下的“段1”重命名为“粗格栅控制”。依次插入段进水泵房，细格栅控制，曝气沉砂池，冷却泵冷却塔，罗茨风机等。

同理在PLC3中插入段生化反应池，污泥回流泵房，紫外线消毒部分，污泥 贮池脱水机房等。 2、数字量处理

数字量处理包括数字量的输入和输出。数字量的输出是通过PLC编程后直接输出，如图5-2所示。

图5-2 数字量编程

3、模拟量处理

模拟量处理包括模拟量的输入、转换和输出。模拟量的输出通过PLC编程后直接输出。

现场的传感器将模拟量实际值转换成4- 20mA信号，而AI(16位)模块将4-20mA信号经过A/D转换，变成一个内码数0-4000。PLC读取的端口数字仅仅是一个内码值，这就需要编程将此内码数变成实际值送上位机显示。 公式如下：

4、部分主要程序介绍 1)提升泵的控制

提升泵控制原理参见第四章4.2.2节，水位上升时，提升泵的控制流程图如图5-3所示，水位下降时控制流程图与水位上升时类似。

图5-3水位上升时提升泵控制流程图

2)细格栅的控制

细格栅既可以按照时间控制也可按格栅前后液位差来控制。时间控制是根据格栅电机的停机和运行时间来进行控制。运行时间和停机时间由上位机操作员进行设置。当格栅停机时间超过停机设置时间时，启动格栅电机并计时同时清除停机计时时间，当运行时间超过运行设置时间时，延迟5秒钟后停止格栅电机，并对停机时间开始计时同时清除运行计时时间。

液位差控制是根据栅前栅后的液位差来进行格栅电机的启停控制，由上位机操作人员对格栅启动和停机液位差值进行设置，可以随意修改，但是液位差的启动值必须大于停机值。当液位差值超过/低于预先设置的启动/停机时，启动/停止格栅电机[9]。图5-4为液位差控制程序。

图5-4细格栅的液位差控制程序

5.2 上位监控画面设计

本系统采用组态王6.55进行上位机监控画面的组态设计，程序运行时首先进入主画面，显示污水处理的整个工艺流程。画面显示各个模拟量的实时值和开关量的状态。可以实现模拟量的存档、历史曲线以及模拟量的报警。用户如果想对画面进行操作，包括控制和更改参数，必须有操作员或管理员的权限。在登录状态下，不同的用户具有不同的权限，可以对给予授权的参数进行修改。如果离开，则必须退出登录状态，以防止其他无权限人员的误操作。

5.2.1 图形界面设计 (l)主画面设计

主画面显示整个污水处理厂的工艺流程，在此处并不显示各个工段的运行状态和各个模拟量实时值，只提供通往各分画面的连接，如果想了解某个工序的现场情况，可以切换到该工序分画面。点击“工艺流程”将出现下拉菜单“格栅间画面” 、“生化反应间画面” 、“污泥处理画面” 、“工艺流程图”等画面，点击想要切换的画面。主画面还有“报表曲线” 、“报警窗口” 、“故障复位” 、“系统系统”“退出系统”等菜单，点击可进入相应画面进行操作[10]。如下图5-5所示。

图5-5 工艺流程主画面

(2)分画面设计

分画面按工艺流程顺序设计分画面显示各模拟量的实时值及各开关量的状态。通常每个设备都有工作、自动和故障三个状态，闸门还另设有开到位和关到位这两个状态，控制部分分为启动和停止两个状态。通常设备处于哪个状态，则相应的显示装置就会改变颜色来表示，在本系统中，通常红色为运行，绿色为停止，黄色为故障。只有当设备处于自动状态、用户被授予权限且启动和停止的条件满足时，启动和停止按钮才有效。

格栅间画面中包含了粗格栅、提升泵房、计量槽和细格栅四个部分，按照现场每个部门的分布情况对其进行组态，提神泵房设置了液位报警指示灯，当液位超过8米时，指示灯会显示红色。画面具体设计如下图5-6所示。

曝气沉砂池是污水处理物理环节中关键的一环，泵和阀门运行的时候显示绿色，停止运行时显示红色。分别设置了曝气沉砂池的上限位和下限位报警，当液位过高或者液位太低时，指示灯会显示红色。如下图5-7所示。

图5-6 格栅间画面

图5-7 曝气沉砂池画面

生化反应池包括缺氧池、厌氧池、好氧池、二沉池和紫外线消毒。分别对缺氧池、厌氧池和好氧池通过鼓风机房输送氧气和加化学药剂并检测各个池中的氧化还原电位、污泥浓度和含氧量。如图5-8所示。

污泥处理画面中包含了好氧池、污泥回流泵房、污泥贮池和脱水机房，整个污水处理过程中产生的污泥都通过污泥处理系统，最终变成泥饼再外运填埋。如图5-9所示。

图5-8 生化反应池画面

5.2.2 定义设备

在组态王的工程浏览器中添入需要用到的设备，比如 CJ1M PLC，操作如下:先点工程浏览器左端的“设备”，在右侧将出现“新建”字样的图标，双击“新建”将出现下图5-10画面。在对话框中选择你所要添加的设备欧姆龙CJ系列，然后按照提示设置好PLC。

图5-9 污泥处理画面

图5-10 添加设备

5.2.3 定义变量

添加完设备后就可以定义变量。点击工程浏览器左端的“变量”，再双击右侧的

“新建”便出现以下的画面，然后输入变量名，选择变量类型选择连接设备，寄存器和数据类型，注意，此处的寄存器和数据类型都应该与PLC上一一对应，否则将在运行时出错。点击此对话框上的“报警定义”，可以设置上限报警、下限报警等，点击“记录和数据安全区”则可以定义数据的模拟量的记录或一些开关量的动作历史，以便在历史曲线中添加并显示。下面是以提升泵房液位的定义为例，如下图5-11和图5-12所示。用同样的方法定义其他变量。

图5-11 定义变量

图5-12 报警定义

5.2.4 定义动画连接

在有了画面和变量之后，接下来要做的就是把画面和变量连接起来。例如要显示计量槽本月流量的话，先双击设置好要显示的字符，便弹出“动画连接”对话框，点击“模拟量输出”，将表达式连接到定义的变量，如下图5-12所示。

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