NA400 PLC工程实例分析——污水处理系统

一、  概述

1.1污水处理简介

1、概况：相关资料显示，美国平均每1万人拥有1座污水处理厂，英国和德国则每7000~8000人就拥有1座污水处理厂，而中国每150万人才拥有一座污水处理厂。所以在中国污水处理是迫切的，而污水处理的市场也呈现出一派蓬勃的景象。

2、常用的污水处理工艺：污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的污水混合使用。目前，污水处理的方法一般以生物处理方法为主辅以物理处理法和化学处理法。常用的工艺有以下几种：

（1）传统活性污泥法。最古老的污水处理工艺，关键组成部分为曝气池与沉淀池。污水中的有机物在曝气池停留的过程

图1

中，曝气池中的微生物吸附污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中微生物絮体下沉，经过一段时间后，就可以输出清水，同时为了保持曝气池中污泥的浓度，沉淀池中经过沉淀后的一部分活性泥需要回流到曝气池中。

该工艺的优点有：有机物去除率高；污泥负荷高；池的容积小；耗电省，运行成本低。

该工艺的缺点有：普通曝气法占地多，因而建设投资大；仅能满足污水处理标准中的相关指标；容易产生污泥膨胀现象；磷和氮的去除率低。

（2）A/O法。在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种污水处理工艺，其中A代表Anocix（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧—好氧生物污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化—反硝化反应系统，很好地处理了污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是硝化—反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也形成了该工艺的一大缺点。

（3）氧化沟法。是活性污泥法的一种变形，属于低负荷、延时曝气活性污泥法。废水和活性污泥的混合液在环状的曝气渠道中不断地循环流动，因此又被称为“循环曝气池”。氧化沟法具有处理工艺及构筑物简单、无初沉淀池和污泥硝化池、有机物去除率较高、脱氮、除磷（沟前增设厌氧池）、剩余污泥少且容易脱水、处理效果稳定等优点，但存在负荷低、占地大、耗电大、运转费用偏高的缺点，适用于中小规模的低负荷污水处理厂。可根据构筑物不同分为：卡鲁塞尔氧化沟法、奥贝尔氧化法和一体化氧化沟法。

另外还有A2/O法，A/B法， SBR法及UNITANK法，在这里就不详尽介绍，，如需了解详细，请查阅相关专业资料。

3、污水处理系统控制形式

（1）DCS系统。是集散控制系统的简称，又称为分布式计算机控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术等相互渗透形成的。有计算机和现场终端组成，通过网络将现场控制站、检测站和操作站、控制站等连接起来，完成分散控制和集中操作、管理的功能，主要是用于各类生产过程，可提高生产自动化水平和管理水平，其主要特点如下：

①采用分级分布式控制，减少了系统的信息传输量，使系统应用程序比较简单。

②实现了真正的分散控制，使系统的危险性分散，可靠性提高。

③扩展能力较强。

④软硬件资源丰富，可适应各种要求。

⑤实时性好，响应快。

（2）现场总线控制系统。是由DCS和PLC发展而来的，是基于现场总线的自动控制系统。该系统按照公开、规范的通信协议在智能设备与计算机之间进行数据传输和交换，从而实现控制与管理一体化的自动控制系统，其优点如下所示：

①可利用计算机丰富的软硬件资源。

②响应快，实时性好。

③通信协议公开，不同产品可互连。

（3）PLC系统。可编程逻辑控制器用于处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：

①编程方便、开发周期短、维护容易。

②通用性强，使用方便。

③控制能力强。

④模块化结构，扩展能力强。

二、  系统设计

1、     污水处理系统的工作原理

（1）    控制系统总体框架图：如图2所示，NA400 PLC为核心控制器，通过检测操作板按钮的输入、各类传感器的输入以及相关模拟量的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

图2

（2）    工作过程：在手动状态下，各类设备的控制是根据操作面板的按钮输入来控制，无逻辑限制，即可不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下，进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启挺控制，其工作过程如图3

①       接通电源，启动自动控制方式，启动潜水搅拌器和刮泥机。

②       运行粗、细格栅机，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环运行。

③       根据反馈回来的液位差状态控制清污机的运行和停止。

④       进水泵房中的潜水泵根据液面的高低进行运行、停止及运行数量的控制。

⑤       转碟曝气机根据溶解氧仪反馈的模拟量经PLC运算后进行控制，同时控制分离机的运行和停止。

⑥       污泥回流泵的运行和停止根据液面的高低进行控制。

⑦       在污泥脱水系统中，离心式脱水机的启动采用顺序控制方式，依次启动其设备。

图3

2、     硬件系统配置

（1）            PLC选型。根据污水处理系统的电气控制系统的功能要求，以及其复杂程度，从经济性、可靠性等方面考虑，选择NA-400PLC作为污水处理系统的电气控制系统的控制主机。该系统涉及的数字量输入/输出点较多，还需要采集模拟量并利用模拟量控制的功能要求，因此也需要扩展模拟量输入/输出模块。具体配置如表1

表1

（2）            PLC的I/O点资源配置

①       数字量输入部分，在此控制系统中，所需要的输入量基本上属于数字量，主要包括各种控制按钮、旋转按钮及数字输入，共31个数字量输入，如表2所示。

表2

②       数字量输出部分。在这个控制系统中，主要输出控制的设备有各种接触器、阀门等，共有19个输出点，其中具体分配如表3所示。

表3

③       模拟量输入部分。由于需要采集一个溶解氧仪所反馈的数据，因此扩展了一个模拟量输入输出模块，具体如表4所示

表4

④       模拟量输出部分。在此控制系统中需要将采集回来的模拟量进行数据处理，然后，通过模拟量输出口对变频器进行控制，进而控制其他设备的运行，如表5所示

表5

（3）            其他资源配置

①       接触器 此系统共需17个接触器：格栅机接触器、清污机接触器、潜水泵接触器、分离机接触器、转碟曝气机接触器、潜水搅拌机接触器、刮泥机接触器等。

②       变频器。使用SIEMENS MM430变频器，其为风机水泵负载专用变频器，。在此控制系统中，需要对变频器进行通信控制，因此需要先对变频器的参数进行设置，主要对以下几个参数进行调整，如表6所示。

表6

对于次系统的变频器，在进行手动调试时采用通信控制，因此需要改变变频器的参数。

③       各类按钮、人机界面、液位差计、溶解氧仪等。

3、     软件系统设计  在设计程序过程中，会使用到许多中间继电器、寄存器、定时器等软元件，为了便于编程及修改，在程序编写前先列出可能用到的软元件，如表7所示。

（1）            手动控制程序  在系统上电后，控制方式选择手动方式时，可通过面板上的按牛控制每个设备的运行。设置手动主要是便于在生产线初装时进行调试，检测各个设备是否能正常运行，手动控制程序如下。

（2）            自动控制程序  在生产中，大多采用自动过程进行控制，系统通过传感器的反馈信号来控制设备的启动和停止，以及调速控制，自动控制程序如下所示。

（3）功能程序   在此系统中，采用模块化编程，功能块涉及粗、细格栅机，潜水泵，除污系统，污泥回流系统及变频器通讯等。这里只举例介绍其中几种并重点介绍与变频器通讯的功能块。

①粗格栅机系统程序，完成粗格栅机和清污机的控制，系统梯形图如下。

②曝气沉砂系统程序，完成对转碟曝气机运行、调速及停止的控制，曝气沉砂系统梯形图程序如下。

③变频器读取参数程序，用于变频器的输出频率，变频器读参数梯形图程序如下所示。

④PID指令，用于模拟量的处理，输出数据AOUT到%QW0001，用于输出模拟量来控制其他设备的运行。

三、  系统设计中的问题及解决方法。由于污水处理系统的机械结构种类较多，而且不同类型的污水处理方法，其控制方法也有很大差异，因此需要首先确定采用什么形式的污水处理法，然后决定控制方式。在电气控制方面的要求比较多，需要检测大量的数字量，而且需要采集模拟量。

（1）硬件方面的问题   在污水处理系统中，主要的硬件问题包括机械结构和PLC的外围电路设计和接线处。

机械结构上的问题主要是转碟曝气机的安装位置，需要根据氧化池的结构，放置在合适的位置上。若位置合适则可使用少量的曝气机就能完成供氧的功能。在PLC的外围硬件连线方面，主要是增加一些保护设备。由于输出都是和接触器等元件连接，接触器的突然断开和闭合会形成突变波形对PLC的输出端子造成损坏，因此需要加装一些保护装置，例如，续流二极管等，增加触点的寿命。

（2）软件方面的问题  在程序编写完毕后，需要首先在电脑上对程序进行软件仿真，主要是检查是否存在各种错误，可利用NAPro自带的仿真软件。然后通过模拟硬件的方式检查程序是否存在逻辑上的错误。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。

四、设计小结  此控制系统采用了南大傲拓科技有限公司的NA400系列PLC作为核心控制设备。在该系统中利用定时器和计数器组合实现了长时间定时，变频器的控制方式采用模拟量控制，通过PID指令实现闭环控制，达到了污水处理系统的控制要求。在此要感谢山东飞洋环境工程有限公司的电气工程师张云峰，在他的大力帮助下，是文章的内容得到极大的丰富。

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