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【摘 要】本文就PLC系统在污水处理厂自动化控制中的应用进行了探讨，详细介绍了该系统的构建、控制方式及性能特点，并结合某具体实例工程，证明了PLC系统具有可靠性高、操作灵活、经济实用等优点，旨在为更好的将PLC系统应用于污水处理厂自动化控制中。
【关键词】PLC系统；污水处理厂自动化控制；应用
我国现有污水处理厂多数设计标准低，工艺技术和设备落后，污水处理的可变因素很多，水量、浓度、温度、气量、微生物状态、系统控制和机械运行情况等，都影响污水处理的功能和效率。近几年来，我国新建城市污水处理厂和新增污水处理站大都采用了PLC技术，并取得了很好的污水处理效果。
1.污水处理PLC系统构架
污水处理常用的一般监控系统可分为两层，上层为中央控制室内的两台中心监控计算机，即上位机，通常是设置为两台计算机互为备用的形式，下层则为若干现场可编程控制器（PLC），它们分布在污水处理厂中不同位置，分别负责一部分设备的控制，被控制设备如阀门、水泵、风机等与PLC的I/O相连，PLC通过输入和输出控制信号对其进行控制量采集和控制，上位机和现场PLC之间则借助PLC通信网络来交换数据。
该污水处理厂的自控系统由PLC/计算机控制管理系统、仪表检测和电视监控三部分组成。计算机控制管理系统遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则；仪表系统遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则。全厂的自控系统是基于现代先进控制思想的分布式计算机控制系统（即集散型控制系统）。
2.PLC自控系统设计
选用工业环形以太网和冗余ControlNet现场总线，配以ControlLogix系列PLC控制站，具有较高的性价比。
2.1 系统构成
某污水处理厂工艺流程见图1。根据该厂的生产工艺，整个污水处理过程可以分为两个控制区域，每个区域设置一套现场控制站。
2.2 控制方式
该污水处理厂主要自控设备的控制方式共三种：①手动控制方式。通过就地控制箱或MCC上的按钮实现对设备的启停操作。②软手动控制方式。即远程手动控制方式，操作人员通过工作站的监控画面用鼠标或键盘来控制现场设备。③自动控制方式。由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制而不需要人工干预。
三种方式的控制级别由高到低依次为：手动控制、软手动控制、自动控制。
2.3 通讯网络
以太网通讯用于控制输入输出模块，在以太网链路上作为适配器连接分布式输入输出，用消息方式在以太网上与其他设备通讯，作为网桥将消息传输到其他网络，上下层通信可以直接通过插在上位监控机和各PLC中的网络模块，设置相应的地址表，并借助简单的内部命令进行数据交换。
2.4 软件
采用Logix5000控制器编程软件和Rsview32Works操作员站监控组态软件。Logix5000可在线对PLC程序进行修改，Rsview32Works软件可在操作员正常监控操作的环境下，对上位组态、数据库及操作员界面进行修改。
2.5 ControlNet现场总线
ControlNet总线现场用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。ControlNet提供了简单、高度确定而且灵活的传输数据方式，在执行程序的上载/下载操作、数据实时监控时不会影响到I/O控制的性能。
3.该污水厂PLC自控系统应用
3.1 系统功能
对工艺流程图可实时显示，可监测设备的运行状况和观察各工艺参数；可通过调整设备的运行参数实现设备远程调控；可通过在线仪表反映的工艺参数值自动控制设备运行；可进行配电室内的电力监控；可自动生成报表。
3.2 具体应用
3.2.1 细格栅自动控制
细格栅自动控制采用水位差控制和时间控制。启动除污耙时，运行螺旋式输送机和栅渣压实脱水机，格栅停止后延迟一段时间再停运螺旋式输送机和栅渣压实脱水机。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏可以设定水位差值、格栅距上次运行的时间间隔及格栅的运行周期。
3.2.2 进水泵房的自动控制
进水泵自动控制是通过水位测量仪检测水位值，当水位升高时，控制水泵依次逐台启动，水泵启动顺序按累计的水泵运行时间从小到大排列。当水位降低时，控制水泵依次逐台停止，顺序与之相反。通过自动累计水泵运行时间，实现水泵的自动轮值，保证水泵总是处在最佳运行状态。
当水位降低到最低保护水位时，水泵全停。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏，可以设定水位值。
3.2.3 旋流沉砂池的自动控制
旋流沉砂池自动运行时，其搅拌叶轮连续运行，由控制系统定时启动排砂过程，同时控制砂水分离器等设备的联动运行。旋流沉砂池、排砂泵、冲洗水、排砂阀门、砂水分离器等由随设备提供的现场控制柜自带PLC进行联锁控制，自动顺序启动或顺序停止，并通过现场总线与PLC现场控制站通讯。
3.2.4 氧化沟曝气量自动控制
为达到最大程度的程序灵活性，依据实际需氧量和负荷条件调节动力输入。系统可以通过调节曝气机的转速来调节总的充氧量。将实际测得的溶解氧（DO）浓度与氧化还原电位等作为增减氧化沟曝气量的指标，调整曝气机的转速而控制调节充氧能力。采用此种方式，实现了充氧能力与实际需氧量的匹配，从而节省了能源。
3.2.5 污泥回流量自动控制
污泥浓缩脱水系统控制采用时间控制和手动控制。该系统中设备的启动顺序依次为倾斜式螺旋输送机、水平螺旋输送机、浓缩脱水机、加药泵、进泥泵，停止顺序与之相反。当药液制备段溶液罐的液位低、进泥泵的进泥流量低、系统中任何一台设备发生故障时，系统停止运行。 3.2.6 加氯（药）量控制
根据进水流量的大小按照比例投加的原则自动控制加氯量，同时测定接触消毒池出水余氯作为修正值，自动修正加氯量，此为流量、余氯复合环控制。
根据进水流量的大小按照比例投加的原则自动控制投药量。
3.3 在线仪表的应用经验
在线仪表在污水厂运行中有着重要的地位，对工艺调整和运行起着指导作用，液位计的准确与否关系到设备安全，溶解氧仪是否运行正常关系到出水水质，因此在线仪表的安装位置显得至关重要。
①该厂进水泵房和污泥泵房处的两台液位计，由于安装的位置均过于接近进水口，使得显示的数值为进水口处的液位而非泵房内真实的液位值。
②该厂用于测量氧化沟好氧段溶解氧的DO仪由于安装在表曝机下游出口的导流墙边，该处水流速度快，对探杆的冲击过大，使探杆受力不均，易从中间折断。该厂技术人员分析原因寻找对策，最终采用增设不锈钢内胆的方式来增强探杆强度，并联系厂家进行了改造。
③该厂大部分仪表探头内有膜部件，若日常维护不当，使其长期处于干燥的环境中极易造成破裂，需重新更换探头。
3.4 建议
①设计方面
PLC设计时需考虑到今后新技术应用及污水处理厂的后期构筑物增建问题，在现场控制站预留更多的信号通道。例如，该污水厂除臭系统为单独设计及建造，前期PLC系统设计时并未考虑到除臭系统的自动化控制，若要实现该处的自动化控制，需在原有现场控制站内接入除臭系统的设备及仪表信号，并将该信号传输到中控室，使运行人员能够远程操作；该厂后期增建尾水泵房，其PLC自控系统由尾水泵房的施工方负责设计安装，也存在信号输出及兼容等问题。
综上，污水处理厂的PLC系统设计时需考虑到“增容”的需要，预留出满足需要的信号通道及新增模块的放置空位，满足污水处理厂的发展需求。
②功能完善方面
a.报警及报警记录功能。当设备发生故障时，系统将在计算机、马赛克大屏幕、就地控制箱上进行报警指示。同时计算机将对所发生的报警内容、时间及确认时间进行记录。在计算机上还可进行语音报警，警示运行人员及时采取相关故障的应急处理，减小不利因素对设备的冲击，保障设备的安全。
b.联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序，减小由于故障造成的损失。
c.数据记录存储功能。对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录储存，以备调用。
d.厂级PLC管理功能。设计厂级管理终端，使系统能及时对各处理现场的生产信息进行收集、储存、分析和加工处理，以方便领导层对生产管理准确决策。主要功能包括：生产过程的全面查询，如各种进、出水流量，能耗等；生产过程的分析报告、报表和图形；设备运行管理数据库；化验数据；建立与上级单位的双向连接，便于发布及获取信息。
4.结论
综上所述，PLC系统与传统系统在污水处理厂自动化控制中的应用相比，具有功能齐全、高度智能化、运行可靠、见效快等优点。所以，若能将PLC系统很好的应用于污水处理厂自动化控制中，不仅可以保证污水生产运行的安全可靠，还可以大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，减轻了劳动强度，从而提高了生产效率，降低了水厂能耗，取得了社会和经济双重效益。
参考文献：
[1]王淑红、李福进.基于PLC的污水处理厂自控系统设计及实现[J].数字技术与应用.2012（10）.
[2]梁保强、秦树凯.PLC在污水处理厂控制系统中的应用[J].沈阳工程学院学报：自然科学版.2002（03）.
【关键词】PLC系统；污水处理厂自动化控制；应用
我国现有污水处理厂多数设计标准低，工艺技术和设备落后，污水处理的可变因素很多，水量、浓度、温度、气量、微生物状态、系统控制和机械运行情况等，都影响污水处理的功能和效率。近几年来，我国新建城市污水处理厂和新增污水处理站大都采用了PLC技术，并取得了很好的污水处理效果。
1.污水处理PLC系统构架
污水处理常用的一般监控系统可分为两层，上层为中央控制室内的两台中心监控计算机，即上位机，通常是设置为两台计算机互为备用的形式，下层则为若干现场可编程控制器（PLC），它们分布在污水处理厂中不同位置，分别负责一部分设备的控制，被控制设备如阀门、水泵、风机等与PLC的I/O相连，PLC通过输入和输出控制信号对其进行控制量采集和控制，上位机和现场PLC之间则借助PLC通信网络来交换数据。
该污水处理厂的自控系统由PLC/计算机控制管理系统、仪表检测和电视监控三部分组成。计算机控制管理系统遵循“集中管理、分散控制、资源共享”的原则；仪表系统遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则。全厂的自控系统是基于现代先进控制思想的分布式计算机控制系统（即集散型控制系统）。
2.PLC自控系统设计
选用工业环形以太网和冗余ControlNet现场总线，配以ControlLogix系列PLC控制站，具有较高的性价比。
2.1 系统构成
某污水处理厂工艺流程见图1。根据该厂的生产工艺，整个污水处理过程可以分为两个控制区域，每个区域设置一套现场控制站。
2.2 控制方式
该污水处理厂主要自控设备的控制方式共三种：①手动控制方式。通过就地控制箱或MCC上的按钮实现对设备的启停操作。②软手动控制方式。即远程手动控制方式，操作人员通过工作站的监控画面用鼠标或键盘来控制现场设备。③自动控制方式。由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制而不需要人工干预。
三种方式的控制级别由高到低依次为：手动控制、软手动控制、自动控制。
2.3 通讯网络
以太网通讯用于控制输入输出模块，在以太网链路上作为适配器连接分布式输入输出，用消息方式在以太网上与其他设备通讯，作为网桥将消息传输到其他网络，上下层通信可以直接通过插在上位监控机和各PLC中的网络模块，设置相应的地址表，并借助简单的内部命令进行数据交换。
2.4 软件
采用Logix5000控制器编程软件和Rsview32Works操作员站监控组态软件。Logix5000可在线对PLC程序进行修改，Rsview32Works软件可在操作员正常监控操作的环境下，对上位组态、数据库及操作员界面进行修改。
2.5 ControlNet现场总线
ControlNet总线现场用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。作为控制器和I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。ControlNet提供了简单、高度确定而且灵活的传输数据方式，在执行程序的上载/下载操作、数据实时监控时不会影响到I/O控制的性能。
3.该污水厂PLC自控系统应用
3.1 系统功能
对工艺流程图可实时显示，可监测设备的运行状况和观察各工艺参数；可通过调整设备的运行参数实现设备远程调控；可通过在线仪表反映的工艺参数值自动控制设备运行；可进行配电室内的电力监控；可自动生成报表。
3.2 具体应用
3.2.1 细格栅自动控制
细格栅自动控制采用水位差控制和时间控制。启动除污耙时，运行螺旋式输送机和栅渣压实脱水机，格栅停止后延迟一段时间再停运螺旋式输送机和栅渣压实脱水机。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏可以设定水位差值、格栅距上次运行的时间间隔及格栅的运行周期。
3.2.2 进水泵房的自动控制
进水泵自动控制是通过水位测量仪检测水位值，当水位升高时，控制水泵依次逐台启动，水泵启动顺序按累计的水泵运行时间从小到大排列。当水位降低时，控制水泵依次逐台停止，顺序与之相反。通过自动累计水泵运行时间，实现水泵的自动轮值，保证水泵总是处在最佳运行状态。
当水位降低到最低保护水位时，水泵全停。通过监控管理系统和现场控制系统的操作屏，可以设定水位值。
3.2.3 旋流沉砂池的自动控制
旋流沉砂池自动运行时，其搅拌叶轮连续运行，由控制系统定时启动排砂过程，同时控制砂水分离器等设备的联动运行。旋流沉砂池、排砂泵、冲洗水、排砂阀门、砂水分离器等由随设备提供的现场控制柜自带PLC进行联锁控制，自动顺序启动或顺序停止，并通过现场总线与PLC现场控制站通讯。
3.2.4 氧化沟曝气量自动控制
为达到最大程度的程序灵活性，依据实际需氧量和负荷条件调节动力输入。系统可以通过调节曝气机的转速来调节总的充氧量。将实际测得的溶解氧（DO）浓度与氧化还原电位等作为增减氧化沟曝气量的指标，调整曝气机的转速而控制调节充氧能力。采用此种方式，实现了充氧能力与实际需氧量的匹配，从而节省了能源。
3.2.5 污泥回流量自动控制
污泥浓缩脱水系统控制采用时间控制和手动控制。该系统中设备的启动顺序依次为倾斜式螺旋输送机、水平螺旋输送机、浓缩脱水机、加药泵、进泥泵，停止顺序与之相反。当药液制备段溶液罐的液位低、进泥泵的进泥流量低、系统中任何一台设备发生故障时，系统停止运行。 3.2.6 加氯（药）量控制
根据进水流量的大小按照比例投加的原则自动控制加氯量，同时测定接触消毒池出水余氯作为修正值，自动修正加氯量，此为流量、余氯复合环控制。
根据进水流量的大小按照比例投加的原则自动控制投药量。
3.3 在线仪表的应用经验
在线仪表在污水厂运行中有着重要的地位，对工艺调整和运行起着指导作用，液位计的准确与否关系到设备安全，溶解氧仪是否运行正常关系到出水水质，因此在线仪表的安装位置显得至关重要。
①该厂进水泵房和污泥泵房处的两台液位计，由于安装的位置均过于接近进水口，使得显示的数值为进水口处的液位而非泵房内真实的液位值。
②该厂用于测量氧化沟好氧段溶解氧的DO仪由于安装在表曝机下游出口的导流墙边，该处水流速度快，对探杆的冲击过大，使探杆受力不均，易从中间折断。该厂技术人员分析原因寻找对策，最终采用增设不锈钢内胆的方式来增强探杆强度，并联系厂家进行了改造。
③该厂大部分仪表探头内有膜部件，若日常维护不当，使其长期处于干燥的环境中极易造成破裂，需重新更换探头。
3.4 建议
①设计方面
PLC设计时需考虑到今后新技术应用及污水处理厂的后期构筑物增建问题，在现场控制站预留更多的信号通道。例如，该污水厂除臭系统为单独设计及建造，前期PLC系统设计时并未考虑到除臭系统的自动化控制，若要实现该处的自动化控制，需在原有现场控制站内接入除臭系统的设备及仪表信号，并将该信号传输到中控室，使运行人员能够远程操作；该厂后期增建尾水泵房，其PLC自控系统由尾水泵房的施工方负责设计安装，也存在信号输出及兼容等问题。
综上，污水处理厂的PLC系统设计时需考虑到“增容”的需要，预留出满足需要的信号通道及新增模块的放置空位，满足污水处理厂的发展需求。
②功能完善方面
a.报警及报警记录功能。当设备发生故障时，系统将在计算机、马赛克大屏幕、就地控制箱上进行报警指示。同时计算机将对所发生的报警内容、时间及确认时间进行记录。在计算机上还可进行语音报警，警示运行人员及时采取相关故障的应急处理，减小不利因素对设备的冲击，保障设备的安全。
b.联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序，减小由于故障造成的损失。
c.数据记录存储功能。对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录储存，以备调用。
d.厂级PLC管理功能。设计厂级管理终端，使系统能及时对各处理现场的生产信息进行收集、储存、分析和加工处理，以方便领导层对生产管理准确决策。主要功能包括：生产过程的全面查询，如各种进、出水流量，能耗等；生产过程的分析报告、报表和图形；设备运行管理数据库；化验数据；建立与上级单位的双向连接，便于发布及获取信息。
4.结论
综上所述，PLC系统与传统系统在污水处理厂自动化控制中的应用相比，具有功能齐全、高度智能化、运行可靠、见效快等优点。所以，若能将PLC系统很好的应用于污水处理厂自动化控制中，不仅可以保证污水生产运行的安全可靠，还可以大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，减轻了劳动强度，从而提高了生产效率，降低了水厂能耗，取得了社会和经济双重效益。
参考文献：
[1]王淑红、李福进.基于PLC的污水处理厂自控系统设计及实现[J].数字技术与应用.2012（10）.
[2]梁保强、秦树凯.PLC在污水处理厂控制系统中的应用[J].沈阳工程学院学报：自然科学版.2002（03）.