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污水處理控制系統的研究與仿真

文檔作者：童剛付倩文檔來源：青島科技大學自動化與電子工程學院		點擊數：	更新時間： 2025年05月11日
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數控技術數字技術
與應用
2
1 引言
隨著工業的不斷發展和城市人口的急劇增加,大量工業和生活
污水未經處理流入江河湖海,使環境和飲用水被嚴重污染。因此,建
立高度自動化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保
污水處理工藝和設備能長期安全可靠地運行, 采用西門子S 7 -
300PLC1可編程控制器和智能檢測儀表組成下位機,上位機采用工
業計算機,實現對現場設備的監控。該系統集過程控制和科學管理
于一體,具有可靠性高、控制性能優越、管理功能完善等優點,對指
導工藝及設備的正常運行,提高自動化控制和管理水平發揮了重要
作用。
主要工作是通過PLC的編程完成整個污水處理過程的自動高
效運行,通過PLC與上位機以及現場的布線使其能根據污水處理每
個階段的控制理量的變化自動完成相應的處理動作,從而保持污水
處理的各項指標達到用戶設定的要求。
2 污水處理工藝流程
污水處理廠從主污水管道而來的污水進入格間,由粗格柵和細
格柵將污水中體積較大的污物除去。進而流入進水泵房,該處應為
全廠區標高的最低處,進水泵房底部放置大功率潛水泵,主要用于
將污水提升到高處的旋流塵沙池,以使污水只靠重力作用流經其余
的處理階段。旋流塵沙池將污水中的砂子分離出來,經過旋流砂池
的污水靠重力進入生物池,生物池為厭氧/好氧生物反應池,經過
生物的作用,將有機物質分解。然后污水通過污泥泵池進入二級沉
淀池,經過刮泥橋的運動,池上面的浮渣進入浮渣井中,池下部的污
泥由真空泵吸出并送到污泥均質池。經過二次沉淀處理后的污水通
過管道自流到消毒渠道,經紫外線消毒達到標準,經過處理的污水
經管道自流到附近的河流。污水處理的工藝圖如（圖1）。
3 控制系統總體方案
各個控制池之間采用分布式I/O ET200進行通信連接,并由
污水處理控制系統的研究與仿真
童剛 付倩
(青島科技大學自動化與電子工程學院 山東青島 266041)
摘要:污水處理項目的自控工藝相對于其他項目的工藝來說相對簡單,但它也有自身的特點,如設備更分散,功能則相對獨立等。針對這種情況,
開發設計了一套基于西門子S7-300型PLC,并通過工業以太網和PROFIBUS總線聯網的污水處理自控系統。首先大致介紹了污水處理的工藝流程;
其次介紹了基于PLC的硬件及軟件設計的基本原則和步驟;最后利用STEP7仿真軟件進行編程仿真,得到了較好的結果。
關鍵詞:污水處理 S7-300PLC 軟件仿真
中圖分類號:TP273.5 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2013)11-0002-03
作者簡介:童剛:男, 1962. 8,教授,碩士生導師,青島科技大學自動化與電子工程學院,研究方向:工業自動化、信息管理、智能交通。
付倩:女,1986.10,碩士,青島科技大學自動化與電子工程學院,控制工程專業,研究方向:檢測技術與智能裝置。
皮帶機
污泥脫水間 超聲波液位計 溶解氧分析儀
P H計
電磁流量計
CO D分析儀
消毒渠道二沉池配水井生物池
超聲波流量計
旋流沉砂池
自動取樣機
細格柵
皮帶機
提升泵房
雷達液位計
溫度計PH計
粗格柵
清水排入河流污泥外運
進水
圖1 污水處理工藝流程圖
電
源
模
塊
CPU
模
塊
I / O
擴
展
1
I/ O
擴
展
2
I/O
擴
展
3
I / O
擴
展
4
PR OF I BUS總線
PLC S 7 -30 0
工業計算機
R S2 3 2總線
ET 2 0 0
應
急
池
ET 200 ET 200
3#
氯
化
池
2#
氯
化
池
1#
氯
化
池
水
解
酸
化
池
中
心
泵
房
1#
T C
B S
池
2#
T C
B S
池
3#
TC
B S
池
回
水
池
外
排
水
系
統
次
氯
酸
鈉
反
應
池
次
氯
酸
鈉
沉
淀
池
ET 2 0 0 E T 2 0 0
分布式
I/O
分布式
I/O
本地開關量
分布式
I /O
分布式
I/O
分布式
I/O
圖2 系統結構框圖圖3 硬件組態窗口
數控技術數字技術
與應用
3
PROFIBUS總線連接至單片機的CPU模塊。CP342-5是S7-300系
列的PROFIBUS通信模塊,可以作為DP主站或從站,但是不能同時
作為主站或從站,且只能在S7-300的中央機架上使用。CP342-5與
CPU上集成的DP接口不一樣,其對應的通信接口區不是I區和Q區,
而是虛擬的通信區,需要調用CP通信功能FC1和FC2。系統各部分
之間的連線以及通信線路連接如（圖2）所示。
4 控制系統硬件設計
本設計選用西門子的S7-300PLC進行污水處理的控制。通過
對設計要求分析得到需要的數字量輸入為65;數字量輸出為65;模
擬量輸入為38;模擬量輸出為24?；诖诉x擇CPU型號為CPU314。
CPU314使用于要求高速處理和中等I/O規模的任務。它可以裝載中
等規模的程序,其每1KB二進制語句執行的時間為0.3ms。CPU314
內置24KB的RAM,其裝載存儲器為內置40KB的RAM,可用擴展
卡擴展裝載存儲器,最大容量可為512KB。最大可擴展512點數字
量I/O或64路模擬量通道。
CPU314的操作系統是事件驅動的用戶程序掃描過程。CPU響
應事件,操作系統自動調用該事件的組織塊OB。CPU314可以調用
128個功能塊FB,128個功能調用塊FC,127個數據塊DB,OB、FB、
FC、DB的容量均不大于8KB。此外,有34個系統功能塊SFC集成在
操作系統中供用戶調用,有9個系統數據塊SDB裝載S7-300的系統
參數,這些參數可用STEP7組態軟件輸入。
4.1 I/O模塊的選擇
由于CPU314型PLC主機不存在數字量的輸出模塊,因此需要
擴展數字量的輸出模塊。由于數字量輸出的點數為65,因此選用3個
圖4
圖5 仿真界面
圖6
數控技術數字技術
與應用
4
數字量輸出模塊SM322。SM322將S7-300內部的信號電平轉換成過
程所需要的外部信號電平,同時有隔離和功率放大的作用。可以直
接驅動電磁閥、接觸器、小型電機、燈和電機啟動器等,輸出的電流
的典型值為0.5～2A,負載由外部現場提供。其主要的技術特征為:
額定電壓24 V DC;輸出點數32點晶體管;與總線采用光耦合隔離;
最小輸出電流5mA;功率9W。
4.2 硬件組態及參數設置
在PLC控制系統設計的初期,首先應根據系統的輸入、輸出信
號的性質和點數,以及對控制系統的功能要求,確定系統的硬件配
置。對于S7-300來說,如果SM、FM和CP的塊數超過8塊,除了中央
機架外還需要配置擴展機架和接口模塊。本設計利用SIMATIC管
理器STEP7進行硬件的配置工作（圖3)。
5 程序設計及仿真
以污水處理的應急池為例說明設計過程:
(1)顯示要求:①COD:顯示范圍2000～8000mg/L,監測頻率2
小時/次;由于傳感器采集的COD數值為模擬量,需要模擬量輸入
模塊SM331;顯示的數值同樣為模擬量因此需要用到模擬量輸出模
塊SM3 32。監測頻率為兩小時,需要用到保持型延時接通定時器
SS_ODTS。COD的數值顯示范圍在2000～8000范圍內,8000的對應
的二進制數值為“1111101000000”共13位,因此選用的模擬量輸入
模塊的類型為AI8×14Bit,表示8通道的14位二進制輸入;同樣輸出
模塊選擇類型為AO4×16Bit。②氨氮:顯示范圍0～200mg/L,監測
頻率2小時/次;同樣需要模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊
SM332,以及保持型延時接通定時器SS_ODTS。③PH值:顯示范圍
圖7
0～14,需要模擬量輸入/輸出。
(2)控制要求:根據PH計顯示數據,控制加堿量,調節應急池出
水PH在6～9。需要用到比較器,當PH值小于6時接通控制電機往應
急池中加減;當PH值大于9時控制電機往應急池中加水。
5.1 程序設計
設計說明:COD的輸入數據存放在PID256中,輸出數據存放在
PQD260中;氨氮的輸入數據存放在PIW264中,輸出數據存放在
PQW266中;PH值輸入值存放在PIB268中,輸出值存放在PQB269
中。
(1)程序結構
OB1為主程序,負責調用控制程序FB1,FB2。DB1、DB2、DB3為
FB1型數據塊,DB1為COD顯示控制的數據塊,DB2為氨氮顯示的
控制數據塊,DB3為PH值顯示的數據塊。FB2為PH控制的功能塊
（圖4）。
(2)OB1程序設計（圖4）
5.2 控制系統仿真
仿真界面如(圖5)所示。選擇RUN-P模式,為可編程運行方式,
CPU掃描用戶程序,既可以用編程裝置從CPU中讀出,也可以由編
程裝置裝入CPU中。用編程裝置可以監控程序的運行。
在仿真界面插入IB0、QB0、IB268。其中IB0表示可以設置節點
I0.0-I0.1的值;QB0表示Q0.0-Q0.3對應的輸出值;IB268用以設
置PH值,以二進制形表示。如(圖5)所示,假設PH值為13(對號表示
導通),則Q0.0與Q0.2接通。
當定時器計時時間達到2小時時刻,COD和氨氮的數據傳輸到
輸出設備(綠線表示導通,下同)(圖6）。
當MW200的值即PIB268中的值也就是檢測的PH值設置為4
時,由于小于6則Q0.3控制的電機轉動向應急池中加堿（圖7）。
當MW200的值即PIB268中的值也就是檢測的PH值設置為13
時,由于大于9則Q0.2控制的電機轉動向應急池中加水。以保證PH
值控制在合理的范圍內（圖8）。
6 結語
本文在研究污水處理的基本工藝流程的基礎上,設計了以PLC
為主控制器的污水處理控制系統。針對某種控制要求編寫了相應的
程序段,對控制系統進行軟件設計并仿真,結果表明PLC的控制過
程的優越性。PLC控制系統可靠性高,抗干擾能力強;功能完善,適
用性強;維護方便,易于維護等一系列特點使其在更多場合得以應
用。
參考文獻
[1]劉栓,王太通.PLC 控制系統在污水處理過程中的應用[J].礦山機
械,2003.6.
[2]周金全.城市污水處理工藝.第一版[M].化學工業出版社,2003.
[3]廖常初《. S7-300/400PLC應用技術》[M].機械工業出版社,2004.

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