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污水处理控制系统的研究与仿真

文档作者：童刚付倩文档来源：青岛科技大学自动化与电子工程学院		点击数：	更新时间： 2025年05月11日
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数控技术数字技术
与应用
2
1 引言
随着工业的不断发展和城市人口的急剧增加,大量工业和生活
污水未经处理流入江河湖海,使环境和饮用水被严重污染。因此,建
立高度自动化的污水处理厂是解决水污染问题的有效途径。为确保
污水处理工艺和设备能长期安全可靠地运行, 采用西门子S 7 -
300PLC1可编程控制器和智能检测仪表组成下位机,上位机采用工
业计算机,实现对现场设备的监控。该系统集过程控制和科学管理
于一体,具有可靠性高、控制性能优越、管理功能完善等优点,对指
导工艺及设备的正常运行,提高自动化控制和管理水平发挥了重要
作用。
主要工作是通过PLC的编程完成整个污水处理过程的自动高
效运行,通过PLC与上位机以及现场的布线使其能根据污水处理每
个阶段的控制理量的变化自动完成相应的处理动作,从而保持污水
处理的各项指标达到用户设定的要求。
2 污水处理工艺流程
污水处理厂从主污水管道而来的污水进入格间,由粗格栅和细
格栅将污水中体积较大的污物除去。进而流入进水泵房,该处应为
全厂区标高的最低处,进水泵房底部放置大功率潜水泵,主要用于
将污水提升到高处的旋流尘沙池,以使污水只靠重力作用流经其余
的处理阶段。旋流尘沙池将污水中的砂子分离出来,经过旋流砂池
的污水靠重力进入生物池,生物池为厌氧/好氧生物反应池,经过
生物的作用,将有机物质分解。然后污水通过污泥泵池进入二级沉
淀池,经过刮泥桥的运动,池上面的浮渣进入浮渣井中,池下部的污
泥由真空泵吸出并送到污泥均质池。经过二次沉淀处理后的污水通
过管道自流到消毒渠道,经紫外线消毒达到标准,经过处理的污水
经管道自流到附近的河流。污水处理的工艺图如（图1）。
3 控制系统总体方案
各个控制池之间采用分布式I/O ET200进行通信连接,并由
污水处理控制系统的研究与仿真
童刚 付倩
(青岛科技大学自动化与电子工程学院 山东青岛 266041)
摘要:污水处理项目的自控工艺相对于其他项目的工艺来说相对简单,但它也有自身的特点,如设备更分散,功能则相对独立等。针对这种情况,
开发设计了一套基于西门子S7-300型PLC,并通过工业以太网和PROFIBUS总线联网的污水处理自控系统。首先大致介绍了污水处理的工艺流程;
其次介绍了基于PLC的硬件及软件设计的基本原则和步骤;最后利用STEP7仿真软件进行编程仿真,得到了较好的结果。
关键词:污水处理 S7-300PLC 软件仿真
中图分类号:TP273.5 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2013)11-0002-03
作者简介:童刚:男, 1962. 8,教授,硕士生导师,青岛科技大学自动化与电子工程学院,研究方向:工业自动化、信息管理、智能交通。
付倩:女,1986.10,硕士,青岛科技大学自动化与电子工程学院,控制工程专业,研究方向:检测技术与智能装置。
皮带机
污泥脱水间 超声波液位计 溶解氧分析仪
P H计
电磁流量计
CO D分析仪
消毒渠道二沉池配水井生物池
超声波流量计
旋流沉砂池
自动取样机
细格栅
皮带机
提升泵房
雷达液位计
温度计PH计
粗格栅
清水排入河流污泥外运
进水
图1 污水处理工艺流程图
电
源
模
块
CPU
模
块
I / O
扩
展
1
I/ O
扩
展
2
I/O
扩
展
3
I / O
扩
展
4
PR OF I BUS总线
PLC S 7 -30 0
工业计算机
R S2 3 2总线
ET 2 0 0
应
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
统
次
氯
酸
钠
反
应
池
次
氯
酸
钠
沉
淀
池
ET 2 0 0 E T 2 0 0
分布式
I/O
分布式
I/O
本地开关量
分布式
I /O
分布式
I/O
分布式
I/O
图2 系统结构框图图3 硬件组态窗口
数控技术数字技术
与应用
3
PROFIBUS总线连接至单片机的CPU模块。CP342-5是S7-300系
列的PROFIBUS通信模块,可以作为DP主站或从站,但是不能同时
作为主站或从站,且只能在S7-300的中央机架上使用。CP342-5与
CPU上集成的DP接口不一样,其对应的通信接口区不是I区和Q区,
而是虚拟的通信区,需要调用CP通信功能FC1和FC2。系统各部分
之间的连线以及通信线路连接如（图2）所示。
4 控制系统硬件设计
本设计选用西门子的S7-300PLC进行污水处理的控制。通过
对设计要求分析得到需要的数字量输入为65;数字量输出为65;模
拟量输入为38;模拟量输出为24。基于此选择CPU型号为CPU314。
CPU314使用于要求高速处理和中等I/O规模的任务。它可以装载中
等规模的程序,其每1KB二进制语句执行的时间为0.3ms。CPU314
内置24KB的RAM,其装载存储器为内置40KB的RAM,可用扩展
卡扩展装载存储器,最大容量可为512KB。最大可扩展512点数字
量I/O或64路模拟量通道。
CPU314的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响
应事件,操作系统自动调用该事件的组织块OB。CPU314可以调用
128个功能块FB,128个功能调用块FC,127个数据块DB,OB、FB、
FC、DB的容量均不大于8KB。此外,有34个系统功能块SFC集成在
操作系统中供用户调用,有9个系统数据块SDB装载S7-300的系统
参数,这些参数可用STEP7组态软件输入。
4.1 I/O模块的选择
由于CPU314型PLC主机不存在数字量的输出模块,因此需要
扩展数字量的输出模块。由于数字量输出的点数为65,因此选用3个
图4
图5 仿真界面
图6
数控技术数字技术
与应用
4
数字量输出模块SM322。SM322将S7-300内部的信号电平转换成过
程所需要的外部信号电平,同时有隔离和功率放大的作用。可以直
接驱动电磁阀、接触器、小型电机、灯和电机启动器等,输出的电流
的典型值为0.5～2A,负载由外部现场提供。其主要的技术特征为:
额定电压24 V DC;输出点数32点晶体管;与总线采用光耦合隔离;
最小输出电流5mA;功率9W。
4.2 硬件组态及参数设置
在PLC控制系统设计的初期,首先应根据系统的输入、输出信
号的性质和点数,以及对控制系统的功能要求,确定系统的硬件配
置。对于S7-300来说,如果SM、FM和CP的块数超过8块,除了中央
机架外还需要配置扩展机架和接口模块。本设计利用SIMATIC管
理器STEP7进行硬件的配置工作（图3)。
5 程序设计及仿真
以污水处理的应急池为例说明设计过程:
(1)显示要求:①COD:显示范围2000～8000mg/L,监测频率2
小时/次;由于传感器采集的COD数值为模拟量,需要模拟量输入
模块SM331;显示的数值同样为模拟量因此需要用到模拟量输出模
块SM3 32。监测频率为两小时,需要用到保持型延时接通定时器
SS_ODTS。COD的数值显示范围在2000～8000范围内,8000的对应
的二进制数值为“1111101000000”共13位,因此选用的模拟量输入
模块的类型为AI8×14Bit,表示8通道的14位二进制输入;同样输出
模块选择类型为AO4×16Bit。②氨氮:显示范围0～200mg/L,监测
频率2小时/次;同样需要模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块
SM332,以及保持型延时接通定时器SS_ODTS。③PH值:显示范围
图7
0～14,需要模拟量输入/输出。
(2)控制要求:根据PH计显示数据,控制加碱量,调节应急池出
水PH在6～9。需要用到比较器,当PH值小于6时接通控制电机往应
急池中加减;当PH值大于9时控制电机往应急池中加水。
5.1 程序设计
设计说明:COD的输入数据存放在PID256中,输出数据存放在
PQD260中;氨氮的输入数据存放在PIW264中,输出数据存放在
PQW266中;PH值输入值存放在PIB268中,输出值存放在PQB269
中。
(1)程序结构
OB1为主程序,负责调用控制程序FB1,FB2。DB1、DB2、DB3为
FB1型数据块,DB1为COD显示控制的数据块,DB2为氨氮显示的
控制数据块,DB3为PH值显示的数据块。FB2为PH控制的功能块
（图4）。
(2)OB1程序设计（图4）
5.2 控制系统仿真
仿真界面如(图5)所示。选择RUN-P模式,为可编程运行方式,
CPU扫描用户程序,既可以用编程装置从CPU中读出,也可以由编
程装置装入CPU中。用编程装置可以监控程序的运行。
在仿真界面插入IB0、QB0、IB268。其中IB0表示可以设置节点
I0.0-I0.1的值;QB0表示Q0.0-Q0.3对应的输出值;IB268用以设
置PH值,以二进制形表示。如(图5)所示,假设PH值为13(对号表示
导通),则Q0.0与Q0.2接通。
当定时器计时时间达到2小时时刻,COD和氨氮的数据传输到
输出设备(绿线表示导通,下同)(图6）。
当MW200的值即PIB268中的值也就是检测的PH值设置为4
时,由于小于6则Q0.3控制的电机转动向应急池中加碱（图7）。
当MW200的值即PIB268中的值也就是检测的PH值设置为13
时,由于大于9则Q0.2控制的电机转动向应急池中加水。以保证PH
值控制在合理的范围内（图8）。
6 结语
本文在研究污水处理的基本工艺流程的基础上,设计了以PLC
为主控制器的污水处理控制系统。针对某种控制要求编写了相应的
程序段,对控制系统进行软件设计并仿真,结果表明PLC的控制过
程的优越性。PLC控制系统可靠性高,抗干扰能力强;功能完善,适
用性强;维护方便,易于维护等一系列特点使其在更多场合得以应
用。
参考文献
[1]刘栓,王太通.PLC 控制系统在污水处理过程中的应用[J].矿山机
械,2003.6.
[2]周金全.城市污水处理工艺.第一版[M].化学工业出版社,2003.
[3]廖常初《. S7-300/400PLC应用技术》[M].机械工业出版社,2004.

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