摘 要：针对自来水厂污水处理尚未完全实现无人值守的现状，文章结合PLC技术和以太网联网技术设计了自来水厂污水处理的自动化控制系统，分析了系统的功能和以太网联网拓扑结构的选型，在此基础上重点分析了系统的硬件设计和系统层次架构设计，给出了详细的设计方案，并对系统的软件设计方案进行了探讨，对于进一步提高污水处理的自动化控制水平具有较好的指导意义。
关键词：污水处理；PLC；自动控制；系统设计
中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）6-0005-02
自来水生产过程中，沉淀池排泥、滤池冲洗等工艺会产生大量污水。过去，通常对这些污水做直接排放处理。随着环保要求的提高，以及水资源成本的不断增加，越来越越多的水厂建立了污水处理系统，对生产过程产生的污水进行回收利用，污水处理的流程如图1所示。根据笔者的调研，我国目前超过半数的城市自来水厂的污水处理都依赖于观察法，依靠工人手动调节，很难实现完全自动化处理。污水处理不能完全自动化，一方面降低了污水处理的效率，造成了水资源不能充分利用；另一方面也容易对自来水厂供水的水质造成影响。
鉴于此，本文集中探讨污水处理的自动化处理技术，以PLC技术为载体设计基于以太网的远程自动化处理控制系统，以期能够实现污水处理的全过程自动化，并以此和广大自动化控制同行分享。
1 基于以太网的污水自动处理系统总体设计
1.1 系统功能
基于以太网的自来水厂污水自动处理控制系统，其主要功能包含以下几个方面。
1.1.1 污水处理工艺监测
污水处理是一套复杂的工艺过程，要实现污水处理质量达标，就必须要对各个工艺环节进行监测，例如对含泥量、加药量、脱水机运行等工艺过程的监测。
1.1.2 设备运行状态监测
污水处理需要众多机电装备的运行，需要整个自动控制系统能够自动监测设备运行状态，包括设备的环境参数和运行状态参数。
1.1.3 远程联网管理
包括远程联网调度机电设备的运行、远程联网控制污水处理工艺以及远程联网监测污水处理水质等全过程自动化管理。
1.1.4 系统故障管理
自来水污水处理自动控制管理系统应当具备一定的智能性，当系统发生故障时，能够自动实现故障定位，并给出可能的故障原因以及故障解决建议。
1.1.5 数据管理
污水处理自动控制系统要能够自动记录污水处理的相关数据，包括原料的耗用情况，水质的检测数据，以及各个机电设备的运行功率、投入和产出数据等。
1.1.6 安全管理
污水自动控制系统支持安全预警机制，当设备出现异常时能够自动报警，并切断系统的运行，保证生产车间的安全运行。
1.2 网络拓扑结构
网络的拓扑结构有很多种，选择合适的网络拓扑结构，对于污水自动处理控制系统的联网运行的可靠性具有重要影响。目前主要有以下几种拓扑结构：
1.2.1 总线型
总线型网络拓扑结构简单灵活，组网成本低；但是总线型结构网络故障诊断较为困难。
1.2.2 网型
网型拓扑结构的容错性较好，可靠性非常高，但是组网成本非常高昂，后期管理维护成本较高。
1.2.3 环型
环型网络结构结构简单，组网成本低，同时后期维护成本较低，对组网空间距离不敏感。
综上所述，自来水厂污水处理控制系统适合采用环型网络拓扑结构构建远程自动控制系统，并且远程控制实时性较好，易于后期功能的扩展升级。
2 污水处理自动控制管理系统的设计与实现
2.1 系统运行模式
基于以太网的远程自动控制系统，目前主要有两种系统模式，分别是B/S模式和C/S模式。
2.1.1 B/S模式
所谓B/S模式，就是浏览器/服务器模式，这种模式无需开发专用人机交互软件，借助于浏览器实现人机交互，但是服务器负荷较大。
2.1.2 C/S模式
所谓C/S模式，就是客户端/服务器模式，需要专门设计的人机交互软件，开发工作量较大，但是大大减轻了服务器的负荷，系统的稳定性有所提高。
鉴于上述两种系统模式各有优缺点，本自动化控制系统采用两种模式的结合模式，即系统前端借助浏览器实现人机交互，以此减轻整个系统的开发工作量；同时系统后台增加一台服务器，用于程序的响应与控制，将数据集中在另一台服务器上，这样既可以减轻服务器的负荷，同时又提高了系统的健壮性，提高了系统运行的稳定性和可靠性。
2.2 系统硬件电气设计
基于PLC的污水自动处理控制系统，最主要的硬件就是PLC，这里选用以可靠性高出名的西门子S7-200系列PLC，核心CPU选用S7-224，该CPU具有14个数字量输入和10个数字量输出，能够满足中小型污水处理的应用需求。
除了选择PLC外，还需要设计配电柜，选择熔断器、空气开关等电气设备，将配电柜安置在污水处理设备车间内，通过环型以太网组网的设计，实现底层机电设备与控制器的联网。
关于主电路的设计，应当考虑到污水处理的日产量，以及实际的电机数量、水泵数量进行合理设计。通常主电气回路使用交流接触器KM1、KM2、KM3分别接回流泵、风机和进水泵，以此构成污水处理的闭环控制。
2.3 系统架构设计
污水处理自动控制系统的架构，主要从以下三个层次进行架构设计。
2.3.1 传感器检测层
传感器检测主要布置在最低层，也就是直接利用传感器检测污水处理设备的工作状态参数以及环境参数，利用传感器采集到的数据对污水处理的相关数据进行计算，实现对污水处理工艺的自动化监测。 2.3.2 网络传输层
传感器将采集到的监测数据，利用环型以太网进行传输，传输给PLC控制器。环型以太网采用光纤结构布置，在提高网络通信实时性的同时也能够提高网络系统性能的稳定性。
2.3.3 PLC控制器
PLC控制器的主要任务是接收来自底层传感器传输的监测数据，通过对数据的分类分析和计算整理，将相关数据信息发送给顶层——数据信息管理层。
2.3.4 数据信息管理层
数据信息管理层主要是通过基于windows系统开发的可视化人机交互界面实现数据信息的显示、存储、分析和打印等需求；另一方面，当数据出现异常或者机电设备出现故障时，该控制中心也能够发出报警，同时依靠专家系统给出故障诊断结论和建议。
以状元水厂污水处理系统为例，其结构如下：系统设一PLC主站和远程IO子站，采用施耐德Quantum系列PLC，现场设操作员站负责所有设备的监控。PLC主站通过光纤冗余MB+环网连接至控制主网。PLC主站、远程IO子站以及现场单元之间通过MB+协议实现通讯，如图2所示。
2.4 系统软件设计
系统的软件设计，主要包含两个方面。
2.4.1 PLC程序的设计
PLC 的程序设计主要是利用梯形图进行程序开发。由于选用的是西门子的S7-200系列的PLC，因此在程序设计上可以选用STEP7软件进行梯形图的绘制，这里不予赘述。
2.4.2 数据管理层的可视化程序设计
数据管理层是基于Windows实现的可视化界面，能够实现良好的人机交互。在程序开发商，主要是利用可视化软件（如Visual Basic）设计人机交互界面，利用计算机的联网通信能力实现与PLC的联网数据交换，从而将最底层的传感器检测数据在可视化界面上显示出来，以实现良好的人机交互的目的。
3 结 语
随着城市化进程的加快，城市自来水显得愈来愈珍贵，如何实现生产污水的大规模自动化处理，实现水资源的有效利用，这是每一个自来水厂都需要面对的问题。基于PLC实现的污水自动处理已经比较成熟，但是将污水自动处理控制系统联网运行并实现无人值守，这是本论文所设计的污水自动处理控制系统的亮点所在。从实际的应用效果来看，该套系统能够满足污水自动处理的全过程工艺要求，并且减轻了工人的劳动强度，是值得推广应用的。对于自来水厂污水自动控制系统的设计应用，无论是在理论方法还是在实际应用方法，都具有较好的指导借鉴意义。
参考文献：
[1] 唐受印.水处理工程师手册[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 孙少阳.PLC在水处理控制系统中的应用[J].电子技术与软件工程，2013，（20）.
[3] 高志强，阎兆林.可编程控制器在水处理控制中的应用[J].制造业自动化，2003，（3）.
[4] 丁芳.智能PID算法在液位控制系统中的应用[J].微计算机信息，2006，（1）.
[5] 庞妍.联合站污水处理监测系统[J].中国石油和化工标准与质量，2013，（22）.