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摘要：文章首先介绍了给予PLC和工业以太网的污水处理工艺，然后通过理论与实际相结合的方式，以网络系统结构和软硬件的设计为切入点，分别围绕着污水处理控制系统展开了讨论，具体内容包括程序设计、监控界面设计等诸多方面，以期能够给人以启发，使控制系统处理污水的效率得到显著提升。
关键词：PLC；工业以太网；污水处理控制系统
引言：随着社会的发展，城市人口增加速度大幅度提升，没有经过处理的生活污水向江河湖海进行大量排放，导致饮用水和周围环境遭到污染，在此背景下，建立自动化污水处理站，成为了保证水污染问题得到有效解决的主要途径，而PLC以及组态软件适用范围的逐渐扩大，间接加快了工业自动化发展的速度，将其与工业以太网相结合，作为污水处理控制系统的核心部分，无论是从理论还是实践的角度出发，都能够取得和预期相符的效果。
1基于PLC和工业以太网的污水处理工艺
本文的研究对象，是负责城市污水处理的某污水处理厂，该厂以CASS作为污水处理的主要工艺，为好氧菌提供氧气充足的环境，使其能够对水中所含有机物质生成的污泥沉淀进行吸附。一般来说，CASS池的构成分为三部分，即厌氧区、主反应区和生物选择区，活性去污法在该反应器中，按照进水曝气—沉淀—出水—闲置的顺序不断重复，而泥水分离以及生物反应的过程，也在特定的池子中同时进行[1]。以PLC和工业以太网为核心，以污水处理为最终目的，设计得出的控制系统包括生化池数量为四个，四个生化池的存在，间接增强了该系统对污水进行处理的能力。
2系统网络结构
自控系统所采用的结构可以被概括为：数据共享、集中管理和分散控制。位于中控室的上位机能够经由PLC子站，对现场主要设备和有关设备进行直接控制，即使网络或是中控室有故障发生，也不会导致PLC分站具有的控制功能被影响，如果PLC子站有故障存在，则可以经由就地控制箱，完成设备控制的有关工作。本文所研究自控系统的主干网络，以多模光纤环网为核心，网络所包含任意站点，都有工业以太网交换机与之对应，也就是人们常说的“单机单环”。该网络的特点主要是具有冗余功能，一旦网络信道有故障发生，300ms内，网络就可以对结构进行重新拓扑，总线型网格随之形成，系统仍旧可以正常运行。需要注意的是，该网络结构所形成网络冗余仅有一层，也就是说，如果网络交换机出现故障，该交换机对应的设备就无法连接其他交换机对应的设备，进行通信。当然，交换机故障不会给其他系统带来影响，出现故障的交换机，只是在短时间内无法上传信息，系统自运行并不会因此而受到影响。实践结果表明，对污水处理厂而言，单机单环的拓扑结构，能够在很大程度上满足污水处理的有关要求，另外，该系统还具有以下几个特点：首先，具有良好的通用性和可扩展性；其次，环形冗余方案能够在提高系统可靠性的基础上，减少成本；接下来，交换式以太网通过消除网络冲突的方式，提高了系统传输的效率；最后，大带宽、较快的传输速度，方案整体所采用的均是100Mb/s。总的来说，该控制系统选择环形以太网作为网络主体结构，在保证无论是控制层还是管理层信息都能够做到无缝集成的基础上，提升了架构的开放程度和自动化水平，使其更加符合当今社会具有的需求。
3软硬件的设计
3.1硬件设计
以工业以太网和PLC为基础所建立的、用于污水处理的控制系统，需要应用到硬件的部分，通常集中在中央监控室和分布式控制站。中央监控室内需要设置两台互为热备的监控计算机和喷墨打印机，本文所建立控制系统，选择研华工控机作为监控计算机，操作系统是Windowsxp，另外，还配有监控软件和编程软件，操作人员可以通过上位机，达到对现场设备运行加以控制的效果。分布式控制站所应用的可编程控制器，具有无风扇结构、模块化设计和易于现实分布的特点，其中，预处理子站负责采集两个粗格栅、两个细格栅、三个提升泵房和旋流沉沙地的数据，操作现场控制柜，还有采集并监控进厂水质数据的工作，鼓风机子站负责控制变频鼓风机还有空气电动阀，以及测量管道压力与空气的流量，CASS池子站所采集数据涵盖出厂水电控设备，在线检测仪表，水质参数，生化池以及紫外线消毒渠等诸多方面，其中，生化池内需要采集数据的部分，包括四个进水阀，四个进气阀，四个出水器，四个回流/剩余污泥泵还有十二个搅拌机，与此同时，还需要对现场控制柜进行操作[2]。在上文所提及的内容中，较为重要的工作是控制生化池，将生化池划分为一组四格，每格由兼氧区、生物选择区和主反应区组成，以时间顺序为依据，依次完成进水曝气，沉淀，出水和闲置的有关工作。
3.2软件设计
3.2.1程序设计
本文所建立控制系统采用的编写程序为STEP7-5.4，另外，由于所组成网络通讯的核心是工业以太网，所以通讯协议选择TCP/IP。对污水处理而言，想要提高处理效率，关键是对生化池内氧D0的溶解含量加以控制，调查研究表明，在曝气生物池内，生物活性最大且处理效果最佳的溶解氧浓度，为2mg/L，基于此，对DO值进行现场采集，并将采集结果反馈至PLC，是保证鼓风量大小得到有效控制的关键，本系统CASS池子站和鼓风机子站间的关系是独立于对方而存在，因此，如何保证PLC间数据的有效通信，就成为了眼下急需解决的关键问题。
首先，基于系统硬件构成对其进行组态，设置通讯模块参数，设定以太网、通讯协议、鼓风池子站和CASS池子站的地址；接下来，需要将组态后的硬件模块向PLC进行下载，为后续网络组态工作的开展提供支持；待硬件组态和网络组态环节告一段落，最后需要完成的便是程序编程，控制程序编制完成后，工作人员应将其下载到相应的CPU中，如果CPU处于运行状态，PLC间以太网通讯的目标就能够实现，这样做的目的是对溶解氧DO在生化池内的含量加以控制。控制溶解氧的原理，是将DO值经由传感器向PLC进行反馈，利用变频器完成鼓风机的调节工作，通过减少或增加向反应池输入氧气量的方式，控制污水处理。自动控制污水的特点，主要是复杂、多变并且滞后的非线性曝气环节，想要对该环节进行严格控制，模糊控制器的应用就显得很有必要。模糊自适应的关键，是将PID的常规控制与模糊控制进行有机结合，以偏差、偏差变化率为依据，通过模糊推理的方式，实现PID参数的实时调节。另外，在编程过程中，设计人员还需要对以下内容引起重视：本系统选择模块化编程作为程序编写的主要方法，通过对子程序进行模拟量采集的方式，完成采集并处理现场溶解氧信号的工作；如果想要保证数据传送具备应有的实时性，设计人员应保证在PLC间传送的数据，可以在DB数据块得到高质量的存储，以所采集数据为依据，完成模糊推理工作，并选择PID作为控制子程序的工具，在调用功能块的基础上，对参数进行设置，这样做能够通过PID调节的方式，控制变频器，并对曝气机转速进行更加准确地控制。在0B1中，主程序始终处于循环调用的状态，功能FC作为编写子程序的平台，编写完毕后，通过主程序对其进行直接调用，便可以保证功能的实现。
研究结果表明，与常规控制器参数调整相比，模糊自适应控制器对参数的调整较快，换句话说，参数调整时间缩短。从抗扰动能力的方面出发，模糊自适应控制器对随机干扰的抑制能力较强，可以达到在线调整参数的效果，另外，常规控制器进入稳态工作点的速度和误差，和模糊自适应控制器间均存在一定差距[3]。如果以系统响应为切入点加以分析，能够发现，模糊自适应控制器具有更快的稳态响应过程，正是因为这样，系统延迟时间才得以缩减。
3.2.2监控界面设计
本系统所设计组态画面，由消毒池、粗格栅、污泥脱水以及旋转沉沙池等诸多画面组成，经由TCP/IP完成通信工作，对现场设备的运行状态进行真实并且直观的反映，工作人员可以操作组态画面所包括的可控设备。
实践结果表明，本系统投入使用至今，始终处于良好的运行状态，与常规的PID控制相比，效果更加优异。溶解氧浓度被控制在约2mg/L，正是因为如此，才使得CASS生化池内的泥垢具有了更高的活性，污水处理能力自然随之提升，除此之外，例如出水COD、酸碱值等参数，在系统运行期间，同样被控制在特定的范围内，这对于优化处理效果而言，同样具有十分重要的作用。
结论
综上所述，本文所讨论污水处理控制系统，在试运行过程中表现优异，在有故障发生时，能够第一时间确定故障位置，结合实际情况明确导致故障出现的原因，经由在线仪表对水质水样数据加以提供，保证后续环节的顺利进行。在工业以太网多PLC基础上设计得出的、用于污水处理的控制系统，与常规控制系统相比，具有易于维护，设计简单，故障率较低和控制效果好等优点，与绝大部分污水处理厂提出的需求相符，因此，该系统的出现是大势所趋。
参考文献
[1]白金,鲍健.基于工业以太网的污水处理控制系统设计[J].吉首大学学报(自然科学版),2017,38(03):36-39.
[2]何波.基于工业以太网的污水处理控制系统解决方案[J].数字技术与应用,2016(09):20.
[3]白辉.基于PLC及工业以太网混合模型的污水处理自动控制系统[J].中国科技信息,2013(17):74-75.