摘 要：本文介紹了西門子PLC在污水處理廠自動控制中的應(yīng)用，主要介紹了PLC控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置方案、軟件設(shè)計(jì)思想和程序結(jié)構(gòu)，實(shí)際運(yùn)行表明該方案是合理和有效的。 關(guān)鍵詞：污水處理; PLC ; WINCC; STEP7 1 引言 　　環(huán)境保護(hù)問題日益成為影響和制約人類社會發(fā)展的因素之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和城市人口的急劇增加，大量工業(yè)和生活污水未經(jīng)處理流入江河湖海，使環(huán)境和飲用水被嚴(yán)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(shè)備能夠長期安全可靠地運(yùn)行，我們采用西門子S-300 PLC可編程序控制器和智能檢測儀表組成下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。上位機(jī)采用西門子“WINCC V5.1”組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的畫面監(jiān)測、參數(shù)設(shè)定和指令控制等功能。該系統(tǒng)集過程控制和科學(xué)管理于一體，具有可靠性高、控制性能優(yōu)越、管理功能完善等優(yōu)點(diǎn)，對指導(dǎo)工藝及設(shè)備的正常運(yùn)行，提高自動化控制和管理水平發(fā)揮了重要作用。 2 污水處理工藝流程 [align=center] 圖1污水處理工藝流程[/align] 　　污水處理工藝流程如圖1所示，從廠區(qū)外的主污水管道而來的污水進(jìn)入格間，由2臺粗格柵和兩臺細(xì)格柵將污水中體積較大的污物攔住，形成柵碴，送到柵碴壓實(shí)機(jī)，經(jīng)螺旋輸送機(jī)將其輸送到專門容器，繼而外運(yùn)。通過格柵機(jī)的污水繼續(xù)前行流入進(jìn)水泵房。該處為全廠區(qū)標(biāo)高的最低處，進(jìn)水泵房底部放置有5臺大功率潛水泵，主要用于將污水提升到高處，以使污水只靠重力作用流經(jīng)其余的處理階段。鐘式沉砂池的作用是將污水中的砂子分離出來，防止其對后續(xù)工作的設(shè)備產(chǎn)生磨損，分離出來的含水砂子由吸砂泵打入到砂水分離器進(jìn)行砂與水的分離，分離出的砂子外運(yùn)。經(jīng)過鐘式沉砂池的污水靠重力進(jìn)入到初次沉淀池，經(jīng)過初次沉淀池處理后的污水進(jìn)入A/O池，A/O池為厭氧/好氧生物反應(yīng)池，污水首先進(jìn)入?yún)捬醭刂羞M(jìn)行厭氧處理，使厭氧池中污泥吸收污水中的一些有害物質(zhì)之后，污水進(jìn)入2個好氧池中，由鼓風(fēng)機(jī)通過曝氣頭向池中吹入定量氧氣，經(jīng)過生物作用，進(jìn)一步將有害物質(zhì)分離出來。然后污水進(jìn)入二次沉淀池，經(jīng)過刮泥橋的運(yùn)動，池上面的浮碴進(jìn)入浮碴井中，池下部的污泥由真空泵吸出并送到回流/剩余污泥泵房?；亓?剩余污泥泵房按一定的比例將一部分污泥送人到A/O池入口，以保證厭氧池中含有一定量的污泥，另一部分被3臺剩余污泥泵送入到污泥調(diào)節(jié)池。經(jīng)過二次沉淀處理后的污水已達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，可以外排。 3 系統(tǒng)的硬件組成 　　PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中早己得到了廣泛的應(yīng)用。以PLC的控制功能而言，PLC 具有嚴(yán)謹(jǐn)、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它通用性強(qiáng)，適應(yīng)面廣,特別在數(shù)字量輸入輸出等邏輯控制領(lǐng)域有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應(yīng)用指令，它提供高質(zhì)量的硬件、高水平的系統(tǒng)軟件平臺和易學(xué)易編程的應(yīng)用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網(wǎng)絡(luò)體系又有開放I/0及通訊接口，很容易組建網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優(yōu)勢所在。 在眾多的PLC生產(chǎn)廠家中，西門子公司的S7—300系列產(chǎn)品以其較高的性價(jià)比成為眾多用戶的首選。S7—300是模塊化的小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合以用于擴(kuò)展。接口模塊（IM）用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架（CR）和擴(kuò)展機(jī)架（ER），S7—300通過分布式的主機(jī)架（CR）和二個擴(kuò)展機(jī)架（ER）可以操作多達(dá)24個模塊。中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS—DP和MPI通訊接口，多點(diǎn)接口（MPI）用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)和人機(jī)界面等。信號模塊（SM）用于數(shù)字量和模擬量的輸入輸出。 　　在設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)設(shè)備的情況和廠方用戶的要求，對主控制器PLC的硬件配置如下圖。在這個配置中， CPU模塊采用315—2DP，數(shù)字量輸入（DI）采用SM321模塊，數(shù)字量輸出（DO） 采用 SM322模塊，模擬量輸入（AI） 采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO） 采用 SM332模塊。在現(xiàn)場實(shí)際中，數(shù)字量輸入輸出（DI/DO），模擬量輸入輸出（AI/AO）都有部分冗余，以備系統(tǒng)臨時(shí)擴(kuò)充需要。由ET200M模塊組成的遠(yuǎn)程從站可就近放置在現(xiàn)場，利用 SIEMENS公司工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP完成主——從通訊。通過設(shè)置從站的方法可把地理位置相對分散的設(shè)備的控制信號，用一根現(xiàn)場總線送到PLC主站，這樣不但可節(jié)約大量的電纜，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性也有了很大的提高。在本系統(tǒng)中，PLC主站共下設(shè)2個 ET200M遠(yuǎn)程從站。從站1放置在鼓風(fēng)機(jī)房，實(shí)現(xiàn)對鼓風(fēng)機(jī)房的數(shù)據(jù)采集和控制。從站2放置在污泥泵房，實(shí)現(xiàn)對污泥泵房的數(shù)據(jù)采集和控制。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業(yè)計(jì)算機(jī)分別采用SIEMENS公司CP5611網(wǎng)卡通過PROFIBUS-S7數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)完成計(jì)算機(jī)與PLC主站之間的數(shù)據(jù)通訊。操作員站的畫面組態(tài)軟件選用SIEMENS公司的WINCC完成用戶二次軟件的開發(fā)。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)硬件示意圖[/align] 4 控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn) 　　根據(jù)對現(xiàn)場污水處理工藝的了解和操作人員的具體要求和建議 ，以及以往系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可把系統(tǒng)的控制功能實(shí)現(xiàn)分為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)和下位機(jī)實(shí)現(xiàn)。下面將依次分別介紹。 　　4.1 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)： 　　● 手動操作。 　　● PLC遠(yuǎn)程手動遙控操作。 　　● 全自動操作三種方式。 　　前兩種方式一般只在設(shè)備調(diào)試或維修時(shí)使用，系統(tǒng)主要以全自動操作方式為主。在這種方式下，各類泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開、停，各種工況的切換都由可編程控制器按照預(yù)先編制的程序自動生成，不需要操作人員干預(yù)。每種工況的運(yùn)行時(shí)間及各種測量參數(shù)均可以在線或離線調(diào)整，每臺設(shè)備和每種工況的運(yùn)行情況也都可以由PLC系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視?，F(xiàn)場的泵類、風(fēng)機(jī)、攪拌器等信號通過PLC的控制轉(zhuǎn)化也在上位機(jī)上顯示。這樣，既能對設(shè)備開關(guān)量，如各類泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等的開停進(jìn)行控制，又能對現(xiàn)場的模擬量：曝氣池內(nèi)的溶解氧、消化池的泥溫等進(jìn)行調(diào)節(jié)，使全廠的工藝、設(shè)備運(yùn)行得到全面的控制。 　　4.2上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)： 　　● 提供工藝過程參數(shù)檢測流程圖，模擬量顯示圖，模擬量棒圖，趨勢圖等動態(tài)畫面顯示各主要設(shè)備運(yùn)行時(shí)間參數(shù)和控制回路參數(shù)設(shè)置畫面。據(jù)此操作人員或工藝員可對整個工藝和設(shè)備有一個詳細(xì)和形象的了解。 　　● 系統(tǒng)主要參數(shù)和報(bào)警信號登錄。登錄數(shù)據(jù)可供工藝人員和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考，以分析設(shè)備運(yùn)行情況，進(jìn)一步改進(jìn)控制方案，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。并對故障設(shè)備及超越儀表設(shè)定值閃爍報(bào)警，提醒操作人員采取相應(yīng)措施，確保了生產(chǎn)安全同時(shí)給出可能的故障原因和解決辦法。 　　● 可通過鍵盤（或鼠標(biāo)）直接控制現(xiàn)場設(shè)備，如啟動或停止各類泵、風(fēng)機(jī)、閥、攪拌器、刮泥橋等。 　　● 進(jìn)入和退出系統(tǒng)的口令保護(hù)，以免非工作人員進(jìn)入系統(tǒng)或隨意中斷運(yùn)行中的系統(tǒng)。 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　用戶的軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的控制質(zhì)量和人員設(shè)備的安全，所以開發(fā)一套功能完善、可靠性高的軟件尤顯重要。 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，用戶的軟件設(shè)計(jì)同樣分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，下面將分別給予介紹。 　　5.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 　　PLC主站的用戶程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1軟件平臺上完成硬件組態(tài)、地址和站址的分配以及用戶程序的設(shè)計(jì)開發(fā)的，在主程序（OBI）中將各種控制功能和各站點(diǎn)間的通訊數(shù)據(jù)分別編寫在不同的子程序（功能塊FB、DB FC）中。在本系統(tǒng)中，根據(jù)所控制設(shè)備的實(shí)際情況，可把整個污水處理流程分為若干個分流程，每個分流程對應(yīng)一個功能（FC）或功能塊（FB）,例如粗隔柵控制（FC1），細(xì)隔柵控制（FC3），曝氣沉砂池控制（FC4），生化反應(yīng)池控制（FB1）等。另外還有一些中間轉(zhuǎn)換控制模塊，例如從溫度傳感器上通過PLC的模擬量輸入模塊中得到的數(shù)據(jù)必須通過量程轉(zhuǎn)換才能變成實(shí)際的溫度值，通過編寫單獨(dú)的模塊FC8，完成從 WORD到實(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換。考慮到傳感器測到的溫度可能由于干擾信號在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)階躍，為避免干擾，采用在10秒內(nèi)采集5個溫度，平均這5個溫度，從而有效的避免了干擾。 　　限于篇幅，重點(diǎn)介紹一下曝氣池的控制。 曝氣池是全廠的核心構(gòu)筑物，污水在池中通過微生物的凈化作用達(dá)到去除有機(jī)物的目的。因微生物為好氧菌，如供氧量過少會造成細(xì)菌大量死亡，不利于微生物的生長，會直接影響處理效果。但供氧量過大，不僅使能耗增高，增大運(yùn)行費(fèi)用，而且會形成小而重的易沉淀絮體作用使水質(zhì)惡化。因此控制水中的含氧量是污水處理過程控制中關(guān)鍵的任務(wù)之一。根據(jù)工藝要求，該廠設(shè)有6臺鼓風(fēng)機(jī)用于向曝氣池供氧，其中有1臺變頻風(fēng)機(jī)。我們在曝氣池的不同地點(diǎn)設(shè)有6塊溶解氧測試儀（即DO儀）測量池中的含氧量。曝氣池的控制思路是通過計(jì)算機(jī)給這些DO儀設(shè)置一個測量范圍，當(dāng)進(jìn)水量達(dá)到平衡，池中懸浮物濃度合乎標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，一旦水中含氧突破這個范圍，PLC就會收到現(xiàn)場溶解氧儀反饋回的報(bào)警信號。PLC便根據(jù)現(xiàn)場測量值來調(diào)節(jié)鼓風(fēng)量。鼓風(fēng)機(jī)的開啟臺數(shù)由PLC根據(jù)溶解氧的平均值來控制，PLC每隔10 min判斷一次曝氣池內(nèi)的溶解氧值，溶解氧低于設(shè)定下限時(shí)調(diào)頻風(fēng)機(jī)增加 10%。若調(diào)頻風(fēng)機(jī)己達(dá)最大值，則增開一臺普通分風(fēng)機(jī)，溶解氧高于設(shè)定上限時(shí)調(diào)頻風(fēng)機(jī)減少10%，若調(diào)頻風(fēng)機(jī)己達(dá)最小值，則關(guān)閉一臺普通風(fēng)機(jī)，以下為曝氣池控制子程序片斷和流程圖。 　　CALL FB 41 , "db19_fb41" 　　P_SEL :=L2.3 　　I_SEL :=L2.4 　　LMN_HLM :=1.000000e+002 　　LMN_LLM :=0.000000e+000 　　LMN_PER :="PQW352" 　　QLMN_HLM:=#temp31 　　QLMN_LLM:=#temp32 　　NOP 0 　　CALL "4-20mA" 　　IN :=MW400 　　HI_LIM:=1.000000e+002 　　LO_LIM:=0.000000e+000 　　OUT :="db19_fb41".PV_IN 　　FAULT :=M125.1 　　NOP 0 　　┇ 　　┇ [align=center]　 圖3 曝氣池控制流程圖[/align] 　　以上程序框圖為了便于理解，只是簡單的列出了程序控制的主要功能，實(shí)際上在現(xiàn)場還有其他方面需要考慮，比如當(dāng)現(xiàn)場長期沒有滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，五臺普通風(fēng)機(jī)可能只需投入使用2～3臺，另外兩臺一直在閑置，為防止風(fēng)機(jī)長期放置而銹蝕損壞，在編程序時(shí)需考慮五臺普通風(fēng)機(jī)依次循環(huán)使用，使所有風(fēng)機(jī)都一直處于正常工作狀態(tài)。 　　5.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 　　上位機(jī)的編程平臺采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1。在工程師站安裝WINCC-RC用于開發(fā)，操作員站安裝WINCC-RT用于運(yùn)行， WINCC運(yùn)行于 Windows NT V4.0操作系統(tǒng)平臺之上，以增加系統(tǒng)運(yùn)行安全和穩(wěn)定性。WINCC通過讀取下位機(jī)的DB塊，在上位機(jī)顯示對應(yīng)的狀況，如顯示實(shí)際溫度、水泵的開閉狀態(tài)等。另外可以把上位機(jī)的操作命令傳到下位機(jī)的DB塊中，來實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的在線操作。在本系統(tǒng)中，通過共享數(shù)據(jù)塊DB1把下位機(jī)的工作狀態(tài)傳到上位機(jī)，通過共享數(shù)據(jù)塊DB2把上位機(jī)的命令傳到下位機(jī)。 6 結(jié)束語 　　用PLC設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)在某污水處理廠投入使用以來，大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，并改善了操作人員的工作環(huán)境。設(shè)備具有調(diào)試簡單、操作方便、使用安全、運(yùn)行可靠、效率高、故障率低，污水處理效果好的特點(diǎn)，同時(shí)由于軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便了工程技術(shù)人員的安裝、調(diào)試和維修，為我們帶來了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) 　　[1] SIEMENS公司. 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