试论城市污水处理中PLC自动控制系统的应用

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　　摘要：本文分析了S7－300的城市污水处理自控系统。根据要求，结合污水特点以及处理工艺和设备布置，该自动控制系统由操作站、通信网络、PLC控制站等组成。该系统为集散型控制系统，可实现污水处理的过程控制和全厂监控管理。
　　
　　关键词: 污水处理；可编程控制器；S7－300；PLC；自控系统
　　
　　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,环境被严重污染,使环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的因素之一。
　　 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够长期安全可靠地运行,可编程控制器PLC以其技术成熟、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点,在污水处理自动控制中得到了越来越广泛的应用。
　　2 污水处理工艺流程
　　 从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的情况看,氧化沟工艺普遍地应用于城市污水处理中,例如湖南某城市污水处理厂,处理工艺采用的就是氧化沟工艺。其主要处理的工艺流程见图1。
　　
　　
　　 图1工艺流程图
　　 城市污水经粗格栅去除较大的颗粒物和悬浮物后,由污水泵提升至细格栅去除较小的颗粒物,再流入旋流沉砂池去除小的颗粒物和细砂。经初步处理的污水进入氧化沟,在相应菌种的作用下,进行COD、BOD、磷、氮的脱除。
　　 氧化沟出水经二沉池沉淀后,流入消毒池进行紫外线消毒后达标排放。二沉池污泥部分回流至氧化沟,剩余的污泥经压滤机压缩为泥饼后外运处理。
　　3总体控制要求及功能
　　 污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节,使处理后的水质指标达到要求的范围;在中控室发出上传指令时,将当前时刻运行过程中的主要工作参数(水质参数、流量、液位、设备运行时间等)、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到中控室。建成后的污水处理自控系统功能包括:
　　3.1控制操作
　　 系统采用三种控制模式即现场手动操作、控制柜远程操作、中控室计算机系统操作。现场操作一般只在设备调试或维修时使用,控制柜远程操作优先于计算机控制系统，主要由操作人员根据配电室检查情况进行操作，中控室计算机系统操作为主要操作,在这种方式下,各类泵、风机等设备的开、停,各种工况的切换,都由中控室根据实际情况进行控制,甚至可以对部分设备进行自动控制，而不需要操作人员干预。
　　 现场的泵类、风机、搅拌器等信号通过PLC的控制转化在上位机上显示,这样,既能对设备开关量,又能对现场的设备等进行调节,使全厂的工艺、设备运行得到全面的控制。
　　3.2显示功能
　　 中控室上位机监控系统以图形或图像的方式形象显示工艺流程、现场设备控制状态和数据、厂区概貌以及工艺布置图等。
　　3.3数据管理
　　 依据不同运行参数的变化快慢和重要程度,建立生产历史数据库,存储生产原始数据,供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析,得出一些有用的经验参数,并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。同时可以根据用户需求定义相关的报表格式。
　　3.4报警功能
　　 系统自动进行报警和事件处理,当报警发生时,如液位超高或风机超温,系统可快速检测并通过画面状态变化提示,并显示、打印相应报警文本,同时根据不同的需要发出不同等级的报警,提醒监控人员注意。
　　3.5打印功能
　　 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为:定时打印、事件触发打印和选择性打印。
　　4 PLC的硬件选择
　　 PLC在现代工业控制领域中早己得到了广泛的应用。以PLC的控制功能而言,PLC具有严谨、方便、易编程、易安装、可靠性高等优点。它通用性强,适应面广,特别在数字量输入输出等逻辑控制领域有无可比拟的优点。
　　 PLC具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令,它提供高质量的硬件、高水平的系统软件平台和易学易编程的应用软件平台。另外,PLC既有自身的网络体系又有开放I/O及通讯接口,很容易组建网络并实现远程访问。在众多的PLC生产厂家中,西门子公司的S7-300系列产品以其较高的性价比成为众多污水处理用户的首选。
　　 S7-300是模块化的中小型PLC系统,能满足中等性能要求的应用。模块化、无排风扇结构,各种单独的模块之间可进行广泛的组合以用于扩展。接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER),S7-300通过分布式的主机架(CR)和三个扩展机架(ER)可以操作多达32个模块。
　　 中央处理单元(CPU)集成有PROFIBUS- DP和MPI通讯接口,多点接口(MPI)用于同时连接编程器、PC机和人机界面等，也可以通过专用通信模块采用以太网、MODBUS等方式进行通信。信号模块(SM)用于数字量和模拟量的输入输出。
　　4.1变配电室PLC1站PLC硬件配置
　　 变配电室现场主站PLC1监控范围为粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池、氧化沟等,其主要控制对象为粗细格栅间的粗细格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、氧化沟的曝气设备、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备,此外,还负责进水水质如pH、SS(浊度测量)等参数的在线检测。
　　 其I/O配置为:DI=288、DO=96、A1=56、AO=4。电源采用PS307(5A)电源模块1块,CPU模块采用CPU315-2DP型号1块,其带有一个DP通讯口和一个MPI口,与计算机通信采用以太网方式，配置通信模块CP343-1以太网模块，数字量输入(DI)采用32点SM321模块9块,数字量输出(DO)采用32点SM322模块3块,模拟量输入
　　(AI)采用8点SM331模块7块,模拟量输出(AO)采用4点SM332模块1块。在现场实际中,数字量输入输出(DI/DO),模拟量输入输出(AI/AO)都有部分冗余,以备系统临时扩充需要。
　　4.2脱水机房PLC2站PLC硬件配置
　　 脱水机房现场站PLC2监控范围为消毒池、脱水机房、储泥池等,其主要控制对象为配水排泥井的污泥回流泵及剩余污泥泵,储泥池的搅拌器、电动阀门,脱水机房的进泥泵、输送机、浓缩机、加药系统等设备。此外还完成对处理工艺参数的监控。
　　 其I/O配置为:DI=64、DO=32、Al=16、AO=4。电源采用PS307(5A)电源模块1块,CPU模块也采用1块CPU315-2DP, 同样配置通信模块CP343-1以太网模块，数字量输入(DI)采用32点SM321模块3块,数字量输出(DO)采用32点SM322模块1块,模拟量输入(AI)采用8点SM331模块2块、模拟量输出(AO)采用4点SM332模块1块。在现场实际中,数字量输入输出(DI/DO),模拟量输入输出(AI/AO)都有部分冗余,以备系统临时扩充需要。
　　5 系统构成及其布局
　　 如果采用常规PLC集中控制方式,将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上,由于工艺线路长、现场控制点分布范围广,需要敷设大量的电缆及桥架,且现场环境恶劣、其施工难度非常大。
　　 鉴于此,采用了现在常用的工业以太网方式或现场总线技术,用于现场数据的采集和控制。本系统由于现场环境关系采用以太网实现计算机系统与PLC系统进行通信。根据工艺划分,系统共设了两个PLC站。控制系统分为三个级别,即现场级、控制级、管理级。其自控系统见图2。
　　
　　
　　图2自控系统结构图

　　5.1管理级
　　 管理级集中监控各个分站设备的运行状态。管理级通过以太网方式实现两台安装组态软件的冗余计算机与现场PLC的通信。安装在控制室内,可以同时收集现场各设备的数据。计算机采用西门子的Wincc 6.2组态软件。
　　5.2控制级和现场级
　　 控制级主要功能是接收管理层设置的参数或命令,对污水处理生产过程进行控制,将现场状态输送到管理层。根据该工艺流程和总平面布置,结合控制中心MCC的位置和供配电范围,按照控制对象的区域、设备数量,以就近采集和单元控制为划分区域的原则,在变配电室设一座现场PLC1站,在脱水机房设一座现场PLC2站, PLC1站与PLC2站之间通过以太网方式实现相互通信。现场主站PLC1、PLC2分别由电源模块PS 307、CPU315-2 DP模块、CP343-1模块和相应信号模块组成。
　　6 系统软件
　　 计算机操作系统采用Microsoft Windows XP professional中文版操作系统。上位机监控软件采用西门子的Wincc6.2组态软件。
　　 6.1 操作系统软件Windows XP professional中文版提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境,是目前使用广泛的工控操作系统。各工作站均采用此操作系统。
　　 6.2 西门子的Wincc6.2组态软件通过与S7-300的通讯实现了对整个系统的开关量、状态量、电量、模拟量的采集和处理,并显示在主工作站的界面上,便于调度员及时掌握系统的运行情况。Wincc6.2同时还可用于储存整个污水厂重要的历史数据等。
　　 6.3 STEP7用于对SIMATIC可编程序控制器进行组态和编程,可以利用IEC-1131标准中的六种编程语言(STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL)进行编程。STEP7还具有硬件的配置和参数化、通讯的定义、文档化和归档以及运行诊断等功能。
　　7结语
　　 该系统采用的 S7－300 可靠性极高，完全免维护，不仅坚固耐用，而且具有高电磁兼容性与抗冲击性。系统采用模块化结构, 硬件配置灵活, 软件编程方便, 接线简单,便于维护。整体系统技术先进、配置优化、可靠性高、兼容性好、易于升级、界面友好。
　　 系统采用了技术成熟的集散型分布式计算机控制系统，由设在中心控制室的集中监控管理级计算机和分散在各区段的控制级PLC 分控站组成。它集计算机技术、控制技术、通信技术以及显示技术于一体，通过工业以太网将中央级监控站和若干现场子站连接起来，实现了集中监测管理和分散控制。
　　 其通信系统工作稳定、经济实用、安全可靠，并具备良好的抗干扰性。该污水处理厂的自动控制系统具有良好的通用性、可扩展性和可维护性。由于其具有设计简单、控制效果好、易维护等优点，大大降低了工人的劳动强度，提高了管理水平，达到了设计要求。
　　
　　
　　
　　参考文献：
　　 [1]西门子(中国)自动化与驱动集团编.深入浅出西门子S7―300PLC.北京:北京航空航天大学出版社,2004.8
　　 [2]西门子(中国)自动化与驱动集团编.深入浅出西门子Wincc.北京:北京航空航天大学出版社,2004.8

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