基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線的工業(yè)污水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對(duì)A2O的污水處理工藝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線的污水處理自控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：電氣部分、PLC程序編制、監(jiān)控軟件WinCC設(shè)計(jì)。介紹了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備的選型、PLC的模塊選擇、硬件的組態(tài)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：污水處理；S7-300 PLC；PROFIBUS；WINCC

1引言

隨著我國(guó)工業(yè)近年來(lái)的飛速發(fā)展，各種工業(yè)污染源在嚴(yán)重地影響著人們地生存環(huán)境，尤其是工業(yè)污水使不少地區(qū)水環(huán)境惡化，因而環(huán)境保護(hù)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中顯得越來(lái)越重要。工業(yè)污水由于成分復(fù)雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業(yè)發(fā)展壯大的瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)污水處理的過(guò)程能在惡劣的環(huán)境中（溫差大，污水水質(zhì)水量變化大，電網(wǎng)電壓波動(dòng)大，電氣干擾嚴(yán)重）能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地工作，對(duì)控制系統(tǒng)的要求有著比一般的過(guò)程控制系統(tǒng)更高的要求。

污水控制量主要有：進(jìn)水流量、PH值、溶解氧（簡(jiǎn)稱(chēng)DO）、二沉池污泥高度、F/M（food/microorganism)控制等。

2本工程污水處理工藝流程概述

事故調(diào)節(jié)系統(tǒng)由事故池、攪拌機(jī)、提升泵等組成。污水來(lái)源主要由事故排放的廢水組成。通過(guò)調(diào)節(jié)池對(duì)水質(zhì)水量的均衡調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)出流，并將水質(zhì)的沖擊負(fù)荷減至最低；調(diào)節(jié)池內(nèi)采用攪拌裝置進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的混合均勻并防止固體顆粒沉淀。綜合廢水預(yù)處理系統(tǒng)。綜合廢水預(yù)處理系統(tǒng)由預(yù)沉池、綜合廢水調(diào)節(jié)池、攪拌機(jī)、綜合廢水提升泵、流量計(jì)、PH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。在上面的流程中，還有加混凝劑和暴氣等裝置以及污泥的處置單元來(lái)收集各個(gè)沉淀池的污泥。

在本項(xiàng)目中對(duì)化學(xué)需氧量COD的控制主要通過(guò)污水在UASB單元和A2/O單元的停留時(shí)間，以及暴氣時(shí)間和暴氣量的大小來(lái)控制。

3污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS控制系統(tǒng)）。整個(gè)污水處理站控制部分由中央控制室、風(fēng)機(jī)房、污泥處理房構(gòu)成。中央控制室里面設(shè)置中央控制的PLC和裝有WINCC組態(tài)軟件的上位機(jī)以及電氣控制柜。風(fēng)機(jī)房里面設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程I/O控制站和風(fēng)機(jī)部分的電氣柜。污泥房設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程I/O控制站和污泥機(jī)的電氣控制柜。

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線混合型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)層的通信采用PROFIBUS-DP主/從協(xié)議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，不同的子網(wǎng)和不同介質(zhì)之間可通過(guò)藕合器或接口模塊連接。過(guò)程監(jiān)控層使用以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)帶有雙網(wǎng)卡的PLC進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，一塊網(wǎng)卡為PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（自帶），另一塊為以太網(wǎng)卡（CP343-1）。因此，PLC作為現(xiàn)場(chǎng)總線中的一個(gè)站，又作為以太網(wǎng)上的一個(gè)站點(diǎn)，而操作員站計(jì)算機(jī)和工程師站計(jì)算機(jī)不作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)。只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，此網(wǎng)上的各站點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行，而現(xiàn)場(chǎng)的信息也通過(guò)以太網(wǎng)從PLC的寄存器中讀取，控制現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)也由以太網(wǎng)送到DP主站PLC的寄存器中，再通過(guò)主/從協(xié)議傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線中的各從站。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖2

PLC選用西門(mén)子公司SIMATIC S7-300的可編程序控制器進(jìn)行程序控制。CPU選用帶有PROFIBUS-DP接口的CPU315-2DP，配有ET200的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)。由于這個(gè)污水站中央控制室與風(fēng)機(jī)房和污泥機(jī)房都沒(méi)有超過(guò)200米，所以當(dāng)選擇傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下，無(wú)需選擇RS485中繼器即可直接用PROFIBUS電纜把他們連接起來(lái)。

3.2功能模塊的選擇

根據(jù)工藝的需要和控制要求，本系統(tǒng)需要數(shù)字輸入量196點(diǎn)，數(shù)字輸出量56點(diǎn)，模擬輸入點(diǎn)27點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)的余量，選用西門(mén)子的SM321的32點(diǎn)DI32數(shù)字量輸入模塊6塊，SM321的16點(diǎn)數(shù)字量DI16輸入模塊1塊；選用SM322的D032數(shù)字輸出量模塊1塊，SM322的DI16數(shù)字量輸出模塊2塊；SM331的8點(diǎn)AI8的12位模擬量輸入模塊4塊；SM332的2點(diǎn)AO2的12位模擬量輸出模塊1塊；ET200遠(yuǎn)程輸入輸出通訊模塊兩塊。

數(shù)字輸入模塊SM321向外提供電源，將位于現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的狀態(tài)經(jīng)過(guò)光電隔離和濾波，將從過(guò)程傳輸來(lái)的外部數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部S7-300信號(hào)電平。然后送至輸入緩沖器等待CPU采樣，采樣過(guò)程是信號(hào)經(jīng)過(guò)背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。西門(mén)子的ET200是基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式I/O，可以與經(jīng)過(guò)認(rèn)證的非西門(mén)子公司生產(chǎn)PROFIBUS-DP主站協(xié)同運(yùn)行。

3.3現(xiàn)場(chǎng)儀表選型

選用了3臺(tái)梅特勒的在線溶解氧儀。對(duì)好氧池的溶解氧進(jìn)行在線測(cè)量，將溶氧儀的模擬信號(hào)輸入到PLC，在上位機(jī)上顯示。

選用了3臺(tái)梅特勒的在線PH計(jì)。對(duì)UASB進(jìn)水PH進(jìn)行在線監(jiān)控，將PH計(jì)的模擬信號(hào)輸入到PLC，再由PLC來(lái)控制酸、堿計(jì)量泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整廢水的PH值，直至達(dá)到工藝的要求。對(duì)UASB出水的PH進(jìn)行在線顯示。

選用了9臺(tái)日本橫河公司產(chǎn)的電磁流量計(jì)。UASB進(jìn)水及回水管路、A2/O內(nèi)外回流管路選用了8臺(tái)電磁流量計(jì)、在總出水口選用了1臺(tái)超聲波流量計(jì)，用于檢測(cè)污水的流量。在PC監(jiān)控機(jī)上，可分析顯示其瞬時(shí)流量。

選用了一只上海儀表廠的熱電阻。對(duì)UASB進(jìn)水的溫度進(jìn)行在線測(cè)量，將熱電阻的模擬信號(hào)輸入到PLC，再由PLC來(lái)控制蒸氣調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟度，動(dòng)態(tài)調(diào)整廢水的溫度，直至達(dá)到工藝要求。

選用3套在線液位計(jì)檢測(cè)事故池、綜合廢水調(diào)節(jié)池、污泥貯池的液位，控制水泵的啟停

3.4電氣部分設(shè)計(jì)

由于污水處理工程是一個(gè)連續(xù)的非常重要的項(xiàng)目，如果在正常生產(chǎn)中有電源中斷，那樣會(huì)引起工藝狀態(tài)混亂。需要很長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)，所以供電負(fù)荷要求為二級(jí)。供電電源為兩個(gè)，這個(gè)在公司的總的配電室實(shí)現(xiàn)。

本工程的的主要用電負(fù)荷為鼓風(fēng)機(jī)、提升泵和污泥脫水機(jī)等。根據(jù)工藝要求，污水站的一期裝機(jī)總?cè)萘繛?45.5KW，計(jì)算容量為154.4KW。供電電源由甲方工廠的總配電室引出用兩根直埋電纜雙拼，埋地引至污水站內(nèi)的電源柜的總短路器的上端子。由于這個(gè)系統(tǒng)中有著PLC等各種精密的儀表，所以必須把中線N和地線PE嚴(yán)格分開(kāi)。所以整個(gè)供電系統(tǒng)為三相五線接線方式（TN-S系統(tǒng)），在進(jìn)線處進(jìn)行重復(fù)接地。低壓集中無(wú)功補(bǔ)償在甲方的中心配電室進(jìn)行。

污水站電纜采用電纜橋架和穿鍍鋅鋼管的方式敷設(shè)。電力電纜選用VV-1KV和RVV電纜，控制電纜選用KVV-0.6KV，儀表電纜選用KVVP-0.6KV。

本工程控制系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)控制中心（MCC）?？偟牡蛪号潆娭行腗CC1負(fù)責(zé)向MCC2和MCC3單路供電，MCC1還對(duì)提升泵、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制。MCC2實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閥的控制，MCC3實(shí)現(xiàn)對(duì)脫水機(jī)的控制。

電機(jī)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)（PLC）兩種控制方式，手動(dòng)方式下實(shí)現(xiàn)MCC和就地控制，正常運(yùn)行情況下PLC控制為主。當(dāng)電機(jī)容量大于15KW時(shí)采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，本污水站的最大電機(jī)容量為風(fēng)機(jī)37KW，三臺(tái)都用變頻運(yùn)行。

3.5 S7-300PLC的硬件的組態(tài)

整個(gè)控制系統(tǒng)硬件組態(tài)包括一個(gè)作為控制系統(tǒng)核心的S7-300PLC站，一個(gè)作為主控操作站的PC機(jī)和一個(gè)作為公司監(jiān)控站的PC機(jī)。

控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)是PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，由S7-300PLC和兩個(gè)遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)ET200M模塊構(gòu)成，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，由S7-300PLC、主控操作站和公司監(jiān)控站構(gòu)成。具體的組態(tài)情況如圖3

在主控操作站的PLC由兩個(gè)導(dǎo)軌，一塊上面安裝PS307 5A的電源模塊1塊，CPU315-2DP模塊1塊，IM360接口模塊一塊，CP 343-1以太網(wǎng)通信模塊1快，SM321的DI32*24V輸入模塊4塊，SM321的DI16*24V輸入模塊1塊，SM322的DO32*24輸出模塊1塊，另一塊導(dǎo)軌上面安裝有IM361接口模塊一塊，SM331的AI8*12Bit輸出模塊2塊，SM332的AO2*12Bit輸出模塊1塊。

風(fēng)機(jī)房的ET200M上安裝IM153-2接口模板一塊，SM321的DI32*24V輸入模塊1塊， SM322的DO16*24輸出模塊1塊。

污泥機(jī)房的ET200M上安裝IM153-2接口模板一塊，SM321的DI32*24V輸入模塊1塊， SM322的DO16*24輸出模塊1塊。

在整個(gè)的控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制部分主要有調(diào)節(jié)池T201的PH、溫度、液位的自動(dòng)控制；事故池的T101的液位控制；還有UASB部分T301、一級(jí)A2O處理池T304、二級(jí)A2O處理池T305等的一些流量控制。監(jiān)測(cè)參量部分有各個(gè)池的液位、溫度、PH值以及管道的流量值。下面以調(diào)節(jié)池的液位控制為例說(shuō)明具體的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。

由于本工藝的進(jìn)水部分有一個(gè)代號(hào)為T(mén)201的綜合調(diào)節(jié)池，它是廢水進(jìn)入生化反應(yīng)前的最重要的一道處理工序，在這個(gè)里面進(jìn)行溫度、PH調(diào)節(jié)以及水池的水位的調(diào)節(jié)。有事故池、沖洗廢水、透析廢水向綜合調(diào)節(jié)池排放。

為了使這個(gè)池的水位穩(wěn)定在一定的水位，而且也不浪費(fèi)能源的情況下，我們?cè)谶@個(gè)調(diào)節(jié)池中設(shè)置了水位自動(dòng)控制功能。當(dāng)調(diào)節(jié)池的水位通過(guò)西門(mén)子的超聲波液位儀L201采集標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的信號(hào)送到PLC的模擬量輸入模塊SM331，再在PLC內(nèi)部和通過(guò)上位機(jī)設(shè)定的液位值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)設(shè)定水位，P201A或者P201B必須有一臺(tái)泵啟動(dòng)。

綜合調(diào)節(jié)池中有兩臺(tái)提升泵P201A和P201B，它門(mén)之間是互為備用，一般的互為備用是當(dāng)其中一臺(tái)泵發(fā)生故障的時(shí)候，另外一臺(tái)泵自動(dòng)啟動(dòng)。在前面的那種設(shè)計(jì)情況下，當(dāng)主備泵都出現(xiàn)故障的時(shí)候，那樣會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)泵來(lái)回切換的情況，這樣也使的接觸器也在一直的吸放的過(guò)程，這樣會(huì)損壞接觸器甚至使電氣的故障進(jìn)一步的加大。在這個(gè)項(xiàng)目中這個(gè)地方設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些改進(jìn)，如果在30秒內(nèi)，兩臺(tái)泵如果啟停動(dòng)作超過(guò)2次，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生一個(gè)不同于普通的一臺(tái)提升泵故障的報(bào)警信號(hào)，這個(gè)時(shí)候必須在消除了這個(gè)報(bào)警信號(hào)后，水泵才能啟動(dòng)。

在本工程調(diào)節(jié)池T201的PLC控制系統(tǒng)中，溫度控制部分的工作原理是：通過(guò)PT100的熱電阻TEMP201的溫度采集，使用的PID調(diào)節(jié)模塊，并通過(guò)模擬量輸出模塊來(lái)控制調(diào)節(jié)閥TF201開(kāi)度來(lái)控制蒸汽流量的大小，從而達(dá)到控制溫度的作用。PH控制系統(tǒng)的工作原理是：通過(guò)梅特勒公司生產(chǎn)的PH在線檢測(cè)儀表PH201檢測(cè)PH值，在PLC中與設(shè)定值比較運(yùn)算出結(jié)果，通過(guò)開(kāi)關(guān)閥P601控制從酸儲(chǔ)罐T601流出酸的管道通斷以及通過(guò)開(kāi)關(guān)閥P602控制從堿儲(chǔ)罐T602流出堿的管道通斷，從而達(dá)到控制PH值的目的。其他部分的參數(shù)控制類(lèi)似與上面的控制原理。

3.5上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

本工程是使用西門(mén)子公司的WINCC軟件開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件?？梢员O(jiān)控所有控制保存各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)參數(shù)。污水處理廠中使用的污水、污泥泵和各種風(fēng)機(jī)，使用用變頻調(diào)速器進(jìn)行鼓風(fēng)量的控制，這樣既能夠精確的控制各個(gè)池中的溶氧量，也能夠節(jié)省大量的電能。

本工程有各個(gè)單元處理階段的畫(huà)面，有事故池、調(diào)節(jié)池、UASB、A2O,沉淀池，污泥機(jī)等畫(huà)面，可以對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行分別監(jiān)視操作。

4結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用了以西門(mén)子自動(dòng)化設(shè)備為基礎(chǔ)，采用了現(xiàn)代先進(jìn)的控制方法和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，投入生產(chǎn)后，減輕大量的勞動(dòng)量，并且出水的水質(zhì)質(zhì)量和水質(zhì)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)控制方法有了很大的提高。并且實(shí)時(shí)采集了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為以后的對(duì)污水處理的工藝等研究提供了重要的資料。產(chǎn)生了很好的積極和社會(huì)效益。

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（基金項(xiàng)目：本文受常州電大青年骨干教師基金資助）