基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)

黃俊勇

（廣州惠暢機(jī)電科技有限公司，廣東 廣州 510760）

1 引言

環(huán)境污染問題是當(dāng)今世界上最大的社會問題之一，尤其是水資源的過度開發(fā)和不合理利用。為了合理利用水資源，保護(hù)水體環(huán)境，國家已把城市給排水列為基本建設(shè)領(lǐng)域重點支持的產(chǎn)業(yè)，并提出至2000年我國污水處理率達(dá)到25%，2010年污水處理率達(dá)到40%的總體目標(biāo)，要求“七大流域”、“三大湖泊”和重點沿海城市及其近岸海域城市、非農(nóng)業(yè)人口50萬以上的城市都要建設(shè)城市污水處理廠。因此，為使有限的投資取得好的效益，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。

隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，可以對污水處理實現(xiàn)日常的信息化管理。針對太原某生活污水處理系統(tǒng)，設(shè)計一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus－DP總線的污水處理自控系統(tǒng)，對污水處理過程進(jìn)行自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視。采用S7－300 PLC可編程序控制器和智能檢測儀表組成下位機(jī)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。上位機(jī)采用WINCC V7.0組態(tài)軟件，實現(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。

2 污水處理工藝流程

采用改良A2/O污水處理工藝，工藝流程如圖1所示。污水自流入廠內(nèi)機(jī)械粗格柵井，經(jīng)進(jìn)水泵房提升后輸送至細(xì)格柵渠，然后經(jīng)旋流沉砂池沉砂處理，從沉砂池出來的污水進(jìn)入改良型A2/O生化池，生化處理后的污水排入二沉池、最后經(jīng)消毒池消毒，部分回用，部分排入汾河。

圖1 污水處理工藝流程圖

3 污水處理控制系統(tǒng)總體方案

全廠控制系統(tǒng)分為兩個部分：中控室集中監(jiān)控管理中心和8個現(xiàn)場PLC控制站。

工業(yè)控制網(wǎng)采用光纖作為傳輸介質(zhì)組成環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場控制站PLC聯(lián)接，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性，數(shù)據(jù)通訊在確保的可預(yù)見時間內(nèi)到達(dá)。

系統(tǒng)控制設(shè)備之間相對獨(dú)立運(yùn)行，現(xiàn)場控制站、設(shè)備控制單元發(fā)生故障時，不會影響其上級、下級或同級的其它控制站控制單元的正常運(yùn)行?，F(xiàn)場控制站設(shè)置觸摸屏作為就地人機(jī)交互接口HMI，操作人員可對該控制站監(jiān)控范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行就地集中控制，或在中控室授權(quán)后就地更改設(shè)定本站的工藝控制參數(shù)。其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工程師站可以對現(xiàn)場控制站、設(shè)備控制單元的相關(guān)軟件進(jìn)行維護(hù)。正常工作時，兩臺工作站同時工作，實時地完成同步操作。監(jiān)控工作站通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與工業(yè)控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接，自控系統(tǒng)的控制別設(shè)置為三層：第一層為現(xiàn)場手動控制，在各電氣站點設(shè)置現(xiàn)場手動控制箱，可單獨(dú)啟停各測試設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)；第二層為PLC邏輯聯(lián)動控制，由PLC根據(jù)現(xiàn)場測試設(shè)備采集的數(shù)椐及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行邏輯關(guān)系，自動控制各站點內(nèi)的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；第三層為中央控制計算機(jī)監(jiān)測，修改PLC控制參數(shù)，上位機(jī)點動控制，實現(xiàn)實時監(jiān)控。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

中央控制室由一臺操作員站、一臺工程師站及中控交換機(jī)等組成，中央控制室使用工控機(jī)，配置以太網(wǎng)卡CP1613，以WinCC7.0組態(tài)軟件為開發(fā)平臺組態(tài)的控制系統(tǒng)顯示畫面?，F(xiàn)場過程PLC控制系統(tǒng)主要選用S7－300的產(chǎn)品，模塊化結(jié)構(gòu)，硬件配置較靈活，軟件編程方便。PLC的CPU選用CPU315－2DP，它具有大型的程序存儲容量，集成了Profibus－DP總線的端口，利用這個口實現(xiàn)與遠(yuǎn)程的ET200以及現(xiàn)場儀表通信，可以配制成分布的自動化結(jié)構(gòu)，易于今后的系統(tǒng)擴(kuò)展。智能化的診斷功能連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)工作是否正常，并記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件。整個控制系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)上、下位機(jī)的通訊，從而實現(xiàn)整個污水處理廠的管、控一體化。

根據(jù)工藝的需要和控制要求，本系統(tǒng)設(shè)置8個現(xiàn)場PLC控制站，包括數(shù)字輸入量726點，數(shù)字輸出量244點，模擬輸入點124點，模擬輸出點33點。同時綜合考慮到系統(tǒng)的余量，輸入輸出控制點有20%的余量，并預(yù)留30%空槽。鑒于系統(tǒng)防雷性能的要求，輸入輸出模塊均具備隔離性能。選用SM321的32點DI32＊24V數(shù)字量輸入模塊23塊，SM321的16點數(shù)字量DI16＊24V輸入模塊6塊；SM322的DO16＊24V數(shù)字量輸出模塊19塊；SM331的8點AI8＊12bit模擬量輸入模塊19塊；SM332的4點AO2＊12bit模擬量輸出模塊12塊；ET200遠(yuǎn)程I/O接口模塊兩個。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 PLC 程序

PLC程序滿足現(xiàn)場工作站和設(shè)備控制的全部要求。實現(xiàn)工藝電控設(shè)備的順序、條件、計時、計數(shù)控制、PID調(diào)節(jié)等控制功能，以及流量及功率參數(shù)的自動累積和數(shù)據(jù)處理功能。

控制軟件除能夠確保相關(guān)工藝及設(shè)備間的聯(lián)動互鎖的一般要求外，還能滿足復(fù)雜工藝過程的控制要求。

控制設(shè)備首次上電運(yùn)行或由手動轉(zhuǎn)為自動時，能夠判斷其所控設(shè)備或工藝過程的現(xiàn)有狀態(tài)，在其運(yùn)行后不會使設(shè)備或工藝過程被不正常中斷或出現(xiàn)被控參數(shù)的突變和振蕩超調(diào)，以實現(xiàn)真正的無擾動切換。

當(dāng)某臺設(shè)備或某個部件出現(xiàn)故障，控制器能夠作出相應(yīng)的處理，將故障控制在最小的范圍之內(nèi)，防止由此而引起的相關(guān)設(shè)備或工藝過程的連鎖反應(yīng)；同時能立即判斷出故障的位置，并將其送至中控主機(jī)或操作顯示終端予以報警。

軟件設(shè)計與執(zhí)行將以模塊化的形式表示PLC硬件劃分和設(shè)備的組合，模塊類型以傳感器、回路、裝置和自動化流程進(jìn)行劃分。PLC控制站程序結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可讀性強(qiáng)，I/O點連續(xù)、集中。

5.2 監(jiān)控界面設(shè)計

中央管理中心設(shè)置兩臺計算機(jī)分別作為操作站和工程師站相互備用，利用WinCC7.0組態(tài)軟件開發(fā)的污水處理監(jiān)控界面，對全廠工藝設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，遙控現(xiàn)場設(shè)備。監(jiān)控計算機(jī)通過集成的1000M網(wǎng)卡與PLC系統(tǒng)經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

中控室的監(jiān)控程序有如下主要功能：

（1）工藝流程監(jiān)控功能。具有友好中文操作界面，各個界面之間切換達(dá)到流暢、自然，能動態(tài)顯示整個廠區(qū)及各個單體的在線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及儀表測量值，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點狀態(tài)；

（2）數(shù)據(jù)記錄存儲功能。監(jiān)控程序根據(jù)需要，采集各分控站的各類數(shù)據(jù)和信號，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)回放、趨勢曲線繪制；

（3）多級口令登錄功能：具有安全登錄窗口，并把登陸詳細(xì)信息存入數(shù)據(jù)庫；分管理員、工程師、操作員三個等級登陸，憑口令來使用監(jiān)控程序；

（4）打印功能。具有各種數(shù)據(jù)報表輸出功能，根據(jù)生產(chǎn)需要，及時完整地生成生產(chǎn)報表；

（5）報警及報警記錄功能。具有多種報警功能，包含優(yōu)先級報警、多狀態(tài)報警、事件報警和確認(rèn)報警等；

（6）操作人員對設(shè)備的所有操作或報警值的修改，其操作記錄由監(jiān)控軟件記錄，并由獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫存儲；

（7）操作記錄功能。系統(tǒng)自動保存重要操作記錄，如改動參數(shù)，操作設(shè)備的操作員代號、時間、內(nèi)容等。

（8）實時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線。對重要工藝參數(shù)可以進(jìn)行實時曲線顯示，并記錄歷史數(shù)據(jù)曲線。

6 結(jié)束語

PLC作為成熟的控制器，其編程語言及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性，便于控制系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)，很好地滿足了污水生產(chǎn)工藝的要求，在避免功能浪費(fèi)的同時降低了系統(tǒng)造價。采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證了通訊網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性和穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)了通訊的高速化。以PLC為基礎(chǔ)采用工業(yè)以太網(wǎng)搭建的控制系統(tǒng)，在污水處理廠的自動化控制中具有成熟可靠，既滿足生產(chǎn)工藝要求，同時也降低了工程造價，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］張衛(wèi)娜.基PLC的污水處理系統(tǒng)研究［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2007，24（3）：67－68.

［2］王常力，廖道文.集散控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

［3］唐翀鵬，馮 健，王 水.A2/O工藝在邳州城北污水處理廠的應(yīng)用［J］.環(huán)境科技，2010，23（3）：40－42，45.