基于S7-300PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴羽，楊云飛，任振華，張楹，高敏

（1.常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.常熟污水處理廠，江蘇常熟 215500）

基于S7-300PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴羽1，楊云飛1，任振華2，張楹2，高敏2

（1.常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500；2.常熟污水處理廠，江蘇常熟 215500）

針對(duì)污水處理控制系統(tǒng)變量多、系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，運(yùn)用西門子S7-300 PLC，結(jié)合相應(yīng)的I/O模塊，設(shè)計(jì)了污水處理控制系統(tǒng).運(yùn)用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法編寫控制程序，并采用PID控制算法對(duì)污水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，起到了節(jié)能降耗的作用.上位機(jī)人機(jī)界面操作方便，能夠形象生動(dòng)地反映系統(tǒng)工藝流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài).

污水處理；S7-300 PLC；PID；人機(jī)界面

1 污水處理工藝概述

本文以某市污水處理廠為工程實(shí)際背景，污水處理工藝流程如圖1所示.污水經(jīng)輸送管道首先進(jìn)入粗格柵間，攔截污水中較大的懸浮物及雜質(zhì).污水在粗格柵處理后流入提升泵房，提升泵房?jī)?nèi)的水泵將污水提升至細(xì)格柵間，進(jìn)一步攔截污水中較小的懸浮物質(zhì).之后污水流向平流沉砂池，通過重力作用和對(duì)污水流速的控制，使污水中比重大的無機(jī)顆粒下沉，而有機(jī)懸浮顆粒隨水流帶走，以免其磨損設(shè)備，影響污水處理質(zhì)量.經(jīng)過沉砂池處理后的污水流向SBR池，采用SBR工藝對(duì)污水進(jìn)行處理.

SBR（即序批式活性污泥法）系統(tǒng)分為以下五個(gè)階段：進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水、閑置.一個(gè)SBR運(yùn)行周期為8小時(shí)：進(jìn)水1小時(shí)、曝氣4.5小時(shí)、沉淀1小時(shí)、潷水1小時(shí)、閑置0.5小時(shí).曝氣是污水處理工藝最重要的一道工序，當(dāng)SBR池內(nèi)污水達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，開啟攪拌器和鼓風(fēng)機(jī)，進(jìn)行曝氣.曝氣結(jié)束后，污水靜置沉淀，1小時(shí)后開啟潷水器電機(jī)，將沉淀后的上層清液排出池外.

圖1 污水處理工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

污水處理控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表三部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.下位機(jī)選用西門子S7-300 PLC為主控制器，上位機(jī)以國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王為人機(jī)界面開發(fā)平臺(tái).根據(jù)污水處理工藝流程及控制要求，設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控界面和下位機(jī)PLC控制程序.操作人員通過上位機(jī)運(yùn)行界面可以直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)污水處理工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行情況，也可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令，由PLC根據(jù)控制程序?qū)μ幚磉^程進(jìn)行控制.為方便調(diào)試和檢修，設(shè)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式.

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該污水處理控制系統(tǒng)選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC作下位機(jī).基于模塊化設(shè)計(jì)的S7-300 PLC采用DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，各模塊間能夠進(jìn)行各種組合和擴(kuò)展.PLC選用CPU313C-2DP，它適合安裝在分布式結(jié)構(gòu)中，集成的數(shù)字量I/O可直接與過程連接.內(nèi)置MPI接口可以最多同時(shí)建立8個(gè)與S7-300PLC或與PG、PC和OP的連接.通過集成的與過程相關(guān)的功能還可以實(shí)現(xiàn)其它應(yīng)用如計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量和PID控制.

根據(jù)污水處理工藝控制要求，系統(tǒng)需要用到的數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為12/31，模擬量輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為3/ 1.CPU313C-2DP集成的16 DI/DO并不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要在機(jī)架的相應(yīng)槽位擴(kuò)展I/O模塊.選用SM322（DO16）和SM334（AI4/AO2）作為擴(kuò)展I/O模塊，各模塊在機(jī)架上的配置如圖3所示，圖中數(shù)字1-5為機(jī)架槽號(hào).

圖3 模塊配置示意圖

4 控制程序設(shè)計(jì)

4.1 PID控制程序設(shè)計(jì)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制.PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一.

根據(jù)工藝要求，需要對(duì)污水進(jìn)水進(jìn)行流量控制.PLC經(jīng)AI采集流量計(jì)檢測(cè)到的當(dāng)前污水流量并進(jìn)行PID運(yùn)算，經(jīng)PID控制運(yùn)算后的控制量由PLC的AO輸出到變頻器的控制端，通過控制變頻器的輸出頻率和水泵轉(zhuǎn)速使流量控制在設(shè)定值（如圖4所示）.

PID控制程序在組織塊OB35中進(jìn)行編寫.程序中，除了調(diào)用PID功能模塊FB41外，還需要?jiǎng)?chuàng)建三個(gè)功能即FC5、FC6和FC7，調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖5所示.FC5用于實(shí)現(xiàn)模擬量輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將原始值轉(zhuǎn)換為工程量.FC5的輸入值數(shù)據(jù)為WORD類型，輸出值數(shù)據(jù)為REAL型；FC6用于實(shí)現(xiàn)模擬量輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)C6輸入值數(shù)據(jù)為REAL型，輸出數(shù)據(jù)為WORD型；FC7用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制時(shí)輸入數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換.

在FB 41內(nèi)部，PID控制器的給定值、反饋值和輸出值都是用0.0-100.0之間的浮點(diǎn)數(shù)表示，流量計(jì)檢測(cè)到的流量數(shù)據(jù)經(jīng)AI模塊送入PLC并轉(zhuǎn)換成0-27648的數(shù)字量.在PID運(yùn)算前，必須將0-27648的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為0.0-100.0之間的浮點(diǎn)數(shù)（如圖6所示）.同理，經(jīng)PID運(yùn)算后的輸出數(shù)據(jù)需要進(jìn)行上述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的逆轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)AO輸出到變頻器控制端，控制變頻器輸出頻率.

圖4 流量閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 OB35程序結(jié)構(gòu)

圖6 模擬量輸入輸出轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖

4.2 污水處理控制程序設(shè)計(jì)

按照污水處理工藝流程，污水處理是按一定順序逐步進(jìn)行的，各個(gè)階段處理工藝和控制要求都不同.根據(jù)各階段的控制要求，在功能塊FB和功能FC中進(jìn)行編程，由組織塊OB1調(diào)用功能塊FB和功能FC.功能FC1、FC2、FC3和FC4分別編程實(shí)現(xiàn)粗格柵間、提升泵房、細(xì)格柵間和沉砂池的控制要求.

需要處理的污水是不斷地流入污水處理廠的，一個(gè)SBR池的工作周期是8小時(shí)，并不能對(duì)所有污水進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，根據(jù)污水處理工藝過程，生產(chǎn)中建立了多個(gè)SBR池對(duì)污水進(jìn)行處理，因每個(gè)SBR池控制要求相同，為了減少背景數(shù)據(jù)塊的數(shù)量，采用多重背景功能塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì).使用多重背景時(shí)只需要建立一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊DB2，在FB2的變量聲明表中聲明靜態(tài)局域數(shù)據(jù)（STAT）FB1，F(xiàn)B1編程實(shí)現(xiàn)SBR池的控制要求.功能塊FB2用于調(diào)用作為“局域背景”的FB1，F(xiàn)B1的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DB2中，不需要單獨(dú)給FB1分配背景數(shù)據(jù)塊.

圖7 多重背景程序結(jié)構(gòu)

5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)以國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王為人機(jī)開發(fā)平臺(tái).打開組態(tài)王后，首先在工程管理器中新建工程，指定工程所在路徑.雙擊進(jìn)入工程瀏覽器，選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項(xiàng)“設(shè)備COM1”，在工程瀏覽器右側(cè)雙擊“新建”，運(yùn)行“設(shè)備配置向?qū)А?，選擇“PLC西門子S7-300系列MPI（電纜）”.

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)有主畫面、提升泵房、沉砂池、SBR池、歷史曲線、報(bào)表和故障報(bào)警等個(gè)功能畫面，各畫面之間能夠流暢自然地切換.污水處理主監(jiān)控畫面如圖8所示，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示整個(gè)污水處理工藝過程及各階段相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況.提升泵房、沉砂池和SBR池能夠生動(dòng)形象地顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量值.歷史趨勢(shì)曲線和報(bào)表畫面用于顯示和記錄生產(chǎn)工藝中的一些重要參數(shù)，且報(bào)表能夠根據(jù)需要打印數(shù)據(jù).當(dāng)系統(tǒng)中某個(gè)設(shè)備發(fā)生狀況或水位過高時(shí)，會(huì)在故障報(bào)警窗口產(chǎn)生報(bào)警提示信息.

圖8 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

6 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)污水處理控制系統(tǒng)以S7-300 PLC為主控制器，采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，程序可讀性強(qiáng)，維護(hù)方便，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.上位機(jī)人機(jī)界面美觀、便于操作，生動(dòng)形象地反映了污水處理工藝流程和設(shè)備運(yùn)行情況.對(duì)于中小型污水處理廠而言，基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景.

[1]廖常初.大中型PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]胡健.西門子S7-300 PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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The Design of Sewage Treatment Control System Based on S7-300PLC

DAI Yu1,YANG Yun-fei1,REN Zhen-hua2,ZHANG Ying2,GAO Min2
(1.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Changshu Sewage Treatment Plant,Changshu 215500,China)

In order to solve the problems that sewage treatment control system has many variables and complexi?ties,this paper introduces a sewage treatment control system which uses Siemens S7-300 PLC and combines the corresponding I/O modules.In this system,structured-programming method is adopted to write the control program and the PID control algorithm is used to control the real-time sewage flow,which can reduce the energy consum?ing.The human-machine interface of the upper computer is easy to operate.Additionally,it can reflect the system process and the current statement of equipment’s operation.

sewage treatment;S7-300 PLC;PID;HMI

TP273

B

1008-2794（2012）04-0091-04

2012-03-29

戴羽（1989—），男，江蘇泰州人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院測(cè)控專業(yè)學(xué)生.