基于S7－400 PLC的污水處理控制系統(tǒng)

祁生珠

（青海鹽湖海納化工有限公司，青海西寧810000）

基于S7－400 PLC的污水處理控制系統(tǒng)

祁生珠

（青海鹽湖海納化工有限公司，青海西寧810000）

摘要：以某污水處理控制系統(tǒng)為例，討論了S7－400 PLC在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用，分別對(duì)系統(tǒng)硬件選型、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及監(jiān)控界面組態(tài)進(jìn)行了說(shuō)明。該系統(tǒng)由于自動(dòng)化程度高，節(jié)約了污水處理成本，提高了污水處理效率。關(guān)鍵詞：AB法PLC工業(yè)以太網(wǎng)Profibus－DP

1　引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高，國(guó)家對(duì)企業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格，污水處理越來(lái)越受到企業(yè)的重視。污水的循環(huán)利用是節(jié)約用水的有效途徑，既是保護(hù)環(huán)境的好辦法，又是減少生產(chǎn)成本的重要舉措。本文以某污水處理工程為例來(lái)說(shuō)明基于S7－400 PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理工程中的應(yīng)用，為PLC在污水處理工程中的使用提供一個(gè)實(shí)例。

2　工藝簡(jiǎn)介

AB工藝由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)賓克（Bohnke）教授于20世紀(jì)70年代中期開創(chuàng)，80年代初應(yīng)用于實(shí)踐。目前，國(guó)內(nèi)已有多家城市污水處理廠采用了AB法工藝。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，AB法主要有下列特征：①未設(shè)初沉池，由吸附池和中間沉淀池組成的A段為一級(jí)處理系統(tǒng)；②B段由曝氣池和二次沉淀池組成；③A、B兩段各自擁有獨(dú)立的污泥回流系統(tǒng)，兩段完全分開，各自具有獨(dú)特的微生物群體，有利于功能的穩(wěn)定［1］，工藝流程如圖1所示。

3　自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1硬件選擇

本控制系統(tǒng)采用S7－400系列PLC產(chǎn)品，主控制站CPU采用S7－400中的414H，S7－400的主要有極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量等特色。Simatic S7－400是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。模塊化及無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)、堅(jiān)固耐用、容易擴(kuò)展和廣泛的通訊能力、容易實(shí)現(xiàn)的分布式結(jié)構(gòu)以及用戶友好的操作使Simatic S7－400成為中、高檔性能控制領(lǐng)域中首選的理想解決方案［2］。

遠(yuǎn)程站采用ET200系列通訊模塊，I／O模塊采用S7－300系列產(chǎn)品。典型應(yīng)用包括：控制連網(wǎng)與互鎖、數(shù)據(jù)采集、程序上傳／下載、遠(yuǎn)程在線編程、操作員接口之間的連接以及主機(jī)數(shù)據(jù)采集等。

圖1　AB法典型工藝流程

圖2　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)、二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

三層結(jié)構(gòu)包括就地控制層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、中心控制層。其中，就地控制層由設(shè)置在各單體電控設(shè)備內(nèi)的就地控制模塊和部分工藝機(jī)組自帶的控制器組成；現(xiàn)場(chǎng)控制層由污水泵房分控站、鼓風(fēng)機(jī)房分控站、污泥脫水機(jī)房分控站和加氯加藥間分控站組成；中心控制層由設(shè)置在中控制室內(nèi)的3套中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)、投影儀及打印機(jī)等外設(shè)組成。

二級(jí)網(wǎng)絡(luò)包括管理信息網(wǎng)和實(shí)時(shí)控制網(wǎng)。其中，管理信息網(wǎng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的形式，用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制單元的PLC系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及管理；實(shí)時(shí)控制網(wǎng)是現(xiàn)場(chǎng)控制單元與中心控制單元之間的通訊與數(shù)據(jù)傳輸，傳輸介質(zhì)為光纜，實(shí)時(shí)控制網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)采用Profibus－DP形式，用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制單元與就地控制單元之間的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

3.3控制方式

系統(tǒng)采用3種控制模式，即就地設(shè)備機(jī)旁控制、控制柜遠(yuǎn)程控制和PLC控制站上位機(jī)控制。其中，PLC控制站上位機(jī)控制又分為集中手動(dòng)控制和集中自動(dòng)控制。就地設(shè)備控制箱操作具有最高優(yōu)先權(quán)，控制柜遠(yuǎn)程控制次之，最后為PLC控制站上位機(jī)控制。

3.3.1機(jī)旁控制

在各設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制盤上設(shè)有轉(zhuǎn)換開關(guān)，將其轉(zhuǎn)換至“本地”控制位置，在手動(dòng)方式下，裝置的各個(gè)設(shè)備由現(xiàn)場(chǎng)機(jī)旁操作箱上的操作按鈕分別控制；PLC不參與控制，此時(shí)設(shè)備運(yùn)行無(wú)任何連鎖條件，一般用于試車、單機(jī)維修保養(yǎng)。

3.3.2控制柜遠(yuǎn)程控制

本裝置設(shè)計(jì)為獨(dú)立控制，帶有一整套完整的工藝控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)、可靠的現(xiàn)場(chǎng)儀表，將主要工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)采集、變送至PLC控制站，在分控站控制柜上安裝有觸摸屏，當(dāng)就地控制盤上的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換至“遠(yuǎn)程”控制位時(shí)，可通過(guò)PLC控制站觸摸屏對(duì)設(shè)備操作進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.3.3集中手動(dòng)控制

在計(jì)算機(jī)上設(shè)有“自動(dòng)及手動(dòng)”轉(zhuǎn)換?！笆謩?dòng)”有效時(shí)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)單獨(dú)啟停各個(gè)設(shè)備，用于輔助操作及處理特殊情況?！白詣?dòng)“方式下，裝置由PLC控制站的控制程序控制設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行；通過(guò)上位監(jiān)控系統(tǒng)，可以修改工藝控制參數(shù)（限于有操作權(quán)限的人員）或進(jìn)行設(shè)備主要工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程控制和操作。

3.3.4集中自動(dòng)控制

系統(tǒng)將工程師站及操作員站集成在一套工控機(jī)上，控制系統(tǒng)PLC采用S7－400系列產(chǎn)品、監(jiān)控組態(tài)軟件采用Wincc上位組態(tài)軟件，運(yùn)行人員通過(guò)位于控制室內(nèi)的上位機(jī)即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)較高自動(dòng)控制功能。當(dāng)“自動(dòng)”有效時(shí)，PLC控制站將現(xiàn)場(chǎng)的格柵、泵類、鼓風(fēng)機(jī)、電磁閥等開關(guān)信號(hào)，以及曝氣池溶解氧濃度等工藝參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過(guò)Profibus－DP總線傳送至位于控制室內(nèi)上位監(jiān)控（工控）機(jī)上，經(jīng)PLC在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上顯示工藝流程、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)，并可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以記錄運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)等，并打印報(bào)表；同時(shí)控制系統(tǒng)采集裝置中各設(shè)備的運(yùn)行／停止?fàn)顟B(tài)和故障信號(hào)。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，觸發(fā)上位監(jiān)控的聲光報(bào)警，生成報(bào)警信息。

4　監(jiān)控界面組態(tài)

上位機(jī)為3臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，3臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)互為備用，設(shè)在中央控制室。它們均可各自獨(dú)立完成整個(gè)工藝過(guò)程的監(jiān)控。任何一臺(tái)均可擔(dān)負(fù)全部監(jiān)控工作。中央控制室上位機(jī)可顯示整個(gè)廠區(qū)的模擬畫面，監(jiān)控生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程，包括顯示控制過(guò)程畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢(shì)圖；顯示設(shè)備的工作狀態(tài)；以及歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供決策參考?，F(xiàn)場(chǎng)控制站上位機(jī)除具有以上功能外，還可對(duì)污水處理廠數(shù)據(jù)采集及控制自動(dòng)化系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；完成數(shù)據(jù)采集及控制自動(dòng)化系統(tǒng)的組態(tài)；進(jìn)行在線、離線編程及設(shè)定參數(shù)的修改。

監(jiān)控軟件為基于Windows操作系統(tǒng)的開放型、全圖形化人機(jī)操作界面，具有組態(tài)方便、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。監(jiān)控軟件的基本功能包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理，完成過(guò)程監(jiān)視（工藝狀況顯示）；以及監(jiān)視控制、報(bào)警、報(bào)表、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)歸檔。通過(guò)該監(jiān)控軟件能實(shí)現(xiàn)下列功能。

控制操作：在中心控制室內(nèi)對(duì)全系統(tǒng)被控設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)在線控制。

顯示功能：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各分控站被控設(shè)備的運(yùn)行工況；動(dòng)態(tài)顯示水處理工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看多級(jí)詳圖；動(dòng)態(tài)顯示各種模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、各類累加信號(hào)等的數(shù)值和范圍清單。

數(shù)據(jù)管理：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、操作信息庫(kù)、故障信息庫(kù)。

數(shù)據(jù)處理：利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算主要生產(chǎn)指標(biāo)，并進(jìn)行成本分析。

報(bào)警功能：當(dāng)某一測(cè)量值超出給定范圍時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警。如輸入到報(bào)警表、屏幕顯示報(bào)警信息、打印機(jī)輸出報(bào)警信息、聲光報(bào)警，并可依據(jù)報(bào)警信息顯示相應(yīng)的動(dòng)態(tài)畫面。

報(bào)表功能：可自動(dòng)生成即時(shí)報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。

安全功能：按不同操作級(jí)別分級(jí)加密，并記錄操作人員信息及操作信息。

打印功能：可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。

5　結(jié)束語(yǔ)

本控制系統(tǒng)通過(guò)基于工業(yè)以太網(wǎng)的上位機(jī)和基于Profibus總線的S7－400 PLC對(duì)工藝流程及生產(chǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時(shí)以太網(wǎng)和Profibus總線采用冗余結(jié)構(gòu)降低了設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響，從而保證了生產(chǎn)的正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉曉強(qiáng)、李亞新.AB法污水處理工藝［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005（16）.

［2］廖常初.S7－300／400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）06—0058—03

作者簡(jiǎn)介：

祁生珠（1978－），男，助理工程師，研究方向?yàn)殡姎饧白詣?dòng)化設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。就職于青海鹽湖納化工有限公司。

收稿日期：2015－07－14

Sewage treatment control system based on Siemens S7－400 PLC

QI Sheng－zhu
（Qinghai Salt Lake Haina Chemical Co.，Ltd.，Xining 810000，China）

Abstract：The application of sewage treatment control system based on Siemens S7－400 PLC is presented by example.The hardware selection，the network structure and the monitoring interface configuration of the system are discussed respectively.The system has high automation degree，and can save the cost and improve the processing efficiency of the sewage treatment.

Key words：AB method；PLC；industrial Ethernet；Profibus－DP