基于WINCC組態(tài)的污水處理PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究分析

徐紅秋 查安平

摘要：污水處理不僅對(duì)環(huán)境起到了改善的作用，并且污水經(jīng)過(guò)處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)水資源的再次使用，從而水資源使用效率最大化的目的。研究一套合理的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，首先要滿足國(guó)家的排放要求，并且要用較低的運(yùn)行費(fèi)用，來(lái)達(dá)到較好的處理效果。

關(guān)鍵詞：SBR;污水處理;PLC

國(guó)外的計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，帶動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提升，使得自動(dòng)控制污水處理技術(shù)也得到長(zhǎng)足的發(fā)展。所以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，可以更高效的利用各種設(shè)備監(jiān)控工藝流程，根據(jù)采集的信息，還可以不斷地優(yōu)化工藝。有了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的輔助使得效益最大化。伴隨著自動(dòng)控制儀表的研發(fā)出來(lái)，以及各類型的傳感器精度的不斷提高，優(yōu)秀的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)上，保證生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)行，有效地減少人為的失誤;在經(jīng)濟(jì)上，降低能耗，節(jié)省人力物力。

一、自動(dòng)控制對(duì)于SBR工藝的優(yōu)勢(shì)

SBR工藝因其工藝特點(diǎn)，每個(gè)工藝階段都是有序進(jìn)行的，各個(gè)階段的工作的時(shí)間不發(fā)生沖突。在不考慮所需處理的水源所含雜質(zhì)成分的含量會(huì)隨時(shí)間變化而存在波動(dòng)前提之下，各個(gè)工藝階段的自動(dòng)控制可以通過(guò)順序的時(shí)間控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著智能化儀表，以及高精度傳感器等設(shè)備技術(shù)的不斷提升，自動(dòng)控制技術(shù)也越來(lái)越成熟，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制也越來(lái)越精細(xì)。對(duì)控制過(guò)程中的監(jiān)控參數(shù)范圍更廣，響應(yīng)更快，可以確保生產(chǎn)過(guò)程的可靠運(yùn)行。

二、控制系統(tǒng)的自動(dòng)化硬件設(shè)計(jì)

（一）控制系統(tǒng)的構(gòu)成

控制系統(tǒng)的基本理念是“管理集中，控制分散”，集檢測(cè)、控制、反饋于一體的監(jiān)控系統(tǒng)?？紤]到為了控制實(shí)現(xiàn)SBR污水處理方式中比較復(fù)雜的工藝流程，可以選用邏輯操作功能強(qiáng)大的S7-300PLC做為該處理系統(tǒng)的下位機(jī)，S7-300PLC程序編寫(xiě)圖形化，簡(jiǎn)單快捷的安裝方式，在工業(yè)控制領(lǐng)域適用范圍大，與其他設(shè)備兼容性強(qiáng)，邏輯控制功能極強(qiáng)。同時(shí)選用WinCC工控機(jī)做為上位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)之間一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)完整的，獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（二）控制系統(tǒng)的傳感器選擇

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)作為控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的級(jí)別，囊括了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)施裝備，包括各種檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置。其中作為檢測(cè)裝置的傳感器對(duì)于系統(tǒng)的控制功能來(lái)說(shuō)具有舉足輕重的地位，它們將采集到的生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)、設(shè)備的參數(shù)狀態(tài)等控制系統(tǒng)所需的相關(guān)信息，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)上一層級(jí)，以供系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)做出決策。作為控制系統(tǒng)的感知器官合理地配置與之相適應(yīng)的傳感器，可以實(shí)控制系統(tǒng)達(dá)到良好的控制效果。

（三）控制系統(tǒng)PLC控制器的組成

過(guò)分析研究SBR工藝，考慮到為了控制實(shí)現(xiàn)SBR污水處理方式中比較復(fù)雜的工藝流程，采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其工藝流程，該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，他的過(guò)程控制和順序控制能力。PLC應(yīng)用范圍廣，并且可靠性高，組網(wǎng)建議，對(duì)實(shí)現(xiàn)中小型規(guī)模工業(yè)自動(dòng)化非常方便。PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的性能，對(duì)信號(hào)反應(yīng)的及時(shí)許多，符合對(duì)污水處理設(shè)計(jì)的需求。

三、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文選用S7-300型PLC作為控制級(jí)，SIEMENS公司的STEP7編程軟件適用于該型號(hào)PLC的程序編寫(xiě)。而管理級(jí)采用工控機(jī)（PC）可以運(yùn)用WINCC軟件對(duì)控制管理程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)STEP7軟件策劃一套控制程序需要經(jīng)過(guò)以下幾步：1.確定程序控制方式;2.建立任務(wù)項(xiàng)目;3.組態(tài)硬件：依據(jù)控制程序的需要，將相關(guān)的模塊組合在一起，調(diào)整參數(shù)設(shè)置編寫(xiě)程序;4.最后將設(shè)計(jì)好的程序輸入到PLC設(shè)備中調(diào)試程序的適合性。

（一）除污機(jī)PLC控制程序

除污機(jī)常用于污水處理工藝中的第一步，適用于處理污水中體積較大的固體物質(zhì)。做為對(duì)污水進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理的設(shè)備適合在不同污水處理方式處理各種污水。其具體控制方式如下：

1、首先超聲波液位差計(jì)接收位于除污機(jī)前后兩側(cè)的兩個(gè)超聲波液位傳感器的反饋信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，得出的差值反饋給PLC，PLC經(jīng)過(guò)邏輯判斷發(fā)出控制指令;

2、當(dāng)差值大于0.1米時(shí)，這時(shí)污水中的固體雜物已聚集過(guò)多導(dǎo)致前液面上升，需要運(yùn)行1#除污機(jī)并啟動(dòng)傳輸機(jī);

3、當(dāng)差值大于0.2米小于0.3米時(shí)，1#除污機(jī)這時(shí)已不能及時(shí)處理污水中的固體雜物，需要同時(shí)運(yùn)行2#除污機(jī);

4、當(dāng)差值大于0.3米時(shí)，說(shuō)明兩臺(tái)除污機(jī)的工作能力已達(dá)到上限，這時(shí)要立即關(guān)閉污水進(jìn)水閥門(mén)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（二）反應(yīng)池PLC控制程序

反應(yīng)池是SBR工藝實(shí)施的最主要的場(chǎng)所，是污水處理過(guò)程中生化反應(yīng)的集中發(fā)生地。其具體控制方式如下：

1、首先軟啟動(dòng)器檢測(cè)電網(wǎng)中可能存在問(wèn)題，判斷是否滿足曝氣機(jī)啟動(dòng)的條件，一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)便終止曝氣機(jī)的啟動(dòng)動(dòng)作，并發(fā)出故障報(bào)警;排除風(fēng)險(xiǎn)后曝氣機(jī)便可啟動(dòng)工作;

2、曝氣機(jī)安裝于反應(yīng)池底部，工作時(shí)將大量空氣吸入池中，在離心力的強(qiáng)大作用下，反應(yīng)池底的活性污泥也被空氣攪動(dòng)起來(lái)，使得空氣中的氧氣與活性污泥中的微生物充分接觸、反應(yīng)，使得有機(jī)物加快降解;

3、曝氣機(jī)停止運(yùn)行后反應(yīng)池保持靜止3小時(shí)，使活性污泥下沉，沉淀于反應(yīng)池的底部，使其與處理好的凈水分離;

4、沉淀3小時(shí)后進(jìn)入排水階段，此時(shí)潷水器開(kāi)始緩慢下降，潷水槽下降到液面以下后，凈水經(jīng)過(guò)潷水槽流入排水分管匯聚到排水轉(zhuǎn)管，潷水器下降的同時(shí)出水閥打開(kāi)，最終將凈水排出到反應(yīng)池外;

5、潷水器下降到最低工作位面時(shí)，關(guān)閉凈水的出水閥，與此同時(shí)潷水器開(kāi)始上升回到初始位，至此排水階段結(jié)束;

6、當(dāng)排水階段結(jié)束后，除泥泵啟動(dòng)工作將過(guò)多的污泥排除反應(yīng)池外，通過(guò)超聲波污泥界面儀監(jiān)測(cè)池底中污泥的深度，當(dāng)污泥深度達(dá)到所需污泥量的最低位時(shí)污泥泵停止，整個(gè)反應(yīng)池的工藝流程結(jié)束。

（三）網(wǎng)絡(luò)組建

本文采用PROFIBUS-DP作為系統(tǒng)通訊方式。在STEP7軟件中運(yùn)用“SIMATICManager”建立“WUSHUICHULI”項(xiàng)目，今后不論是PLC程序編輯還是網(wǎng)絡(luò)組建都在該項(xiàng)目下進(jìn)行。

1、建立控制站。本文中PLC控制站的設(shè)備選型為S7-300型，首先從“插入新對(duì)象”中找到300型站點(diǎn)插入到項(xiàng)目中。進(jìn)入站點(diǎn)首先在畫(huà)面右側(cè)的設(shè)備庫(kù)中建立Rail導(dǎo)軌，這時(shí)畫(huà)面左側(cè)生成了一個(gè)UR表格，依據(jù)先前的PLC配置表把控制站所用的模塊填入U(xiǎn)R表格。要注意各模塊在表格中的順序：第一位為電源模塊;第二位為CPU模塊;第三位空置，為新的機(jī)架預(yù)留擴(kuò)展;從第四位開(kāi)始加入模擬量信號(hào)、數(shù)字量信號(hào)輸入輸出模塊，及其它相關(guān)模塊。

2、建立PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。找到位于二號(hào)位的CPU模塊進(jìn)入其下方的“MPI/DP”功能設(shè)置，新建一個(gè)DP接口，進(jìn)入屬性分配其地址，依據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸距離選擇適合的傳輸速率。建立成功后，會(huì)在“MPI/DP”卡位生成一根形象的PROFIBUS網(wǎng)線，有了這根網(wǎng)線便可以掛載各種需要控制的支持PROFIBUS格式的設(shè)備

（四）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的“決策層”，操作人員通過(guò)人機(jī)界面可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。操作人員可以了解到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)反饋過(guò)來(lái)監(jiān)測(cè)信息，調(diào)整控制級(jí)的控制方案。WinCC是由西門(mén)子公司研發(fā)，并在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行的人機(jī)界面系統(tǒng)，用于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。在WinCC中建立“WUSHUICHULI”項(xiàng)目;在變量管理器中建立新的通道，建立與PLC的組態(tài)通訊;通過(guò)圖形編輯器可建立多個(gè)過(guò)程畫(huà)面將污水處理工藝圖形化，直觀地顯示相關(guān)的控制設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，控制操作只需簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊鼠標(biāo)，輸入所需參數(shù)，建立監(jiān)控畫(huà)面;在用戶管理器中可以建立多個(gè)賬號(hào)，并對(duì)不同賬號(hào)可以開(kāi)放不同的權(quán)限，用于修改系統(tǒng)。

四、結(jié)語(yǔ)：

本文采用了PC+PLC的控制模式，利用模塊化的編程思想，對(duì)SBR工藝的流程進(jìn)行了程序編寫(xiě)，并且利用WinCC軟件對(duì)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)污水處理過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用，在中央控制室實(shí)通過(guò)上位機(jī)WinCC的組態(tài)界面現(xiàn)了對(duì)整個(gè)污水處理工藝流程的自動(dòng)控制，方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的操作管理，同時(shí)集中的自動(dòng)化控制也減輕了工作人員的工作負(fù)擔(dān)提高了工作效率，提高了該廠的生產(chǎn)能力，降低了人工成本，使該廠的經(jīng)濟(jì)效益得到了很大的提升。

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作者簡(jiǎn)介：徐紅秋，女，1975.06，同濟(jì)大學(xué)（上海），本科，工程師，研究方向：給排水、環(huán)保管理，環(huán)境監(jiān)測(cè)、“三廢”治理。