基于PLC在污水處理廠中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西門子PLC在污水處理廠中的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 文摘 本文主要介紹了 PLC在城市污水處理中的具體應(yīng)用實(shí)例，系統(tǒng)介紹了城市污水處理工藝流程以及基于SIEMENS的S7400 系列PLC的污水處理實(shí)施方案，介紹城市污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的方法?？删幊炭刂破骷碢LC是綜和了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的、通用的自動(dòng)控制裝置?，F(xiàn)在可編程控制器已經(jīng)成為最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。它具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于編程以及適應(yīng)工業(yè)環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)。為了提高污水處理廠的運(yùn)行管理水平， PLC也成為了該系統(tǒng)的重要組成單元之一，在該系統(tǒng)中各單元按一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互相連

2、接構(gòu)成污水處理廠的控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 污水處理；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；PLC；硬件配置；軟件設(shè)計(jì)。 Digest this article mainly introduced PLC in the city sewage treatment concrete application example, the system introduced the city sewage treatment technical process as well as based on SIEMENS S7-400 the series PLC sewage treatment implementation plan,

3、 introduces the city sewage treatment plant supervisory system data acquisition the method.The programmable controller was PLC is the grand total computer technology, the automatic control technology and the communication one kind new, the general automatic control device. Now the programmable contr

4、oller already became importantly, most reliable, the application situation most widespread industry control microcomputer.It has the function strong, the reliability high, the use nimble convenient, easy to program as well as the adaptation industry environment and so on a series of merits.In order

5、to enhance the sewage treatment plant the movement management level, PLC has also become one of this system important composition units, in this system various units according to certain topology interconnection constitution sewage treatment plant control system. Key word sewage treatment; Automatio

6、n control system; PLC; Hardware disposition; Software design.1.2 對(duì)工藝流程的闡述城市污水依次經(jīng)過粗格柵、進(jìn)水泵房、沉砂池、初沉池、曝氣池和二沉池來實(shí)現(xiàn)污水的處理。其中各部分的功能如下：（1） 進(jìn)水泵房用于將污水提升，粗格柵用于除掉污水中大塊雜物和污物，進(jìn)而保護(hù)進(jìn)水泵。（2） 沉砂池的細(xì)格柵用于除去污水中的小塊雜物，吸砂橋除砂和漂浮油脂，還有砂處理和浮砂油脂處理設(shè)備。（3） 初沉池初步除掉水中污泥，用刮泥機(jī)收集污泥至初沉池泥泵房。（4） 曝氣池（氧化溝）為生化處理區(qū)，通過投放回流活性污泥攪拌和曝氣供氧，培養(yǎng)微生物大量繁殖，形成更多

7、活性污泥。（5） 二沉池徹底清污水，使泥水分離。1.3 主要設(shè)備的組成及控制方式 表1 設(shè)備參量 污水處理廠的設(shè)備均采用三級(jí)控制方式，即現(xiàn)場(chǎng)控制方式、MCC控制方式和微機(jī)控制方式。目前，以MCC控制為基礎(chǔ)，PLC控制為主導(dǎo)的控制方式始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前污水處理廠對(duì)自動(dòng)化的需要。 1.4 粗格柵、細(xì)格柵、提升泵房的設(shè)備控制 粗格柵、細(xì)格柵的控制分為現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。遠(yuǎn)程控制模式由PLC和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，它包括微機(jī)手動(dòng)和微機(jī)自動(dòng)，而微機(jī)自動(dòng)控制

8、方式為：（1）水位差控制方式，通過格柵機(jī)運(yùn)行液位差計(jì)的測(cè)量值用來反映格柵阻塞程度，并傳輸?shù)絇LC控制器，進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)液位差超過預(yù)設(shè)的數(shù)值，控制格柵運(yùn)行；（2）時(shí)間設(shè)置控制方式，在上位機(jī)的INTERACT組態(tài)軟件中設(shè)置格柵機(jī)運(yùn)行時(shí)間和停機(jī)時(shí)間，經(jīng)PLC控制器的程序運(yùn)算指揮MCC對(duì)格柵機(jī)進(jìn)行控制。1.5 沉砂池、生化池、沉淀池、污泥回流泵房和鼓風(fēng)機(jī)房的設(shè)備控制 砂攪拌器的自動(dòng)運(yùn)行通過進(jìn)水電磁流量計(jì)控制，而抽砂泵的運(yùn)行狀態(tài)是由微機(jī)對(duì)其開、停時(shí)間的設(shè)置控制的。 生化池厭氧區(qū)的攪拌器、沉淀池的吸刮泥機(jī)、污泥回流泵房的閥門和回流泵都是由微機(jī)觸發(fā)指令通過PLC控制。 1.6 脫水機(jī)房脫水機(jī)房的設(shè)備主要擔(dān)

9、負(fù)由污泥提升泵將回流泵井的剩余污泥與污泥絮凝劑按比例混合進(jìn)行脫水處理的任務(wù)。污泥與溶解成一定濃度的絮凝劑混合后，污泥中的固體顆粒被凝聚成絮團(tuán)，并分離出自由水，然后被輸送到帶式污泥脫水機(jī)上，經(jīng)頂脫水區(qū)、重力脫水區(qū)、楔形脫水區(qū)、壓濾脫水區(qū)后形成濾餅排出。 1.7 PLC控制系統(tǒng) 1.7.1 PLC控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成及功能污水處理廠PLC控制系統(tǒng)由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)、8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站、工藝儀表、電量變送器構(gòu)成.脫水機(jī)房。0工作站5工作站之間采用A1SJ71AR21模塊通過同軸電纜通訊。1#工作站和2#工作站與廠內(nèi)主工作站的距離45公里，且無人值班，故租用電信公司無源電話專線通過調(diào)制解調(diào)器和A1SJ71UC24

10、通信模塊進(jìn)行泵房設(shè)備控制和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)控制分布圖（如圖下 圖所示） 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)某污水處理廠的自控系統(tǒng)由環(huán)形拓?fù)湫问剑╮ing topology）和星形拓?fù)湫问?star topology)兩種總線網(wǎng)絡(luò)形式構(gòu)成。 上位機(jī)組態(tài)功能（1）控制操作：在中控室里采用2臺(tái)IBM90和INTERACT組態(tài)軟件開發(fā)的工控程序能對(duì)全廠和2個(gè)污水提升泵站的被控設(shè)備進(jìn)行控制、對(duì)各現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改. （2）顯示功能：用設(shè)計(jì)方法生成圖形，實(shí)時(shí)地、集中地顯示被測(cè)參數(shù)所處的變化過程。對(duì)全廠工藝過程、工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等通過顏色的變化直觀地、動(dòng)態(tài)地顯示。 （3）報(bào)表功能：分成年度、月度、日班報(bào)表及運(yùn)行參數(shù)

11、報(bào)表。如：污水處理量、加藥量、耗電量等。 （4）打印功能：各種報(bào)表的打印，各種事件及報(bào)警實(shí)時(shí)打印。 1.8  系統(tǒng)構(gòu)成及其布局根據(jù)工藝特點(diǎn)和控制要求，本系統(tǒng)采用分布式集散監(jiān)控系統(tǒng)，按流程設(shè)兩個(gè)PLC分站，分別監(jiān)控水區(qū)和泥區(qū)的設(shè)備運(yùn)行和控制，設(shè)一個(gè)總站集中分站信息并控制分站工作。具體控制分為: (1) 各開關(guān)柜(包括:10kV進(jìn)線柜、0.4kV進(jìn)線柜等)，由“自動(dòng)/停止/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換控制狀態(tài)，“手動(dòng)”設(shè)啟/停按鈕，用于手動(dòng)操作。 (2) 分站控制，用可編程控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等自控設(shè)備，自動(dòng)監(jiān)控所屬范圍運(yùn)行。 (3) 總站主機(jī)控制，多為計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)，集中分站信息，進(jìn)行各種處理

12、，并通過分站統(tǒng)一控制全廠運(yùn)行，滿足工藝測(cè)控要求，使全廠運(yùn)行處于最佳狀態(tài)，是監(jiān)控管理的中心。2 污水處理中的 PLC 設(shè)計(jì)范圍設(shè)計(jì)包括廠界內(nèi)預(yù)處理、生物濾池、污泥處理及附屬設(shè)施需要檢測(cè)和控制應(yīng)提供的儀表和有關(guān)的輔助裝置等。2.1.2 PLC設(shè)計(jì)綜述設(shè)立三級(jí)控制層：設(shè)備就地手動(dòng)、PLC子站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和中控室遠(yuǎn)程監(jiān)控（如圖下圖所示）。2.2 PLC在污水處理中的部分運(yùn)用 中央控制室中央控制室可對(duì)整個(gè)分控式控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)管理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示、處理、控制各PLC子站的狀態(tài)、通信、數(shù)據(jù)和信息，完成報(bào)警和報(bào)表打印。在廠級(jí)管理層可以通過Internet將結(jié)果、效益分析等發(fā)往主管局等政府機(jī)關(guān)（如圖

13、下圖所示）。 控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中央控制室與現(xiàn)場(chǎng)PLC子站之間采用最先進(jìn)的控制網(wǎng)絡(luò).中央控制室與廠級(jí)管理層之間采用100Mdps的以太通訊網(wǎng)，該網(wǎng)帶有E-mail功能，能向mail server發(fā)送用戶自定義信息，故障信息，狀態(tài)信息等，通過網(wǎng)關(guān)（以太網(wǎng)交換器）或PLC可與其他控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線相連。為保證在供電發(fā)生意外時(shí)，系統(tǒng)能有足夠的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行應(yīng)急處理，設(shè)計(jì)上中央控制室和各子站均設(shè)有在線式不間斷電源。過電壓保護(hù)裝置能抑制出現(xiàn)在電力網(wǎng)絡(luò)中的暫態(tài)浪涌電壓和吸收暫態(tài)浪涌電壓能量，在保障供電連續(xù)的條件下，保障計(jì)算機(jī)、PLC控制子站及其他主要設(shè)備免受過電壓的干擾和侵害，使用電設(shè)備安全正常運(yùn)行

14、。 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過程PLC控制系統(tǒng) 預(yù)處理PLC控制及檢測(cè)部分廠內(nèi)1#預(yù)處理PLC子站位于污泥脫水間控制室內(nèi)。對(duì)工藝專業(yè)要求檢測(cè)的各種工藝參數(shù)，水泵、閘門、粗格柵、細(xì)格柵、排砂裝置等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。通過網(wǎng)絡(luò)把信號(hào)送中央控制室計(jì)算機(jī)操作站完成指示、記錄、報(bào)表和報(bào)警打印等監(jiān)控管理功能。其主要設(shè)備有：粗格柵、閘板，細(xì)格柵、螺旋輸送機(jī)該子站模擬量輸入、輸出，數(shù)字量輸入、輸出點(diǎn)數(shù)AI:11 DI:30 DO:22粗格柵開、停控制根據(jù)超聲波液位差計(jì)測(cè)得的粗格柵前后水位差值自動(dòng)控制回轉(zhuǎn)式粗格柵的運(yùn)行，即水位差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)格柵。當(dāng)回轉(zhuǎn)式粗格柵停止運(yùn)行的時(shí)間超出設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為時(shí)

15、間控制，此時(shí)限為可調(diào)式設(shè)計(jì)，并設(shè)置上限報(bào)警。PLC系統(tǒng)將根據(jù)軟件程序自動(dòng)控制螺旋輸送機(jī)、回轉(zhuǎn)式粗格柵機(jī)的順序啟停、運(yùn)行、停車以及安全連鎖保護(hù)，格柵機(jī)停機(jī)后延時(shí)停螺旋輸送機(jī)。細(xì)格柵開、?？刂萍?xì)格柵24小時(shí)運(yùn)行，并設(shè)置上限報(bào)警。PLC系統(tǒng)將根據(jù)軟件程序自動(dòng)控制螺旋輸送機(jī)、回轉(zhuǎn)式細(xì)格柵機(jī)的順序啟停、運(yùn)行、停車以及安全連鎖保護(hù)，格柵機(jī)停機(jī)后延時(shí)停螺旋輸送機(jī).污水閘門控制兩臺(tái)閘門根據(jù)液位手動(dòng)或電動(dòng)，其運(yùn)行信號(hào)送入中控室監(jiān)控，不參加控制。 BAF生物濾池PLC控制及檢測(cè)部分廠內(nèi)2#BAF生物濾池PLC子站位于變電所低壓配電室控制室內(nèi)。對(duì)工藝專業(yè)要求檢測(cè)的各種工藝參數(shù)，水泵、風(fēng)機(jī)反沖洗泵等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故

16、障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。并可在中控室計(jì)算機(jī)操作站完成指示、記錄、報(bào)表和報(bào)警打印等監(jiān)控管理功能。該子站模擬量輸入、輸出，數(shù)字量輸入、輸出點(diǎn)數(shù)AI:14 AO:3 DI:124 DO:134沉砂池和沉淀池沉砂池和沉淀池定時(shí)開/停排砂、排泥閥，砂水分離器設(shè)備控制由設(shè)備廠商自帶可設(shè)定控制系統(tǒng)，砂水分離器應(yīng)與排砂閥聯(lián)鎖。 廠級(jí)管理PLC系統(tǒng)該系統(tǒng)主要功能：生產(chǎn)過程的全面查詢，包括各種進(jìn)、出廠水流量，各中能耗等。生產(chǎn)過程分析報(bào)告、報(bào)表和圖形。設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫和設(shè)備運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫?；?yàn)所需要的參數(shù)。建立與外部Interner的雙向連接，便于發(fā)布信息和從外部獲取信息，建立現(xiàn)代企業(yè)形象。附錄三為PLC設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。 2

17、.3 PLC設(shè)備及儀表 為了保證監(jiān)控管理控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，PLC監(jiān)控系統(tǒng)選用SIEMENS的S7400 系列產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)PLC控制子站是直接監(jiān)視和控制若干工藝生產(chǎn)過程所單元，其主要設(shè)備是：SIEMENS的S7400 系列PLC可編程控制器。 連接方式：采用可拆卸式端子排以提高可靠性，易于連接和維修 各模塊具有光電隔離功能，每個(gè)輸出點(diǎn)都具有狀態(tài)指示 模擬量輸入模塊（AI）： 輸入點(diǎn)：8路 輸入范圍：05V,15V,010V,-10+10V,420mA 分辨率：12位 隔離方式：光電隔離 轉(zhuǎn)換速度：1ms/點(diǎn) 精度（25）：電壓±0.2% 電流±0.4% 其他功能：斷線檢測(cè),峰

18、值保持、平均值功能、定標(biāo)功能等觸摸開關(guān)分辨率：32*24個(gè)顯示分辨率：640*480點(diǎn)通訊接口：RS-422A/RS-485口 RS-232C口電源電壓范圍：DC20.4VDC26.4V運(yùn)行時(shí)間：25000小時(shí) 2.4 主要PLC設(shè)備表及其說明 表2 主要電氣設(shè)備1、編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。2、人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端

19、應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普及。3、輸入輸出設(shè)備：用于永久性地存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，如EPROM、EEPROM寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。（如表2所示） PLC的通信，還未實(shí)現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，PLC各廠家均有采用。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化工程(特別是中大規(guī)?？刂葡到y(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。（如下頁表3所示）3 PLC設(shè)計(jì)3.1 PLC簡(jiǎn)介利用可編程序控制器（PLC）組成遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，首先遇到的是PLC的選型問題。在選用PLC時(shí)，除把可靠性、環(huán)境適應(yīng)性放在首位外，還要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合盡量選用合適的可編程序控制器。3.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

20、步驟（如圖下圖所示）： 圖9系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟圖3.3 軟件部分 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)。歷史數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2000中文版軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用當(dāng)前流行的美國(guó)GE公司的iFIX3.5組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。軟件配置我們?cè)谡n題研究中下位機(jī)PLC采用梯形圖來編制程序。下位PLC軟件用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、脈沖計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換、限值邏輯判斷及聲光報(bào)警輸出、通信數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)通訊與分離模塊完成PLC與微機(jī)間數(shù)據(jù)和命令的雙向傳送，并將得到的數(shù)據(jù)按系統(tǒng)要求的格式分離成系統(tǒng)變量。顯示模塊將實(shí)

21、時(shí)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，以圖形或表格形式分屏循環(huán)顯示。在手動(dòng)方式下可固定監(jiān)視畫面并可顯示歷史趨勢(shì)圖等。定時(shí)存貯模塊按每十分鐘將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存貯到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，每天整理一次歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)維護(hù)模塊可用來修改定值參數(shù)、口令及限值等。報(bào)警模塊不論軟件工作在何種方式下，一旦出現(xiàn)超值，系統(tǒng)確認(rèn)后并發(fā)出報(bào)警，屏幕上顯示報(bào)警內(nèi)容和地點(diǎn)，以便采取措施。3.4 對(duì)污水處理系統(tǒng)中一個(gè)PLC子站的控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì) 此程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。（見附錄四） 邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。生活

22、供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%。在污水處理系統(tǒng)中，只是用比例(P)和積分(I)控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。（程序設(shè)計(jì)見附錄四）程序中使用的PLC元器件及功能如下表： 表4 程序中使用的元器件及功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD104壓力給定值T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD112比例系數(shù)T38工頻泵減增泵濾波時(shí)間控制VD116采樣時(shí)間T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD120積分時(shí)間M0.0故障結(jié)束脈

23、沖信號(hào)VD124微分時(shí)間M0.1泵變頻啟動(dòng)脈沖VD204變頻器運(yùn)行頻率下限值M0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208生活供水變頻器運(yùn)行頻率上限值M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖VD212消防供水變頻器運(yùn)行頻率上限值M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VB300變頻工作泵的泵號(hào)M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 （接上頁表4）4 結(jié)束語本系統(tǒng)與傳統(tǒng)污水工藝PLC控制相比，具有功能齊全、高度智能化、運(yùn)行可靠、投資省、見效快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)自2004年10月投入運(yùn)行至今，對(duì)該城市的生態(tài)環(huán)境、水資源、城市環(huán)境及旅游業(yè)等，都起到極大的推動(dòng)作用。 本文所述的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：可靠性高。PLC是由Transputer并行處理系統(tǒng)構(gòu)