基于S7-400 PLC的控制系統在污水處理中的應用

摘 要：介紹了由Simatic S7-400 PLC、通用變頻器MicroMaster和工控組態軟件WinCC組成的基于ProfiBus-FMS總線的分布式控制系統及其在污水處理工廠中的應用。系統采用集中管理、分散控制的方式，上位機負責現場設備的遠程控制和監視，控制站負責對具體的工藝、設備、主要被控參數進行控制及采集各種運行數據;上位機與PLC之間組網簡單、運行速度快、通信穩定性強，系統提高了污水處理設備運行效率和管理水平，具有積極的推廣應用價值。

關鍵詞：污水處理;溶解氧;分布式控制系統;ProfiBus;WinCC

　　長期以來,在我國城市建設快速發展的過程中，由于對環境保護基礎設施建設重視不夠、投入不足，污水直接排入城市水系及相關流域,造成江河湖泊水質和地下水污染,城市水環境污染問題日益突出，污水凈化就成為改善城鎮居民生活環境、提高人民健康水平的主要手段之一。為保證污水處理工藝可靠、順利實施，自動控制系統的設計及控制技術的運用要以可靠性為基礎，綜合考慮控制技術先進性、可擴展性，同時兼顧降低系統造價。

　　在污水處理控制系統中，除了存在分布區域廣、設備分散、控制點多及控制信息復雜等要求外，同時具有控制輸入和輸出以開關量參數居多，模擬量參數少的特點，而這些都是PLC控制系統的優勢所在，因此，以PLC為主體就成為污水處理廠自動控制系統的主要控制模式[1]。本文將以某市的污水處理廠為例，簡要介紹S7-400 PLC在污水處理控制系統中的應用。

1 系統工藝介紹

　　某市污水處理廠是省重點工程,近期污水水量為30萬立方米/天，高峰污水量16250立方米/小時，遠期污水水量為40萬立方米/天，采用具有脫氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工藝法，污水經二級處理后排入附近河流進行灌溉，污泥采用機械濃縮脫水后外運。同時該工程還預留了污泥消化處理工段，所以對系統的擴展性、開放性及該系統的可持續性，具有相當高的要求。系統工藝流程見圖1。

2 控制系統組成

　　污水處理采用分布式計算機監控管理方式，由中央控制室的上位計算機管理控制系統、廠區三個現場控制站組成。中央控制室和廠區三個現場控制站之間以一個冗余的100Mbps光纖工業以太網組成一個有線數據通信網絡系統。各個現場控制站可以獨立運行，在現場進行工藝檢測參數、設備運行工況信號的采集、檢測和控制，并通過該站的人機界面對設備運行操作，同時通過ProfiBus總線向中央控制室進行實時傳送，以備工作人員監視;中控室的操作人員通過ProfiBus將必要的控制參數下傳到各個現場控制單元，以調整控制和工藝參數。同時，為備現場操作，每個現場監控單元均有手動/自動按鈕，可實現現場和遠控操作，從而提高了整個系統的可靠性、安全性以及運行的經濟性。另外，污水控制系統還通過Ethernet經廠數據交換機與廠管理網進行互聯，實現企業管控一體化。系統組成結構見圖2。

　　現場控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用416-3DP CPU，配有開關量輸入DI模塊、開關量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對PLC各個模塊的參數進行組態。現場控制站在與設備自帶的PLC通訊時，采用ProfiBus-FMS的方式[2]，包括現場自動化單元、集控單元和現場總線通訊三個部分，現場總線物理層采用EIA-RS-485協議，通信板卡采用CP5611，用于主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個字符為11個位。在CP5611通信軟卡安裝時，與Softnet-DP軟件配套使用;10KV及各變電所的相關信號，通過智能繼電保護裝置及智能空氣斷路器、用PROFIBUS-DP的通訊方式與現場控制站交換數據，每個間隔保護及測量裝置均作為現場控制站的從站。

　　中央控制室的上位計算機采用工業計算機，并用大型電子投影儀作為電子屏，操作系統選用Windows2000 Professional，并配用WinCC組態軟件。該工控組態軟件是一個集成的HMI系統和監控管理系統，具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數據管理、網上瀏覽等功能。其特性之一是全面開放，各系統集成商可用WinCC 作為其系統擴展的基礎，通過開放接口開發自己的應用軟件。本系統將WinCC 與STEP7 配合使用。因為在STEP7 中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節省了工程開發時間。另外，WinCC中的C語言腳本及提供的與數據庫之間的接口更增加了其應用功能，可滿足用戶的復雜要求[3]。

3 主要控制功能

　　污水處理控制系統主要有6個子系統組成[4]：粗細格柵程控系統、水泵程控系統、生物反應池空氣量調節系統、回流污泥量調節系統、泥溫調節系統、清化調節系統。

　　3.1 粗細格柵程控系統

　　粗細格柵均采用液位差控制，在粗細格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0～10V的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊，當液位差超過設定值時，PLC強制啟動格柵進行清渣，否則按預定周期清渣。為保證控制可靠運行，需定期對超聲波液位計進行維護和校正。格柵程控系統根據格柵前后的水位差，自動控制柵耙，按預定周期運行，以保證格柵正常工作，格柵調節有現場控制（手動）和遠程控制（自動）兩種模式。

　　3.2 水泵程控系統

　　水泵程控系統按水泵池的液位經過MicroMaster通用變頻器，并采用數字增量式PID方式控制水泵的轉數和流量。每臺泵房均有主運行泵、備用泵，以備不測。對每個泵的控制，同樣有現場控制和遠程控制兩種模式。

　　3.3 生物反應池空氣量調節系統

　　生物反應池是污水進行生化反應的場所，主要通過轉刷控制污水的曝氣時間。生物反應池中設有轉刷，并在出水口設有溶解氧儀、氧化還原電位計和污泥濃度計、SIPAN32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計輸入信號連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調。曝氣空氣量的調整，采用控制鼓風機導葉片的方式，即通過改變鼓風機導葉片的角度來改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。

　　3.4 回流污泥量調節系統

　　回流污泥量的調節是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規定的范圍內，其調節采用數字式增量PID控制方式，按進入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開啟臺數和回流污泥管道上閥門的角度，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調節均由變頻器控制。

　　3.5 泥溫調節系統

　　其任務是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內，以保證其在35℃內充分發酵。泥溫調節采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來改變換熱量，以實現污泥溫度的調節。對每個泵的控制，也都有現場控制和遠程控制兩種模式。

　　3.6 清化調節系統

　　清化調節系統由沼氣攪拌程控系統、消化池配泥程控系統、濾池程控系統等組成，主要完成水質的清化過程，滿足環保要求。若以上各現場控制單元PLC任何一臺出現故障，現場報警信號立即通過網絡反饋到中控監視室，并在監視屏上顯示故障位置，同時聲光報警，操作人員便可根據實際情況進行操作，排除故障或自動啟動備用泵。

4 控制程序設計

　　系統有四種控制方式：本地手動控制、單臺設備點動控制、成組設備自動控制、全廠設備全自動控制。前三種方式一般只在設備調試或維修時使用，正常狀況下系統主要以全自動控制方式運行，在這種方式下，所有各類設備都由PLC按照預先編制的程序自動控制，不需要操作人員干預，各種現場數據通過PLC傳至中控室的上位機，中控室可監視各現場站的全部運行信息，并可控制現場設備的啟動和停止。生物反應池中的生物處理部分是整個污水處理的關鍵部分，限于篇幅，僅介紹生物反應池空氣量調節系統的程序設計。

　　反應池空氣量調節系統用來控制從污水進入反應池到處理后的污水流出反應池的整個過程，在這個過程中，包括控制各種閥、泵、風機的順序及定時開關和風機的轉速調節等。污水在池中是通過微生物的生物氧化作用來去除有機物的，水中氧的含量對污水的處理效果是至關重要的，根據工藝要求，曝氣池內的溶解氧含量通常控制在1～3mg/L范圍內，在曝氣階段未溶解氧含量應不超過2mg/L，含氧量過低或過高，均會影響出水質量，每隔5min檢測一次曝氣池內的溶解氧值，根據溶解氧的平均值來控制風機轉速，若溶解氧低于設定下限時，調頻風機轉速增加5%，若溶解氧高于設定上限時，調頻風機轉速降低5%， 這樣就實現了反應池供氧量的自動調節，既避免了不必要的能源損失，又優化了運行工藝。反應池溶解氧控制程序流程圖如圖3 所示：

　　根據上述控制過程要求，應用程序主要由5個程序模塊組成：

　　（1）公用程序模塊（OB1），包括初始化部分、反應周期設定、工藝時間設定、溶解氧設定、調用條件設定等。

　　（2）開關量順序控制模塊（FC10），其功能包括協調控制各個閥、泵、風機等設備的運行及相關故障的報警，池的進氣閥、進水閥、出水閥、回流泵、剩余污泥泵的控制。

　　（3）斷電保護模塊（FC16），功能是系統斷電后，將所有狀態鎖存，待加電后使PLC恢復所保持的狀態繼續運行。

　　（4）通信模塊（FC20），用來完成PLC與上位機的各種數據傳送。

　　（5）溶解氧值自動調節模塊（FC5），主要功能是根據溶解氧值來調節風機轉速以及相關故障的報警。

5 結語

　　系統采用了ProfiBus-FMS總線技術，將Simatic S7-400 PLC、變頻器MicroMaster和工控機等主要控制設備有機結合，具有組網簡單、運行速度快、通信穩定性強等特點，通過與變頻調速技術在污水處理系統中的配合使用，提高了整個污水處理系統的自動化水平。同時，由于其模塊化特性，若處理規模加大，只需增加相應的功能模塊，增加適當的軟件功能就可在較小的投入下很方便地實現規模擴展，對我國污水處理的自動化建設具有一定的推廣價值。

參考文獻

　　[1]徐琳，牟道光. PLC在污水處理中的應用[J]. 微計算機信息，2004，20（3）：42-43

　　[2] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M] . 北京：清華大學出版社，2002.

　　[3] Siemens AG. SIMATIC WinCC 系統描述[ P ] . Germany :Siemens 2000.

　　[4]張統. 間歇式活性污泥法污水處理技術及工程實例[M]. 北京：化學工業出版社，2002, 19-27