摘 要：本文介紹了西門子PLC在污水處理廠自動控制中的應用，主要介紹了PLC控制系統的系統配置方案、軟件設計思想和程序結構，實際運行表明該方案是合理和有效的。 關鍵詞：污水處理; PLC ; WINCC; STEP7 1 引言 　　環境保護問題日益成為影響和制約人類社會發展的因素之一。隨著工業的不斷發展和城市人口的急劇增加，大量工業和生活污水未經處理流入江河湖海，使環境和飲用水被嚴重污染。因此，建立高度自動化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保污水處理工藝和設備能夠長期安全可靠地運行，我們采用西門子S-300 PLC可編程序控制器和智能檢測儀表組成下位機，實現對現場設備的監控。上位機采用西門子“WINCC V5.1”組態軟件，實現整個系統的畫面監測、參數設定和指令控制等功能。該系統集過程控制和科學管理于一體，具有可靠性高、控制性能優越、管理功能完善等優點，對指導工藝及設備的正常運行，提高自動化控制和管理水平發揮了重要作用。 2 污水處理工藝流程 [align=center] 圖1污水處理工藝流程[/align] 　　污水處理工藝流程如圖1所示，從廠區外的主污水管道而來的污水進入格間，由2臺粗格柵和兩臺細格柵將污水中體積較大的污物攔住，形成柵碴，送到柵碴壓實機，經螺旋輸送機將其輸送到專門容器，繼而外運。通過格柵機的污水繼續前行流入進水泵房。該處為全廠區標高的最低處，進水泵房底部放置有5臺大功率潛水泵，主要用于將污水提升到高處，以使污水只靠重力作用流經其余的處理階段。鐘式沉砂池的作用是將污水中的砂子分離出來，防止其對后續工作的設備產生磨損，分離出來的含水砂子由吸砂泵打入到砂水分離器進行砂與水的分離，分離出的砂子外運。經過鐘式沉砂池的污水靠重力進入到初次沉淀池，經過初次沉淀池處理后的污水進入A/O池，A/O池為厭氧/好氧生物反應池，污水首先進入厭氧池中進行厭氧處理，使厭氧池中污泥吸收污水中的一些有害物質之后，污水進入2個好氧池中，由鼓風機通過曝氣頭向池中吹入定量氧氣，經過生物作用，進一步將有害物質分離出來。然后污水進入二次沉淀池，經過刮泥橋的運動，池上面的浮碴進入浮碴井中，池下部的污泥由真空泵吸出并送到回流/剩余污泥泵房?；亓?剩余污泥泵房按一定的比例將一部分污泥送人到A/O池入口，以保證厭氧池中含有一定量的污泥，另一部分被3臺剩余污泥泵送入到污泥調節池。經過二次沉淀處理后的污水已達標準，可以外排。 3 系統的硬件組成 　　PLC在現代工業控制領域中早己得到了廣泛的應用。以PLC的控制功能而言，PLC 具有嚴謹、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優點。它通用性強，適應面廣,特別在數字量輸入輸出等邏輯控制領域有無可比擬的優點。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應用指令，它提供高質量的硬件、高水平的系統軟件平臺和易學易編程的應用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網絡體系又有開放I/0及通訊接口，很容易組建網絡并實現遠程訪問。污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優勢所在。 在眾多的PLC生產廠家中，西門子公司的S7—300系列產品以其較高的性價比成為眾多用戶的首選。S7—300是模塊化的小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用。模塊化、無排風扇結構，各種單獨的模塊之間可進行廣泛的組合以用于擴展。接口模塊（IM）用于多機架配置時連接主機架（CR）和擴展機架（ER），S7—300通過分布式的主機架（CR）和二個擴展機架（ER）可以操作多達24個模塊。中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS—DP和MPI通訊接口，多點接口（MPI）用于同時連接編程器、PC機和人機界面等。信號模塊（SM）用于數字量和模擬量的輸入輸出。 　　在設計當中，根據設備的情況和廠方用戶的要求，對主控制器PLC的硬件配置如下圖。在這個配置中， CPU模塊采用315—2DP，數字量輸入（DI）采用SM321模塊，數字量輸出（DO） 采用 SM322模塊，模擬量輸入（AI） 采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO） 采用 SM332模塊。在現場實際中，數字量輸入輸出（DI/DO），模擬量輸入輸出（AI/AO）都有部分冗余，以備系統臨時擴充需要。由ET200M模塊組成的遠程從站可就近放置在現場，利用 SIEMENS公司工業現場總線PROFIBUS-DP完成主——從通訊。通過設置從站的方法可把地理位置相對分散的設備的控制信號，用一根現場總線送到PLC主站，這樣不但可節約大量的電纜，同時系統的可靠性也有了很大的提高。在本系統中，PLC主站共下設2個 ET200M遠程從站。從站1放置在鼓風機房，實現對鼓風機房的數據采集和控制。從站2放置在污泥泵房，實現對污泥泵房的數據采集和控制。上位機監控系統使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業計算機分別采用SIEMENS公司CP5611網卡通過PROFIBUS-S7數據通訊網絡完成計算機與PLC主站之間的數據通訊。操作員站的畫面組態軟件選用SIEMENS公司的WINCC完成用戶二次軟件的開發。 [align=center] 圖2 系統硬件示意圖[/align] 4 控制系統的功能實現 　　根據對現場污水處理工藝的了解和操作人員的具體要求和建議 ，以及以往系統的開發經驗，可把系統的控制功能實現分為上位機實現和下位機實現。下面將依次分別介紹。 　　4.1 下位機PLC控制系統的功能實現： 　　● 手動操作。 　　● PLC遠程手動遙控操作。 　　● 全自動操作三種方式。 　　前兩種方式一般只在設備調試或維修時使用，系統主要以全自動操作方式為主。在這種方式下，各類泵、風機等設備的開、停，各種工況的切換都由可編程控制器按照預先編制的程序自動生成，不需要操作人員干預。每種工況的運行時間及各種測量參數均可以在線或離線調整，每臺設備和每種工況的運行情況也都可以由PLC系統進行監視。現場的泵類、風機、攪拌器等信號通過PLC的控制轉化也在上位機上顯示。這樣，既能對設備開關量，如各類泵、風機、攪拌器等的開停進行控制，又能對現場的模擬量：曝氣池內的溶解氧、消化池的泥溫等進行調節，使全廠的工藝、設備運行得到全面的控制。 　　4.2上位機監控系統的功能實現： 　　● 提供工藝過程參數檢測流程圖，模擬量顯示圖，模擬量棒圖，趨勢圖等動態畫面顯示各主要設備運行時間參數和控制回路參數設置畫面。據此操作人員或工藝員可對整個工藝和設備有一個詳細和形象的了解。 　　● 系統主要參數和報警信號登錄。登錄數據可供工藝人員和控制系統設計人員參考，以分析設備運行情況，進一步改進控制方案，提高系統的運行效率。并對故障設備及超越儀表設定值閃爍報警，提醒操作人員采取相應措施，確保了生產安全同時給出可能的故障原因和解決辦法。 　　● 可通過鍵盤（或鼠標）直接控制現場設備，如啟動或停止各類泵、風機、閥、攪拌器、刮泥橋等。 　　● 進入和退出系統的口令保護，以免非工作人員進入系統或隨意中斷運行中的系統。 5 系統軟件設計 　　用戶的軟件設計質量的好壞直接關系到系統的控制質量和人員設備的安全，所以開發一套功能完善、可靠性高的軟件尤顯重要。 根據系統的實際情況，用戶的軟件設計同樣分為上位機軟件設計和下位機軟件設計，下面將分別給予介紹。 　　5.1 下位機程序設計 　　PLC主站的用戶程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1軟件平臺上完成硬件組態、地址和站址的分配以及用戶程序的設計開發的，在主程序（OBI）中將各種控制功能和各站點間的通訊數據分別編寫在不同的子程序（功能塊FB、DB FC）中。在本系統中，根據所控制設備的實際情況，可把整個污水處理流程分為若干個分流程，每個分流程對應一個功能（FC）或功能塊（FB）,例如粗隔柵控制（FC1），細隔柵控制（FC3），曝氣沉砂池控制（FC4），生化反應池控制（FB1）等。另外還有一些中間轉換控制模塊，例如從溫度傳感器上通過PLC的模擬量輸入模塊中得到的數據必須通過量程轉換才能變成實際的溫度值，通過編寫單獨的模塊FC8，完成從 WORD到實數的轉換?？紤]到傳感器測到的溫度可能由于干擾信號在極短的時間內出現階躍，為避免干擾，采用在10秒內采集5個溫度，平均這5個溫度，從而有效的避免了干擾。 　　限于篇幅，重點介紹一下曝氣池的控制。 曝氣池是全廠的核心構筑物，污水在池中通過微生物的凈化作用達到去除有機物的目的。因微生物為好氧菌，如供氧量過少會造成細菌大量死亡，不利于微生物的生長，會直接影響處理效果。但供氧量過大，不僅使能耗增高，增大運行費用，而且會形成小而重的易沉淀絮體作用使水質惡化。因此控制水中的含氧量是污水處理過程控制中關鍵的任務之一。根據工藝要求，該廠設有6臺鼓風機用于向曝氣池供氧，其中有1臺變頻風機。我們在曝氣池的不同地點設有6塊溶解氧測試儀（即DO儀）測量池中的含氧量。曝氣池的控制思路是通過計算機給這些DO儀設置一個測量范圍，當進水量達到平衡，池中懸浮物濃度合乎標準時，一旦水中含氧突破這個范圍，PLC就會收到現場溶解氧儀反饋回的報警信號。PLC便根據現場測量值來調節鼓風量。鼓風機的開啟臺數由PLC根據溶解氧的平均值來控制，PLC每隔10 min判斷一次曝氣池內的溶解氧值，溶解氧低于設定下限時調頻風機增加 10%。若調頻風機己達最大值，則增開一臺普通分風機，溶解氧高于設定上限時調頻風機減少10%，若調頻風機己達最小值，則關閉一臺普通風機，以下為曝氣池控制子程序片斷和流程圖。 　　CALL FB 41 , "db19_fb41" 　　P_SEL :=L2.3 　　I_SEL :=L2.4 　　LMN_HLM :=1.000000e+002 　　LMN_LLM :=0.000000e+000 　　LMN_PER :="PQW352" 　　QLMN_HLM:=#temp31 　　QLMN_LLM:=#temp32 　　NOP 0 　　CALL "4-20mA" 　　IN :=MW400 　　HI_LIM:=1.000000e+002 　　LO_LIM:=0.000000e+000 　　OUT :="db19_fb41".PV_IN 　　FAULT :=M125.1 　　NOP 0 　　┇ 　　┇ [align=center]　 圖3 曝氣池控制流程圖[/align] 　　以上程序框圖為了便于理解，只是簡單的列出了程序控制的主要功能，實際上在現場還有其他方面需要考慮，比如當現場長期沒有滿負荷運轉時，五臺普通風機可能只需投入使用2～3臺，另外兩臺一直在閑置，為防止風機長期放置而銹蝕損壞，在編程序時需考慮五臺普通風機依次循環使用，使所有風機都一直處于正常工作狀態。 　　5.2 上位機程序設計 　　上位機的編程平臺采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1。在工程師站安裝WINCC-RC用于開發，操作員站安裝WINCC-RT用于運行， WINCC運行于 Windows NT V4.0操作系統平臺之上，以增加系統運行安全和穩定性。WINCC通過讀取下位機的DB塊，在上位機顯示對應的狀況，如顯示實際溫度、水泵的開閉狀態等。另外可以把上位機的操作命令傳到下位機的DB塊中，來實現對下位機的在線操作。在本系統中，通過共享數據塊DB1把下位機的工作狀態傳到上位機，通過共享數據塊DB2把上位機的命令傳到下位機。 6 結束語 　　用PLC設計的自控系統在某污水處理廠投入使用以來，大大降低了操作人員的勞動強度，并改善了操作人員的工作環境。設備具有調試簡單、操作方便、使用安全、運行可靠、效率高、故障率低，污水處理效果好的特點，同時由于軟硬件均采用模塊化結構，方便了工程技術人員的安裝、調試和維修，為我們帶來了很好的社會效益和經濟效益。 參考文獻 　　[1] SIEMENS公司. SIMATIC S7-300 M7-300可編程序控制器模板規范參考手冊，2001.10 　　[2]SIEMENS公司. STEP-7-V5.1編程使用手冊.2001.10 　　[3] 謝克明, 夏路易主編. 可編程控制器原理與程序設計. 北京：電子工業出版社，2002 　　[4] 齊蓉主編. 最新可編程控制器教程. 西安：西北工業大學出版社，2000.9