西门子S7-300PLC在污水处理厂的应用

　　摘要：本文以山东日处理污水规模10万t某污水处理厂为例，设计了污水处理厂自动监控系统。本系统以西门子公司的S7-300PLC作为数据采集及控制单元，配合各种检测和控制设备对含氧量、液位、流量及气体浓度等检测量进行数据采集。上位机通过西门子的上位监控软件WINCC和各站进行数据交换，从而实现集中控制。
　　1、引言
　　水资源短缺是我国的基本国情之一，由于水污染控制的相对滞后，受污染的水体逐年增加，又加剧了水资源的短缺。我国对水处理的研究，特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。因此研制能满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高，且具有先进的自动控制系统的污水处理设备随在眉睫。本文以山东某市污水处理厂为例，介绍了城市污水处理自动监控系统的设计与研究。
本系统以工业控制计算机、可编程逻辑控制器及现场仪表构成3级监控系统。可编程控制器选用西门子公司的S7-300系列PLC，根据工艺流程在电控间设立4个分布控制站。上位机采用WINCC作人机界面，通过CP5611以Profibus协议与各站进行数据通讯，完成数据采集、处理、监督及控制功能。中央控制级分为工程师站和操作员站。工程师站主要完成系统组态及控制参数的在线修改和设置等。操作员站主要完成对整个污水处理厂的数据采集、监控、报表及打印等功能。在不需组态式修改参数时，工程师站与操作员站互为备用，提高了系统的可靠性。
　　2、工艺流程
　　该污水处理厂占地100万m²。采用德国BIOLAK污水处理工艺，日处理水规模为l0万m³。工艺流程如图1所示。


　　污水经污水排放管道进入进水井，经粗格栅流入进水泵房。粗格栅主要用来拦截较大的悬浮物，以保护后续的动力设备。污水在进水泵房用水泵提升送至细格栅，由细格栅流出的污水流人计量渠。计量渠主要用来测量污水流量和污水的pH值及温度值。污水由计量渠流入曝气池，进行氧化处理，由鼓风机吹入大量氧气，生成的活性污泥含有大量的活性氧化菌吞噬污水中的有害机体，在澄清池逐渐沉淀形成污泥。
澄清池有刮泥桥，刮到的泥经过浓度测量之后，如果达到预定的浓度，则由吸泥泵抽送到污泥浓缩池进行脱水处理；如果未达到预定浓度，说明污泥中活性泥的比例较高，由吸泥泵抽送到澄清池两边的槽内回流到曝气池中重复利用。被处理以后的水在澄清池中进一步澄清，然后流入安全池。已处理水被安全池缓冲后流入了秦台干渠，由秦台干渠排出。排出后的水可用来灌溉，或排入大海。淤泥在处理后被运走用干填充或掩埋。
　　3、方案设计
　　3.1、设计思想
　　选用西门子公司S7-300PLC作为现场控制单元即控制主站。根据污水处理工艺流程在现场信号采集点和电控设备较集中的地方设立分布式远程子站，将现场监测仪表信号及控制、采集信号接入各远程子站。通过现场总线将控制主站、远程子站与中央控制室的上位工程师站相连，便于监控。将上位工程师站、操作员站与厂长室微机接人以太网，由管理机完成各项管理和功能。整个自动化监控系统构成SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制等功能。
　　3.2、系统结构图
　　如图2所示。


　　3.3、各单元功能描述
　　3.3.1 、中央控制级
　　中央控制级分为中央控制室及厂长室远程管理监控计算机。中央控制室设有工程师站和操作员站。
工程师站即能完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等，又能完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能；操作员站主要完成对整个污水处理厂的数据采集、监控、报表及打印等功能。
厂长室远程管理监控计算机以工业以太网形式与系统相连，以便于厂长对整个系统进行管理和监控，并针对实际情况准确发出操作命令。
　　中央控制级主要功能如下：
　　（1）对分布控制站PLC送来的数据进行分析处理、储存、建立全数据库；
　　（2）向PLC发布指令，实时控制和调节设备运行；
　　（3）显示多幅工艺流程画面，并实时显示巡检参数；
　　（4）在线故障诊断、报警；
　　（5）历史趋势显示，模拟量数据显示；
　　（6）打印制表。
　　3.3.2、分布式控制站
　　共设PLCl、PLC2、PLC3、PLC4 4个分布控制站，各站实现功能如下：
　　（1）PLCl站
　　1）对3个粗格栅的监控；
　　2）对4台提升泵（含变频器）控制；
　　3）对3个细格栅的监控；
　　4）对变电站4面低压配电屏的监视；
　　5）对粗细格栅前后闸阀状态的监控；
　　6）进水井闸阀状态的读取；
　　7）计量渠水质的监测。
　　（2）PLC2、3站
　　1）曝气池内氧含量的读取；
　　2）鼓风机的起停控制，设置溶解氧定值用于鼓风机的自动调节；
　　3）鼓风机的温度、压力信号的读取及对鼓风机的过热保护；
　　4）回风阀及冷凝水电磁阀的状态读取；
　　5）对刮稀泥机的监控。
　　（3）PLC4站
　　1）对污泥泵的监控；
　　2）污泥流量的监测，积算；
　　3）对脱水机的监控；
　　4）投药泵的调节控制。
　　3.3.3、现场控制柜
　　各现场电控柜具有两部分功能：一是进行现场的手动操作，二是与各个远程RIO站连接，将各设备状态信号传送到PLC。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态开关打到自动状态，自动控制程序才起作用。所以在接入自动监控系统前，首先要完成对现场各控制柜的调试。
　　4、控制系统实现
　　4.1、系统硬件实现
　　4.1.1、中央监控室
　　中央监控室设两台中央监控计算机、彩色喷墨打印机等。两台监控计算机均为研华工控机P41.6G,256M内存，40G硬盘，并带CP5611卡以实现与Profibus总线的通讯，分为工程师站和操作员站，配windows2000 Sever/Rrofessional操作系统，并配有STEP75.3和SIMATIC WINCC6.0软件。通过上位机，操作人员可以远程控制现场各设备的运行。
　　4.1.2、分布式控制站
　　各PLC分布控制站主要负责采集现场各个传感器的信号，除了把信号转换后传给上位机，由上位机进行显示和控制外还要根据控制要求对现场控制柜和执行机构作出相应的控制，所以各分站PLC不但具有中心控制的作用，还具有数据中转站的作用。在自动状态下，根据检测数据对某些电机进行PIID控制，以达到最优状态。本系统选用SIMATICS7-300PLC。SIM-ATICS7-300PLC是模块化结构设计无风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握。
　　（1）PLC1站
　　PLC1站主要负责粗格栅、进水泵房、细格栅、计量渠及10kV变电站多面低压配电屏等设备的数据采集和现场控制柜的操作。
　　主要配备CPU模块CPU315-2DP、PS307-2A电源模块各1块，2块32点DI模块SM321，1块16点：DO模块SM322，l块8路AI模块SM33l和1块8路AO模块SM332。
　　（2）PLC2、3站
　　PLC2、3站主要是完成对两个曝气池、澄清池的数据采集和控制。这两个曝气池是完全对称的。
PLC2站主要完成曝气池的含氧量的测量，根据测量到的含氧量对鼓风机的起停控制、曝气池温度、液位的测量以及对刮稀泥机的控制。
　　主要配备CPU模块CPU315-2DP、PS307-2A电源模块各1块，2块32点DI模块SM321，2块16点DO模块SM322。
　　（3）PLC4站
PLC4站主要完成如下任务：对剩余污泥泵的启停控制及状态检测，并设有一台液位开关，当泥位到达下限时停泵并报警；对污泥流量的测量及流量值的累计、对排放水投药量的控制以及对脱水机房脱水机及其他电机的启停控制。
主要配备CPU模块CPU315-2DP、PS307-2A电源模块各1块，2块32点DI模块SM321，1块16点DO模块SM322，1块8路AI模块SM331。
　　PLC的CPIJ315-2DP带有Profibus总线接口，且以Profihus协议通讯。上位机通过CP5611模块接入Profihus网络。考虑到中控室距离PLC现场距离较远,故采用的传输速率为500kbps。中控室的两台工控机及厂长办公室的管理机组成以太网，采用TCP/IP协议。各个计算机之间可以通过网络传递数据并打印报表等。
　　4.2、系统软件设计
　　整个系统软件分为上位机监控软件和PLC现场控制软件。
　　4.2.1、上位监控软件
　　本系统采用1024点的西门子WINCC组态软件对系统进行监控。主画面显示整个污水处理厂的工艺流程，如图3所示。通过主画面的各按键进入不同的分画面，分画面是按照各个远程RIO来设计的。分画面还包括报警表格和各模拟量趋势图。整个监控系统的所有开关量和模拟量都在各个画面中体现出来。监控系统还具备了实时故障报警和历史数据归档的功能。


　　4.2.2、 PLC编程软件
　　本系统PLC的编程使用STEP75.3编写，实现PLC对过程数据的初步处理。
在STEP7中，有3种编程语言可用来编程，分别是梯形图（LAD）、语句表（STL）、功能块（FBD）。
首先建立新项目，插入PLC站，插入各模块的顺序完成硬件组态，然后开始编制PLC程序。
提升泵站控制流程图如图4所示。


　　5、结论
　　本系统已投入实际运行，自投入运行以来，控制系统运行稳定可靠，设备工作状况良好，使用及维护简捷方便，各项指标均达到了设计要求，操作人员的工作量和劳动强度大大降低，能源和设备的利用率得到提高，解决了污水处理厂设备分散、复杂、难以控制的难题，使出水指标稳定达到国家二级排放标准，同时实现了节约能源、降低能耗，受到了厂方的好评。