[摘 要]
介紹了縣級(jí)中小城市污水處理" title="污水處理">污水處理工藝，西門子S7-300" title="S7-300">S7-300 PLC主要特點(diǎn)，污水處理廠的自控要求、PLC的系統(tǒng)硬件配置、軟件設(shè)計(jì)，和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果。
可編程控制器PLC是實(shí)現(xiàn)污水處理廠自動(dòng)控制的關(guān)鍵，縣級(jí)中小城市的污水處理廠處理能力一般在10萬(wàn)m3/d以下，很多是1～5萬(wàn)立方米/d，監(jiān)控點(diǎn)數(shù)一般不是很多，而選用西門子S7-300 PlC是一種即經(jīng)濟(jì)又切合實(shí)際的解決方案，它具有高度模塊化結(jié)構(gòu)，指令集功能強(qiáng)大，能夠滿足多樣化和個(gè)性化的需求。
1 污水處理工藝流程
從當(dāng)前污水處理工藝和技術(shù)研究、開發(fā)和應(yīng)用的情況看，由于傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝在中小規(guī)模的污水處理廠中存在基建投資高、運(yùn)行費(fèi)用高以及電耗高等問題，因此，處理水量在10萬(wàn)立方米/d以下的縣級(jí)中小城市的污水處理廠處理工藝一般多采用氧化溝和SBR工藝。西北某縣城污水處理廠日處理污水4萬(wàn)噸，處理工藝采用的是奧貝爾氧化溝。主要處理：工段有機(jī)械處理段、生物處理段、和污泥脫水處理段。機(jī)械處理段由粗格柵間、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵間、旋流沉砂池組成。生物處理段由厭氧池、氧化溝、回流及剩余污泥泵房、二沉池、接觸池等組成，污泥脫水處理段由儲(chǔ)泥池、污泥脫水機(jī)房組成。該工藝的流程見圖1。
城市污水管網(wǎng)收集到的污水到了進(jìn)水泵房，在這里大的固體雜質(zhì)被格柵機(jī)過濾掉，然后較稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池，污水由于攪拌機(jī)和吸砂機(jī)的作用，其中的固體顆粒又被去除。下一道工序是污水先被送到厭氧池，目的是去磷、脫氮，然后流入氧化溝，這里有相應(yīng)的菌種來(lái)分解、凈化污水，氧化溝中的污泥細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)維持存活的主要條件一個(gè)是污水中的有機(jī)物雜質(zhì)，另一個(gè)就是氧氣的供應(yīng)，所以氧化溝上的曝氣轉(zhuǎn)碟的作用是對(duì)污水進(jìn)行充氧。經(jīng)過氧化溝處理后的污水在二沉池沉淀后然后在接觸池加氯達(dá)標(biāo)后可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脫水機(jī)房，通過脫水處理，污泥被壓干制成餅，用作肥料。
2 自控系統(tǒng)的硬件選擇
污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優(yōu)勢(shì)所在。在眾多的PLC生產(chǎn)廠家中，西門子公司的S7-300 PLC系列產(chǎn)品以其較高的性價(jià)比成為眾多用戶的首選。S7-300是模塊化的中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用，模塊化、無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛的組合以用于擴(kuò)展。接口模塊（IM）用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架（CR）和擴(kuò)展機(jī)架（ER），S7-300通過分布式的主機(jī)架（CR）和二個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（ER）可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通訊接口，多點(diǎn)接口（MPI））用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)和人機(jī)界面等。信號(hào)模塊（SM）用于數(shù)字量和模擬量的輸入輸出。
3 總體控制要求及功能
污水處理廠自控系統(tǒng)的要求是對(duì)污水處理過程進(jìn)行自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)，使處理后的水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求的范圍；在公司中控室發(fā)出上傳指令時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)行過程中的主要工作參數(shù)（水質(zhì)參數(shù)、流量、液位等）、運(yùn)行狀態(tài)及一定時(shí)間段內(nèi)的主要工藝過程曲線等信息上傳到公司中控室。功能如下：
1）控制操作：在中心控制室能對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制，如啟停某一設(shè)備，調(diào)節(jié)某些模擬輸出量的大小，在線設(shè)置PLC的某些參數(shù)等。
2）顯示功能：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備的運(yùn)行工況，以及各現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)。
3）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運(yùn)行參數(shù)的變化快慢和重要程度，建立生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計(jì)分析使用。利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，得出一些有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，有利于優(yōu)化氧化溝的準(zhǔn)閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結(jié)果顯示到實(shí)時(shí)畫面和報(bào)表中去。
4）報(bào)警功能：當(dāng)某一模擬量（如電流、壓力、水位等）測(cè)量值超過給定范圍或某一開關(guān)量（如電機(jī)啟停、閥門開關(guān)）閥發(fā)生變位時(shí)，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警。
5）打印功能：可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警實(shí)時(shí)打印。打印方式可分為：定時(shí)打印、事件觸發(fā)打印。
4 系統(tǒng)構(gòu)成及其布局
如果采用常規(guī)PLC集中控制方式，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過電纜連接到集中控制室內(nèi)的PLC上，由于工藝線路長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)分布范圍廣，需要敷設(shè)大量的電纜及橋架，且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、其施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設(shè)了兩個(gè)主站" title="主站">主站、兩個(gè)子站、兩個(gè)操作員站。采用西門子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其帶有一個(gè)DP通訊口和一個(gè)MPI口。子站采用通用性較好的ET200M遠(yuǎn)程模塊，用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和控制，并借助PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線），方便控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立。其自控系統(tǒng)見圖2。
控制系統(tǒng)分為三個(gè)級(jí)別，即現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、管理級(jí)。
（1）管理級(jí)
管理級(jí)集中監(jiān)控各個(gè)分站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。管理級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線選擇PROFIBUS-FMS總線，兩臺(tái)安裝組態(tài)軟件" title="組態(tài)軟件">組態(tài)軟件的冗余服務(wù)器作為PROFIBUS-FMS現(xiàn)場(chǎng)總線的操作員站，安裝在控制室內(nèi)，可以同時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。服務(wù)器采用WinCC組態(tài)軟件，并配有服務(wù)器軟件包選項(xiàng)。
（2）控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)
控制級(jí)主要功能是接收管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)輸送到管理層。根據(jù)本廠工藝流程和總平面布置，結(jié)合馬達(dá)控制中心MCC的位置和供配電范圍，按照控制對(duì)象的區(qū)域、設(shè)備數(shù)量，以就近采集和單元控制為劃分區(qū)域的原則，在進(jìn)水泵房、變電所設(shè)兩座現(xiàn)場(chǎng)主站PLC1、 PLC2。在加氯間、脫水機(jī)房設(shè)兩座現(xiàn)場(chǎng)子站，其中加氯間PLC1-1為進(jìn)水泵房PLC1的DP從站，脫水機(jī)房PLC2-1為變電所PLC2的DP從站?，F(xiàn)場(chǎng)主站與現(xiàn)場(chǎng)子站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)主站PLC1、PLC2分別由電源模塊PS 307、CPU315-2 DP模塊和通訊模塊CP343-5及相應(yīng)信號(hào)模塊SM組成。現(xiàn)場(chǎng)子站采用ET200M遠(yuǎn)程單元，每個(gè)ET200M單元均由1個(gè)IMl53-2總線接口模塊和其它若干數(shù)字量、模擬量輸入輸出模塊組成。
進(jìn)水泵房現(xiàn)場(chǎng)主站PLC1監(jiān)控范圍為粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉砂池等，其主要控制對(duì)象為粗細(xì)格柵間的粗細(xì)格柵及進(jìn)水電動(dòng)閘門、進(jìn)水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設(shè)備，此外，還負(fù)責(zé)進(jìn)水水質(zhì)如pH、SS（濁度測(cè)量）等參數(shù)的在線檢測(cè)。其I/O" title="I/O">I/O配置為：DI＝144、DO＝48、 A1＝16。
加氯間現(xiàn)場(chǎng)子站PLC1-1監(jiān)控范圍為加氯間、接觸池，其主要控制對(duì)象為加氯消毒等設(shè)備，此外其還負(fù)責(zé)出水水質(zhì)如：余氯、COD、流量等參數(shù)的在線檢測(cè)。其I/O配置為：D1＝48、DO＝16、AI＝8。
變電所現(xiàn)場(chǎng)主站PLC2監(jiān)控范圍為厭氧池、氧化溝、回流及剩余污泥泵房、二沉池，主要完成對(duì)處理工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)控制，如對(duì)溶解氧、污泥濃度、pH值、 ORP值等參數(shù)的測(cè)控。對(duì)曝氣設(shè)備、攪拌設(shè)備、排水設(shè)備、污泥回流及剩余泵、刮泥機(jī)等進(jìn)行操作控制，以滿足對(duì)處理出水水質(zhì)的要求。其I/O配置為：DI＝224、DO＝8O、A1=24。
脫水機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)子站PLC2-1監(jiān)控范圍為脫水機(jī)房、儲(chǔ)泥池，其主要控制對(duì)象為儲(chǔ)泥池的攪拌器、電動(dòng)閥門，脫水機(jī)房的進(jìn)泥泵、輸送機(jī)、濃縮機(jī)、加藥系統(tǒng)等設(shè)備。其I/O配置為：DI＝48、DO＝16、Al＝8。
5 系統(tǒng)軟件
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(kù)采用Microsoft SQLServer 2000中文版軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用GE公司的iFIX3.5組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1）操作系統(tǒng)軟件Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)提供了一個(gè)快速、高效的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境，是目前使用廣泛的工控操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用Windows2000 server中文版配合Microsoft SQL2000使用，用來(lái)保存歷史數(shù)據(jù)。各工作站均采用Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)。
2）iFIX3.5監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)量、狀態(tài)量、電量、模擬量的采集和處理，并顯示在主工作站的界面上；對(duì)一些污水處理廠重要的物理量如各個(gè)進(jìn)水泵的電流、頻率、出口壓力等都實(shí)時(shí)顯示在主上作站的主界面上，便于調(diào)度員及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
3）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上安裝Microsoft SQL2000中文版數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，用來(lái)儲(chǔ)存整個(gè)污水廠重要的歷史數(shù)據(jù)，通過iFIX3.5與 Microsoft SQL 2000的通訊來(lái)讀取歷史數(shù)據(jù)。單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器可以避免因?yàn)橄到y(tǒng)局部故障導(dǎo)致歷史數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。
4）STEP7可以利用IEC-1131標(biāo)準(zhǔn)中八種編程語(yǔ)言中的6種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）進(jìn)行編程、本系統(tǒng)利用STEP7對(duì)西門子可編程序控制器進(jìn)行配置、編程。
6 結(jié)束語(yǔ)
用西門子S-300 PLC設(shè)計(jì)的自控系統(tǒng)在該污水處理廠投入使用以來(lái)，運(yùn)行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。設(shè)備具有調(diào)試簡(jiǎn)單、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水處理效果好的特點(diǎn)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)由于軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便了工程技術(shù)人員的安裝、調(diào)試和維修。