[摘 要]
介紹了縣級中小城市污水處理" 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，污水處理廠的自控要求、PLC的系統(tǒng)硬件配置、軟件設計，和實際運行結果。
可編程控制器PLC是實現(xiàn)污水處理廠自動控制的關鍵，縣級中小城市的污水處理廠處理能力一般在10萬m3/d以下，很多是1～5萬立方米/d，監(jiān)控點數(shù)一般不是很多，而選用西門子S7-300 PlC是一種即經濟又切合實際的解決方案，它具有高度模塊化結構，指令集功能強大，能夠滿足多樣化和個性化的需求。
1 污水處理工藝流程
從當前污水處理工藝和技術研究、開發(fā)和應用的情況看，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、運行費用高以及電耗高等問題，因此，處理水量在10萬立方米/d以下的縣級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4萬噸，處理工藝采用的是奧貝爾氧化溝。主要處理：工段有機械處理段、生物處理段、和污泥脫水處理段。機械處理段由粗格柵間、進水泵房、細格柵間、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泥池、污泥脫水機房組成。該工藝的流程見圖1。
城市污水管網收集到的污水到了進水泵房，在這里大的固體雜質被格柵機過濾掉，然后較稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池，污水由于攪拌機和吸砂機的作用，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，這里有相應的菌種來分解、凈化污水，氧化溝中的污泥細菌生態(tài)系統(tǒng)維持存活的主要條件一個是污水中的有機物雜質，另一個就是氧氣的供應，所以氧化溝上的曝氣轉碟的作用是對污水進行充氧。經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標后可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脫水機房，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)勢所在。在眾多的PLC生產廠家中，西門子公司的S7-300 PLC系列產品以其較高的性價比成為眾多用戶的首選。S7-300是模塊化的中小型PLC系統(tǒng)，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32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(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)的要求是對污水處理過程進行自動控制和自動調節(jié)，使處理后的水質指標達到要求的范圍；在公司中控室發(fā)出上傳指令時，將當前時刻運行過程中的主要工作參數(shù)（水質參數(shù)、流量、液位等）、運行狀態(tài)及一定時間段內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：在中心控制室能對被控設備進行在線實時控制，如啟停某一設備，調節(jié)某些模擬輸出量的大小，在線設置PLC的某些參數(shù)等。
2）顯示功能：用圖形實時地顯示各現(xiàn)場被控設備的運行工況，以及各現(xiàn)場的狀態(tài)參數(shù)。
3）數(shù)據(jù)管理：依據(jù)不同運行參數(shù)的變化快慢和重要程度，建立生產歷史數(shù)據(jù)庫，存儲生產原始數(shù)據(jù)，供統(tǒng)計分析使用。利用實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較和分析，得出一些有用的經驗參數(shù)，有利于優(yōu)化氧化溝的準閉環(huán)控制，并把一些必要的參數(shù)和結果顯示到實時畫面和報表中去。
4）報警功能：當某一模擬量（如電流、壓力、水位等）測量值超過給定范圍或某一開關量（如電機啟停、閥門開關）閥發(fā)生變位時，可根據(jù)不同的需要發(fā)出不同等級的報警。
5）打印功能：可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。打印方式可分為：定時打印、事件觸發(fā)打印。
4 系統(tǒng)構成及其布局
如果采用常規(guī)PLC集中控制方式，將現(xiàn)場信號通過電纜連接到集中控制室內的PLC上，由于工藝線路長、現(xiàn)場控制點分布范圍廣，需要敷設大量的電纜及橋架，且現(xiàn)場環(huán)境惡劣、其施工難度非常大。鑒于此，采用了PROFIBUS現(xiàn)場總線技術，根據(jù)工藝劃分，系統(tǒng)共設了兩個主站" title="主站">主站、兩個子站、兩個操作員站。采用西門子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其帶有一個DP通訊口和一個MPI口。子站采用通用性較好的ET200M遠程模塊，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制，并借助PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場總線），方便控制網絡系統(tǒng)的建立。其自控系統(tǒng)見圖2。
控制系統(tǒng)分為三個級別，即現(xiàn)場級、控制級、管理級。
（1）管理級
管理級集中監(jiān)控各個分站設備的運行狀態(tài)。管理級現(xiàn)場總線選擇PROFIBUS-FMS總線，兩臺安裝組態(tài)軟件" title="組態(tài)軟件">組態(tài)軟件的冗余服務器作為PROFIBUS-FMS現(xiàn)場總線的操作員站，安裝在控制室內，可以同時收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。服務器采用WinCC組態(tài)軟件，并配有服務器軟件包選項。
（2）控制級和現(xiàn)場級
控制級主要功能是接收管理層設置的參數(shù)或命令，對污水處理生產過程進行控制，將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層。根據(jù)本廠工藝流程和總平面布置，結合馬達控制中心MCC的位置和供配電范圍，按照控制對象的區(qū)域、設備數(shù)量，以就近采集和單元控制為劃分區(qū)域的原則，在進水泵房、變電所設兩座現(xiàn)場主站PLC1、 PLC2。在加氯間、脫水機房設兩座現(xiàn)場子站，其中加氯間PLC1-1為進水泵房PLC1的DP從站，脫水機房PLC2-1為變電所PLC2的DP從站?，F(xiàn)場主站與現(xiàn)場子站之間采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場主站PLC1、PLC2分別由電源模塊PS 307、CPU315-2 DP模塊和通訊模塊CP343-5及相應信號模塊SM組成。現(xiàn)場子站采用ET200M遠程單元，每個ET200M單元均由1個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。
進水泵房現(xiàn)場主站PLC1監(jiān)控范圍為粗格柵、進水泵房、細格柵、沉砂池等，其主要控制對象為粗細格柵間的粗細格柵及進水電動閘門、進水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂裝置和砂水分離等設備，此外，還負責進水水質如pH、SS（濁度測量）等參數(shù)的在線檢測。其I/O" title="I/O">I/O配置為：DI＝144、DO＝48、 A1＝16。
加氯間現(xiàn)場子站PLC1-1監(jiān)控范圍為加氯間、接觸池，其主要控制對象為加氯消毒等設備，此外其還負責出水水質如：余氯、COD、流量等參數(shù)的在線檢測。其I/O配置為：D1＝48、DO＝16、AI＝8。
變電所現(xiàn)場主站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，主要完成對處理工藝參數(shù)的監(jiān)測控制，如對溶解氧、污泥濃度、pH值、 ORP值等參數(shù)的測控。對曝氣設備、攪拌設備、排水設備、污泥回流及剩余泵、刮泥機等進行操作控制，以滿足對處理出水水質的要求。其I/O配置為：DI＝224、DO＝8O、A1=24。
脫水機房現(xiàn)場子站PLC2-1監(jiān)控范圍為脫水機房、儲泥池，其主要控制對象為儲泥池的攪拌器、電動閥門，脫水機房的進泥泵、輸送機、濃縮機、加藥系統(tǒng)等設備。其I/O配置為：DI＝48、DO＝16、Al＝8。
5 系統(tǒng)軟件
計算機操作系統(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 SQLServer 2000中文版軟件。上位機監(jiān)控軟件采用GE公司的iFIX3.5組態(tài)軟件來實現(xiàn)。
1）操作系統(tǒng)軟件Windows 2000 Professional中文版操作系統(tǒng)提供了一個快速、高效的多用戶、多任務操作系統(tǒng)環(huán)境，是目前使用廣泛的工控操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務器采用Windows2000 server中文版配合Microsoft SQL2000使用，用來保存歷史數(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)控軟件實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的開關量、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；對一些污水處理廠重要的物理量如各個進水泵的電流、頻率、出口壓力等都實時顯示在主上作站的主界面上，便于調度員及時掌握系統(tǒng)的運行情況。
3）數(shù)據(jù)庫服務器上安裝Microsoft SQL2000中文版數(shù)據(jù)庫軟件，用來儲存整個污水廠重要的歷史數(shù)據(jù)，通過iFIX3.5與 Microsoft SQL 2000的通訊來讀取歷史數(shù)據(jù)。單獨設計一個數(shù)據(jù)庫服務器可以避免因為系統(tǒng)局部故障導致歷史數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象的發(fā)生。
4）STEP7可以利用IEC-1131標準中八種編程語言中的6種（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）進行編程、本系統(tǒng)利用STEP7對西門子可編程序控制器進行配置、編程。
6 結束語
用西門子S-300 PLC設計的自控系統(tǒng)在該污水處理廠投入使用以來，運行至今系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。設備具有調試簡單、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，提高了勞動生產率，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。