《控制與傳動(dòng)》2012年第2期  供稿

1引言

　　本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、各個(gè)分布式控制站的設(shè)計(jì)、上位監(jiān)控畫面的制作以及重難點(diǎn)控制策略的研究。文中著重講述了PLC、軟啟動(dòng)器與變頻、PID等技術(shù)在污水處理中的典型應(yīng)用。在該污水處理中，為了達(dá)到控制溶解氧（DO）含量、配水井液位等在一定得范圍內(nèi)的目的，我們采用PID控制、變頻調(diào)速等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。同時(shí)根據(jù)液位不同對(duì)使用設(shè)備的臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。為了解決污水處理中大功率設(shè)備啟動(dòng)所帶來的問題，該系統(tǒng)采用了軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。同時(shí)為了解決設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行帶來的問題，采用輪換使用幾臺(tái)泵或風(fēng)機(jī)。本文以實(shí)際系統(tǒng)為例，介紹污水處理廠自動(dòng)控制的方法與策略，具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義。

　　2污水處理工藝流程介紹

　　2.1污水處理的基本工藝方法

　　污水處理就是采用各種技術(shù)與手段，將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除、回收利用，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使水得到凈化。

　　現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按處理程度劃分，一般分為三級(jí)處理：

　　一級(jí)處理，又稱物理處理，主要是去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過一級(jí)處理后的污水，可去除50%左右的懸浮物，BOD一般只能去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　二級(jí)處理，又稱生化處理，它是城市污水處理廠的核心，主要去除水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物。經(jīng)二級(jí)處理后，BOD的去除率可達(dá)90%以上，污水中BOD值可降至20-30mg/L，有機(jī)污染物達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　三級(jí)處理，又稱深度處理，其目的在于進(jìn)一步去除二級(jí)處理未能去除的污染物質(zhì)，其中包括微生物未能降解的有機(jī)物和氮、磷等能夠?qū)е滤w富營(yíng)養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物質(zhì)。

　　生物法具有凈化能力強(qiáng)、費(fèi)用低廉、運(yùn)行可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，是污水處理的主要方法，在污水處理領(lǐng)域中占有重要地位。我國(guó)現(xiàn)階段的城市污水處理以生物法為主，以物理法和化學(xué)法為輔。以生物法為主的處理工藝主要有活性污泥法、A/O法、A2/O法、SBR法、MSBR法、UNITANK法、氧化溝等，它們均具有同步降解BOD5和脫氮除磷的作用。

　　2.2本系統(tǒng)采用的工藝介紹

　　根據(jù)實(shí)際情況，并綜合考慮各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，該污水處理廠采用A2/C氧化溝工藝。

　　2.2.1A2/C氧化溝工藝簡(jiǎn)介



　　圖2.1A2/C氧化溝工藝流程圖

　　設(shè)置厭氧、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡(jiǎn)稱：A2/C氧化溝)具有生物脫氮除磷功能，是目前城市生活污水處理的主流工藝之一。它是在Carrousel2000氧化溝的基礎(chǔ)上增加前置的厭氧段形成的。在污水脫氮除磷的工藝設(shè)計(jì)中必須具備厭氧、缺氧、好氧3個(gè)基本條件，但是在實(shí)施過程中由于所需的處理構(gòu)筑物多、

　　污泥回流量大，從而造成投資大、能耗多、運(yùn)行管理復(fù)雜。A2/C氧化溝將厭氧、缺氧、好氧三個(gè)過程集中在一個(gè)池內(nèi)完成，各部分用隔墻分開自成體系，但彼此又有聯(lián)系。該工藝充分利用污水在氧化溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的特性，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力回流，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗。



　　圖2.2A2/C氧化溝平面布置圖

　　該污水處理系統(tǒng)為兩個(gè)A2/C氧化溝并行運(yùn)行。經(jīng)配水井分配后的污水進(jìn)入氧化溝前段的厭氧池，與來自污泥泵房的回流污泥混合，在厭氧條件下，除磷菌可將儲(chǔ)存在菌體內(nèi)的聚磷分解，將磷酸鹽釋放到水中。厭氧池分為3格，每格都設(shè)有水下攪拌器以防止污泥沉淀。經(jīng)厭氧釋磷后的污水進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮，缺氧段設(shè)計(jì)成環(huán)流形式，強(qiáng)化脫氮效果，反硝化后的污水通過設(shè)置在一側(cè)的渠道進(jìn)入氧化溝。氧化溝的充氧機(jī)械采用倒傘形曝氣機(jī)，可根據(jù)池內(nèi)DO測(cè)定值控制調(diào)節(jié)堰門出水、改變曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)溶解氧的目的。在氧化溝內(nèi)，污水進(jìn)一步去除有機(jī)物并將NH3-N氧化成NO2和NO3。同時(shí)聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷，強(qiáng)化出水水質(zhì)。而且在好氧段末設(shè)置內(nèi)回流渠，經(jīng)過好氧硝化的污水進(jìn)入缺氧段，由于末端的溶解氧減少到最低程度，有效的防止缺氧池氧過量的問題，可以取得最好的反硝化效果。經(jīng)過處理后的污水經(jīng)過出水口進(jìn)入二沉池進(jìn)行沉淀處理。

　　2.2.2本系統(tǒng)工藝流程

　　桂陽縣污水處理廠包括污水處理和污泥處理兩個(gè)系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)包括進(jìn)水井、粗格柵間、提升泵房、細(xì)格柵間、曝氣沉砂池、鼓風(fēng)機(jī)房、氧化溝、二沉池、紫外線消毒渠、出水渠等，污泥處理系統(tǒng)包括污泥回流泵房、脫水機(jī)房等幾部分。

　　污水經(jīng)污水排放管進(jìn)入進(jìn)水井，由進(jìn)水井流經(jīng)粗格柵，濾除大塊固體懸浮物后，再由提升泵將污水提升到細(xì)格柵，濾除細(xì)小的漂浮物和浮渣，然后經(jīng)計(jì)量渠流入曝氣沉砂池，進(jìn)行砂水分離，去除水中密度較大的無機(jī)顆粒，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行。然后污水進(jìn)入氧化溝，進(jìn)行生化處理。經(jīng)生化處理后的污水進(jìn)入二沉池進(jìn)行污泥沉淀，經(jīng)過污泥沉淀后的污水經(jīng)紫外線消毒后到出水渠，最后排放。二沉池分離的一部分生物活性污泥回流到生化反應(yīng)池，另一部分剩余污

　　泥流經(jīng)污泥泵房進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)，剩余污泥進(jìn)入污泥貯池，最后經(jīng)進(jìn)污泥泵進(jìn)入脫水機(jī)房進(jìn)行脫水處理并外運(yùn)。



　　圖2.3韶陽縣污水處理廠總體工藝流程圖

　　3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　3.1設(shè)計(jì)原則

　　1.系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠。

　　2.操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便

　　3.運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能，維護(hù)費(fèi)用低。

　　4.易于擴(kuò)展

　　5.性能價(jià)格比高

　　3.2設(shè)計(jì)思想

　　本系統(tǒng)采用工控機(jī)+可編程序控制器（PLC）+現(xiàn)場(chǎng)儀表的控制方式?，F(xiàn)場(chǎng)儀表將現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集并傳輸至PLC中，PLC作為主要的現(xiàn)場(chǎng)控制單元，工控機(jī)用于監(jiān)視和控制PLC及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)。各個(gè)設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程手動(dòng)三種控制方式。

　　3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　整個(gè)控制系統(tǒng)由中控室、PLC控制站、現(xiàn)場(chǎng)儀表及現(xiàn)場(chǎng)的控制柜構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：



　　圖3.1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.4控制系統(tǒng)各部分功能

　　3.4.1現(xiàn)場(chǎng)電控柜

　　現(xiàn)場(chǎng)控制柜的主要作用是完成現(xiàn)場(chǎng)控制功能和與PLC連接。各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制柜能夠完成手動(dòng)控制設(shè)備啟停的功能，是典型的繼電器控制?，F(xiàn)場(chǎng)控制相對(duì)于PLC自動(dòng)控制和中央監(jiān)控室控制具有最高的優(yōu)先級(jí)。只有將選擇開關(guān)撥到遠(yuǎn)程控制之后，PLC控制和中央監(jiān)控室的上位控制才起作用。所以在進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)試前，首先要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各控制柜的調(diào)試，在保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全的前提下才能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　3.4.2PLC控制站

　　該污水處理廠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)兩個(gè)PLC控制站。氧化溝單獨(dú)一個(gè)控制站，其余部分用一個(gè)控制站。PLC站的主要作用是采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)并控制設(shè)備的運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)包括液位、流量、溫度等工藝信號(hào)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜的模式選擇開關(guān)選擇到“遠(yuǎn)程”時(shí)，操作人員不能使用現(xiàn)場(chǎng)控制柜上的啟停按鈕來控制設(shè)備的運(yùn)行。這時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)程序自動(dòng)或者根據(jù)上位監(jiān)控系統(tǒng)給出的信號(hào)控制設(shè)備的運(yùn)行。

　　3.4.3上位監(jiān)控系統(tǒng)

　　該污水處理廠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)工程師站和一個(gè)操作員站。工程師站既能完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等，又能完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，報(bào)表及打印等功能；操作員站主要完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等功能。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，工程師站可兼作操作員站，方便了監(jiān)視與操作，并提高了系統(tǒng)的可靠性。污水處理的各個(gè)工段的工藝數(shù)據(jù)以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過PLC采集并在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示，操作人員可以查看全廠各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。同時(shí)可以對(duì)報(bào)表存檔打印，顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警等，方便操作人員進(jìn)行工藝分析和查找故障。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜的模式選擇開關(guān)選到“自動(dòng)”時(shí)，在上位機(jī)監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動(dòng)”運(yùn)行狀態(tài)，然后手動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行。

　　4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　4.1PLC1站設(shè)計(jì)

　　PLC1站主要負(fù)責(zé)粗格柵、提升泵、細(xì)格柵、曝氣沉沙池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　4.1.1PLC1實(shí)現(xiàn)的功能

　　在粗格柵間共設(shè)有2個(gè)粗格柵，粗格柵的主要作用是去除污水中大塊漂浮物。粗格柵能夠根據(jù)PLC程序或上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)輪流自動(dòng)啟停。與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機(jī)負(fù)責(zé)將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎。在控制時(shí)，為確保設(shè)備安全，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機(jī)聯(lián)動(dòng)，以防止螺旋壓榨機(jī)空轉(zhuǎn)。聯(lián)動(dòng)順序?yàn)椋郝菪龎赫C(jī)→粗格柵，關(guān)機(jī)順序相反。螺旋壓榨機(jī)在粗格柵停止之后再運(yùn)行30-60s。螺旋壓榨機(jī)故障時(shí)，粗格柵停止運(yùn)行。

　　提升泵房水泵主要用來將粗格柵間流出的污水提升到細(xì)格柵間。在提升泵房，需要測(cè)量和控制的是四臺(tái)提升泵的運(yùn)行狀態(tài)以及它們的啟停。提升泵房有四臺(tái)提升泵，其中三臺(tái)軟啟動(dòng)泵，一臺(tái)變頻調(diào)速泵，由變頻器來控制。

　　設(shè)置細(xì)格柵的目的，在于攔截污水中的大量細(xì)小的漂浮物。對(duì)于細(xì)格柵的控制，可通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，也可對(duì)細(xì)格柵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制啟、停。細(xì)格柵的控制也要和輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，以保證設(shè)備安全。其控制的方法與粗格柵相同。

　　沉砂池的作用是為了避免砂粒對(duì)處理工藝和設(shè)備帶來的不利影響。砂粒進(jìn)入生化池內(nèi)會(huì)使污泥刮板過度磨損，縮短更換周期。沉砂池內(nèi)部有一臺(tái)橋式吸砂機(jī)、兩臺(tái)吸砂泵和一臺(tái)沙水分離器，其主要作用是將砂粒吸走，需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。吸砂機(jī)和吸砂泵的啟停，可由現(xiàn)場(chǎng)控制柜手動(dòng)控制，也可以由中央控制室的上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。吸砂泵與砂水分離器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。聯(lián)動(dòng)順序：沙水分離器→吸砂泵，關(guān)機(jī)順序相反。羅茨給曝氣池鼓風(fēng)，羅茨風(fēng)機(jī)由PLC根據(jù)時(shí)間控制啟停，自動(dòng)輪換。

　　4.1.2控制柜設(shè)計(jì)

　　PLC1站采用CPU315-2DP。根據(jù)控制要求，PLC1共需數(shù)字量輸入150點(diǎn)，數(shù)字量輸出40點(diǎn)，模擬量輸入26路，模擬量輸出10路，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI，2塊32路DO，4塊8通道AI，2塊8通道AO。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號(hào)模塊，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架。

　　4.2PLC2站設(shè)計(jì)

　　PLC2站主要負(fù)責(zé)A2/C氧化溝處儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于厭氧池、缺氧池、氧化溝內(nèi)的需要采集的數(shù)據(jù)和控制的設(shè)備比較多，所以單獨(dú)設(shè)置一個(gè)PLC控制站。

　　4.2.1PLC2實(shí)現(xiàn)的功能

　　PLC2主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化溝內(nèi)的曝氣機(jī)、閘門啟閉機(jī)、潛水推流器、電動(dòng)調(diào)節(jié)堰門、內(nèi)回流旋轉(zhuǎn)門等設(shè)備進(jìn)行控制。在這里對(duì)曝氣機(jī)的控制室通過變頻器實(shí)現(xiàn)的。在PLC內(nèi)部對(duì)溶解氧含量進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子，調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制溶解氧含量的目的。

　　4.2.2控制柜設(shè)計(jì)

　　在PLC站2也采用S7300PLC。PLC站2需要根據(jù)溶解氧的濃度通過PID運(yùn)算來調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)需要控制潛水推流器等眾多設(shè)備，為了滿足要求采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算速度較高的315-2DPCPU。根據(jù)控制要求，PLC2共需數(shù)字量輸入156點(diǎn)，數(shù)字量輸出38點(diǎn)，模擬量輸入20路，模擬量輸出12路，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI，2塊32點(diǎn)DO，4塊8通道AI，2塊8通道AO。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號(hào)模塊，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架。

　　5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該污水處理廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含PLC程序開發(fā)和上位監(jiān)控界面的開發(fā)。

　　5.1PLC編程

　　在該系統(tǒng)中我們通過在工控機(jī)上安裝STEP7編程軟件進(jìn)行程序的編制和調(diào)試工作。并通過在PC機(jī)中插入CP5611板卡，連接PLC下載程序并監(jiān)視程序的運(yùn)行及查找故障。

　　5.1.1編程軟件介紹

　　STEP7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等[7]。

5.1.2設(shè)計(jì)過程

　　首先，創(chuàng)建工程。STEP7安裝成功后，將在Windows桌面上出現(xiàn)SIMATICManager（SIMATIC管理器）圖標(biāo)，雙擊該圖標(biāo)后，進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器。然后點(diǎn)擊“文件”>“新建”，選擇創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，輸入sewerage作為新項(xiàng)目的名稱并選擇項(xiàng)目文件的存放位置，然后點(diǎn)擊OK。

　　然后，進(jìn)行硬件組態(tài)。進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器之后，在瀏覽窗口中右擊項(xiàng)目名稱，在快捷菜單中選擇“InsertNewObject”>“SIMATIC300Station”，并選擇“Rename”，給站1更名為“others”。同樣的插入第二個(gè)站“yanghuagou”。

　　下面我們以PLC1站為例看一下站內(nèi)硬件組態(tài)的過程。在SIMATICManager的瀏覽窗口中鼠標(biāo)左鍵單擊站名“others”，在右邊的顯示窗口中會(huì)出現(xiàn)Hardware（硬件組態(tài)）圖標(biāo)。雙擊該圖標(biāo)進(jìn)入硬件組態(tài)的界面，如圖5.1所示：



　　圖5.1硬件組態(tài)圖

　　在STEP7中，可以通過簡(jiǎn)單的拖放操作來完成主機(jī)架的配置。在配置過程中，添加到主機(jī)架中的模塊的定貨號(hào)應(yīng)該與實(shí)際的硬件一致。在硬件目錄中選中一個(gè)模塊，目錄下方的窗口會(huì)顯示模塊的定貨號(hào)和對(duì)模塊的描述。插入主機(jī)架后，分別向機(jī)架中的1號(hào)插槽添加電源、2號(hào)插槽添加CPU。硬件目錄中的某些CPU型號(hào)有多種操作系統(tǒng)（Firmware）版本，在添加CPU時(shí)，CPU的型號(hào)和操作系統(tǒng)版本都要與實(shí)際的硬件一致。在這里我們電源選擇PS3075A，CPU選擇CPU315-2DP。在添加CPU時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框選擇CPU的站地址，在這里我們用選擇2。4—11號(hào)槽中可以添加信號(hào)模塊、功能模塊、通訊處理器等，上述模塊分別在硬件目錄的SM-300、FM-300和CP-300中。如圖我們添加了6個(gè)32點(diǎn)的數(shù)字量輸入模塊和2個(gè)32點(diǎn)的數(shù)字量輸出模塊。硬件組態(tài)的模塊的訂貨號(hào)以及位置必須與實(shí)際的硬件是一致的。

　　在主機(jī)架的3號(hào)插槽插入IM365用于本地?cái)U(kuò)展。插入另外一個(gè)機(jī)架，并在3號(hào)槽插入IM365。這時(shí)該擴(kuò)展機(jī)架上的IM365會(huì)與主機(jī)架上的IM365自動(dòng)連接。在擴(kuò)展機(jī)架上插入4個(gè)8路的模擬量輸入模塊和2個(gè)8路的模擬量輸出模塊。在硬件組態(tài)窗口的下面有詳細(xì)信息窗口，其中顯示了相應(yīng)的模塊的地址。各模塊是自動(dòng)編址的，我們也可以修改各個(gè)模塊的地址。方法是雙擊想要修改的模塊，在對(duì)話框中選擇Address標(biāo)簽頁(yè)，然后輸入相應(yīng)的地址即可。

　　在配置過程中，STEP7可以自動(dòng)檢查配置的正確性。當(dāng)硬件目錄中的一個(gè)模塊被選中時(shí)，機(jī)架中允許插入該模塊的槽會(huì)變成綠色，而不允許該模塊插入的槽顏色無變化。將選中的模塊拖到不能插入該模塊的槽時(shí)，會(huì)提示不能插入的原因。硬件組態(tài)完成后，進(jìn)行存盤并編譯。這時(shí)硬件組態(tài)的參數(shù)將會(huì)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB）中。這時(shí)系統(tǒng)硬件組態(tài)完成了，可以將選擇的組態(tài)下載到PLC中。

　　完成硬件組態(tài)后，就可以進(jìn)行程序的編制。西門子S7系列PLC采用的是“塊式程序結(jié)構(gòu)”，用“塊”的形式來管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)，組成完整的PLC應(yīng)用程序系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)）。“塊”分為數(shù)據(jù)塊和邏輯塊，它們都存放在Blocks目錄下[8]。這些塊主要包括組織塊(OB)、數(shù)據(jù)塊(DB)、功能(FC)、功能塊(FB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI)。我們選擇的程序語言是梯形圖(LAD)。

　　程序編制完成后需要對(duì)程序進(jìn)行下載和調(diào)試。

　　5.1.3典型程序介紹



　　該程序段主要實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及傳感器故障報(bào)警。在污水處理過程中，需要實(shí)時(shí)的采集和顯示溫度、流量、液位等模擬量信號(hào)。該程序的目的就是將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為原始的工程量進(jìn)行顯示。由于在污水處理的現(xiàn)場(chǎng)存在信號(hào)干擾，所以將內(nèi)碼值在+200和-200之間的輸入視為干擾，不進(jìn)行處理。然后將該內(nèi)碼值送給FC105處理。FC105SCALE功能是接收一個(gè)整型值(INT)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值。



　　該程序檢測(cè)溫度傳感器是否故障。當(dāng)一個(gè)溫度模擬量對(duì)應(yīng)的整數(shù)值在-1000-2000范圍之外，我們視為傳感器故障。為了防止干擾引發(fā)的誤判斷，我們對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。只有當(dāng)時(shí)當(dāng)該時(shí)間超過1000秒時(shí)，我們才對(duì)其進(jìn)行報(bào)警處理。當(dāng)時(shí)間未到，出現(xiàn)了正常信號(hào)時(shí)，需要對(duì)計(jì)時(shí)清零。

5.2上位組態(tài)畫面

　　本系統(tǒng)采用SIMATICWinCC組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。用戶登陸系統(tǒng)后看到主畫面顯示整個(gè)污水處理廠的工藝流程。通過主畫面上的幾個(gè)按鈕可以進(jìn)入各個(gè)分畫面。分畫面包括工藝流程的各個(gè)部分以及報(bào)警、趨勢(shì)畫面。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)中的各個(gè)開關(guān)量和模擬量。監(jiān)控系統(tǒng)還可以完成實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和報(bào)表打印。

　　5.2.1WinCC簡(jiǎn)介

　　西門子公司的WinCC是WindowsControlCenter（視窗控制中心）的簡(jiǎn)稱。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化（TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無縫集成的特點(diǎn)。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以于多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需要的操作畫面、控制畫面、監(jiān)視畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等。

　　5.2.2設(shè)計(jì)思路

　　程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)入主畫面。主畫面顯示污水處理的整個(gè)工藝流程，同時(shí)在主畫面中顯示各個(gè)流程關(guān)鍵的開關(guān)量和模擬量的狀態(tài)，如設(shè)備的狀態(tài)、閘門前后液位、流量等。如果想了解現(xiàn)場(chǎng)更加詳細(xì)的狀態(tài)以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制需要進(jìn)入工藝流程的分畫面。分畫面中可以顯示實(shí)時(shí)報(bào)警、趨勢(shì)曲線。同時(shí)對(duì)重要模擬量進(jìn)行歸檔，以便形成歷史趨勢(shì)曲線，便于以后進(jìn)行查看和分析。如果用戶想對(duì)畫面進(jìn)行操作，如設(shè)備控制、參數(shù)更改等，必須輸入用戶名和密碼進(jìn)行登陸，以防止其他人員的誤操作。在登陸狀態(tài)下，不同的用戶具有不同的權(quán)限。在中央監(jiān)控室可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行操作，參數(shù)采集以及現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)顯示。

　　5.2.3設(shè)計(jì)步驟

　　一、啟動(dòng)WinCC并新建項(xiàng)目

　　啟動(dòng)WinCC，單擊“開始”>SIMATIC>WinCC>WindowsControlCenter6.0。選擇“文件”>新建，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)目類型選擇對(duì)話框。選擇單用戶項(xiàng)目，輸入項(xiàng)目名稱，在這里輸入“sewerage”，并選擇項(xiàng)目的存儲(chǔ)位置。

　　二、安裝通訊驅(qū)動(dòng)程序

　　添加一個(gè)通訊驅(qū)動(dòng)程序，鼠標(biāo)右擊工程瀏覽器中瀏覽窗口中的“變量管理”，選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”。在“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”對(duì)話框中選擇SIMATICS7ProtocolSuite.chn。單擊驅(qū)動(dòng)程序前面的“+”，將會(huì)顯示當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程序所有可用的通道單元。右擊MPI通道單元，在快捷菜單中選擇新的“驅(qū)動(dòng)程序的連接”菜單項(xiàng)。在隨后顯示的連接屬性對(duì)話框中輸入PLCstation作為邏輯連接名，單擊“確定”按鈕。

　　三、定義變量

　　單擊“變量管理”>SIMATICS7ProtocolSuite>MPI前面的“+”，展開各自節(jié)點(diǎn)，鼠標(biāo)右擊節(jié)點(diǎn)PLCstation，在快捷菜單中選擇“新建變量組”，輸入DI作為變量組名，同樣的建立DO、AI和AO變量組。建立變量組的目的是為了更好的管理這些變量。如果在一個(gè)項(xiàng)目中因處理大量的數(shù)據(jù)而需要很多的變量時(shí)，建議將變量組織為變量組。只有這樣才能在大型的項(xiàng)目中始終注意各種事件。一般可將完成同一功能的變量或?qū)儆谕辉O(shè)備的變量歸結(jié)為一個(gè)組。在新建的幾個(gè)變量組中添加多個(gè)“標(biāo)簽”，這些“標(biāo)簽”，這些標(biāo)簽對(duì)應(yīng)PLC中的地址，數(shù)據(jù)類型也要和PLC中的數(shù)據(jù)類型保持一致。這樣，當(dāng)我們運(yùn)行項(xiàng)目時(shí)，PLC的數(shù)據(jù)就被采集到計(jì)算機(jī)中。這些數(shù)據(jù)用于在監(jiān)控畫面中顯示、歸檔、報(bào)表打印等。

　　四、創(chuàng)建過程畫面

　　1.設(shè)計(jì)主畫面



　　圖5.4上位機(jī)主畫面

　　主畫面顯示污水處理的整個(gè)工藝流程，包括顯示重要的模擬量輸入信號(hào)。在工藝流程主畫面的下方是一排按鈕，“主畫面”用于回到工藝流程主畫面；“工藝流程圖”用于進(jìn)入各個(gè)工藝流程分畫面；“報(bào)表曲線”用于進(jìn)入報(bào)表和趨勢(shì)曲線畫面；報(bào)警窗口用于顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警；“登陸”和“退出系統(tǒng)”用于用戶登陸和退出監(jiān)控系統(tǒng)。在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)按“Ctrl+L”，可以進(jìn)入登陸狀態(tài)，用戶可以在登錄對(duì)話框中輸入用戶名和密碼進(jìn)行登陸。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”時(shí)會(huì)顯示退出登陸對(duì)話框，可以進(jìn)行確認(rèn)退出和取消退出，這樣可以防止用戶誤點(diǎn)擊退出系統(tǒng)。同時(shí)在畫面中始終顯示系統(tǒng)時(shí)間。

　　2.設(shè)計(jì)工藝流程分畫面



　　圖5.5格柵間畫面

　　在工藝流程分畫面的最上面有一排按鈕，用于在不同的工藝流程段分畫面之間切換包括。包括“格柵間”、“曝氣塵沙池”、“鼓風(fēng)機(jī)房”、“生化反應(yīng)池”、“二沉池”、“紫外線消毒”幾個(gè)按鈕。下面以格柵間為例看一下工藝流程分畫面的創(chuàng)建過程。選擇菜單“查看”>“庫(kù)”或單擊工具欄上的圖標(biāo)，顯示對(duì)象庫(kù)中的對(duì)象中的目錄。雙擊“全局庫(kù)”后顯示全局庫(kù)中的目錄樹。單擊對(duì)象庫(kù)工具欄上的圖標(biāo)，可以預(yù)覽對(duì)象庫(kù)中的圖形。選擇相應(yīng)的對(duì)象，并將其托至畫面區(qū)中。拖動(dòng)對(duì)象周圍的黑色方塊，改變對(duì)象的大小。同時(shí)在“標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象”中選擇靜態(tài)文本以及“智能對(duì)象”中的輸入輸出對(duì)象放置在畫面中。

　　3.趨勢(shì)曲線畫面

　　要在運(yùn)行系統(tǒng)中顯示趨勢(shì)曲線和表格畫面，首先需要進(jìn)行過程值歸檔。過程值歸檔的目的是采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過程數(shù)據(jù)。以這種方法獲得的過程數(shù)據(jù)可用于獲取與設(shè)備的操作狀態(tài)有關(guān)的管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行系統(tǒng)中，可以以表格或趨勢(shì)曲線的形式輸出當(dāng)前過程值或已歸檔的過程值，也可以將所歸檔的過程值作為記錄打印輸出。WinCC使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值歸檔，可以選擇組態(tài)過程值歸檔和壓縮歸檔，定義采集和歸檔周期，并選擇想要?dú)w檔的過程值。在一個(gè)歸檔中可以定義要?dú)w檔變量的不同采集類型?？梢允欠侵芷凇⑦B續(xù)周期、可選擇周期以及一旦改變。

　　WinCC的圖形系統(tǒng)提供兩個(gè)ActiveX控件用于顯示過程值歸檔。在WinCC的畫面中插入WinCCOnlineTrendControl控件，以及WinCCOnlineTableControl控件。在控件的選項(xiàng)卡中設(shè)置標(biāo)題、變量、字體等。

4.組態(tài)報(bào)警畫面

　　在WinCC中，報(bào)警記錄編輯器負(fù)責(zé)消息的采集和歸檔，包擴(kuò)過程、預(yù)加工、表達(dá)式以及歸檔等消息的采集功能。消息系統(tǒng)給操作員提供了關(guān)于操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息。他們將臨界狀態(tài)提早通知操作員，并幫助消除空閑時(shí)間。系統(tǒng)可以通過畫面和聲音的形式報(bào)告記錄消息時(shí)間，還可以用電子和書面的形式歸檔。報(bào)警可以通知操作員在生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障和錯(cuò)誤消息，用于及早警告臨界狀態(tài)或縮短停機(jī)時(shí)間。

　　WinCCAlarmControl作為顯示消息時(shí)間的消息視圖使用。用戶在組態(tài)時(shí)就可獲得高度的靈活性，因?yàn)橄Ｍ@示的消息視圖、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進(jìn)行組態(tài)。在WinCC運(yùn)行系統(tǒng)中，報(bào)警事件將以表格的形式在畫面中。在WinCC報(bào)警畫面中，添加WinCCAlarmControl控件，然后雙擊該控件，打開屬性對(duì)話框中的消息行選項(xiàng)卡，對(duì)在控件中顯示的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，能夠顯示報(bào)警日期、時(shí)間、消息文本和錯(cuò)誤點(diǎn)。

　　第6章控制策略研究

　　6.1PID算法

　　6.1.1PID算法介紹

　　按偏差的比例、微分、積分進(jìn)行控制（簡(jiǎn)稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，是在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中總結(jié)出來的一套控制方法。在工業(yè)控制中由于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，所以人們往往采用PID控制技術(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)整，從而得到滿意的控制效果。

　　6.1.2PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)

　　考慮到PLC的運(yùn)算速度，需要對(duì)PID算法進(jìn)行一下轉(zhuǎn)化，特別是積分項(xiàng)的計(jì)算。由PID的離散形式方程可知，積分項(xiàng)包括第一次采樣到當(dāng)前采樣時(shí)刻的所有誤差；微分項(xiàng)由本次和上次的采樣值決定；而比例項(xiàng)只由本次的采樣值決定。在PLC中要存儲(chǔ)所有的采樣的誤差時(shí)不實(shí)際的，也是不必要的。因?yàn)樽缘谝粋€(gè)采樣時(shí)刻開始，每次采樣獲得一個(gè)誤差，要由PLC計(jì)算一次輸出，所以只需要將上一次的誤差和上一次的積分項(xiàng)存儲(chǔ)。利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的迭代運(yùn)算，可將PID算式化為遞推形式[3]。簡(jiǎn)化形式如下：





　　在該污水處理系統(tǒng)中，在提升泵、曝氣機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)、污泥回流泵等多處用到PID控制。所以在S7300PLC中將PID控制程序編制為一個(gè)程序塊（FB），為每個(gè)需要PID程序控制的設(shè)備建立一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊（DI），這樣每次PID運(yùn)算之后的MX將會(huì)被保存。PID運(yùn)算的輸出通過模擬量輸出模塊（AO）輸出到變頻器的控制端，從而實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。下面是PID功能塊的程序：







　　6.2軟起動(dòng)器一拖三控制

　　提升泵房有4臺(tái)提升泵，其中的三臺(tái)采用施耐德ATS4837KW軟起動(dòng)器，工作在接觸器旁路工作模式，實(shí)現(xiàn)一拖三控制。在一拖三級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)中，ATS48的運(yùn)行信號(hào)RUN，停止信號(hào)STOP和級(jí)聯(lián)信號(hào)LIC由PLC的繼電器輸出給定。同時(shí)，將ATS48的輸出繼電器R1設(shè)置為“r1I（隔離繼電器）”，把邏輯輸入LI3設(shè)置為“LIC（級(jí)聯(lián)控制）”。電機(jī)主回路控制圖如下圖所示。



　　圖6.1電機(jī)主回路控制圖

　　圖中1KM1、2KM1、3KM1為電機(jī)1#、2#、3#的主接觸器，1KM2、2KM2、3KM2為電機(jī)1#、2#、3#的旁路接觸器。下面以電機(jī)1為例說明電機(jī)的啟動(dòng)停止過程。

　　啟動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于100ms，小于1000ms）的脈沖啟動(dòng)信號(hào)給ATS48的RUN端，軟啟動(dòng)器被允許啟動(dòng)，由于產(chǎn)生運(yùn)行信號(hào)，ATS48內(nèi)部繼電器R1吸合，于是主接觸器1KM1合上，ATS48按照設(shè)置的啟動(dòng)時(shí)間啟動(dòng)；啟動(dòng)結(jié)束后，ATS48內(nèi)部繼電器R2合上，于是旁路接觸器1KM2合上，此時(shí)1KM1和1KM2同時(shí)吸合；在較短的一段時(shí)間（由ATS48決定）之后，R2在R1之后失電，1KM1斷開，電機(jī)繼續(xù)由1KM2供電，完成整個(gè)啟動(dòng)過程。同理可以啟動(dòng)2#電機(jī)和3#電機(jī)。

　　停止時(shí)，按下停止按鈕，經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于200ms）的脈沖信號(hào)給ATS48的LI3端，軟啟動(dòng)器級(jí)聯(lián)控制被激活，ATS48內(nèi)部繼電器R1、R2吸合（R2為脈沖信號(hào)，R1保持閉合直到電機(jī)完全停下來），于是主接觸器1KM1吸合，ATS48與正在運(yùn)行的電機(jī)接上；LI3脈沖信號(hào)的下降沿經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于100ms）的負(fù)脈沖信號(hào)給ATS48的STOP端，ATS48的內(nèi)部繼電器R2斷開，于是旁路接觸器1KM2斷開，ATS48軟啟動(dòng)器按已設(shè)置的停車時(shí)間使電機(jī)停車，停車完成后，ATS48內(nèi)部繼電器R1斷開，于是主接觸器1KM1斷開，完成整個(gè)停車過程。同理可以停止2#電機(jī)和3#電機(jī)。

　　在PLC內(nèi)部，我們?cè)O(shè)置一個(gè)字節(jié)的變量作為啟動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)志，分別標(biāo)識(shí)軟起準(zhǔn)備好、軟起中、軟起完成、完成延時(shí)斷開、停止等。同時(shí)，對(duì)啟動(dòng)器運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果軟起開始運(yùn)行后經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間PLC還沒有收到軟起完成的信號(hào)，則認(rèn)為是軟起動(dòng)器故障。

　　7結(jié)束語

　　污水處理自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到水處理、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器儀表、電力電子等眾多學(xué)科，是一個(gè)復(fù)雜的綜合性領(lǐng)域。本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。講述了利用STEP7軟件編程、利用WinCC軟件完成組態(tài)的具體過程。同時(shí)，對(duì)在污水處理中的控制策略進(jìn)行了介紹，包括PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)以及一臺(tái)軟啟動(dòng)器拖動(dòng)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)。