中小型污水處理廠控制系統的設計與應用

摘要:以某城市污水處理工程為例，構建了基于PLC的污水處理廠自動控制系統;重點闡述了該工程自動控制系統的實現過程;為PLC在污水處理工程中的使用提供了一個實例。

關鍵詞:污水處理 S7-300 PLC 遠程I/O

中圖分類號:TP273 文獻標識碼:B

0 概述

隨著我國改革開放的推進和深入、市場經濟體制的不斷完善，城市化進程也在明顯加快，城鎮污水的處理問題日益突出。近年來，國家不斷加大污水處理設施的建設，但中小城市(鎮)的污水處理能力仍明顯低于全國平均水平，其污水排放量約占污水排放總量的一半以上。針對目前的實際情況，國家提出了至2010年要求設市城市污水處理率不低于60%，建制鎮污水處理率不低于50%的目標，因此，未來一段時間內我國污水處理事業將是大城市和廣大中小城市(鎮)并舉。

一體化氧化溝工藝是活性污泥法的一種變型，在充分發揮氧化溝技術優勢的基礎上，開發出的更為先進的氧化溝技術，由美國于上世紀80年代初最先提出。該技術具有工藝流程短，構筑物和設備少，占地面積小，投資省，運維費用低，啟動快，運行操作簡單，沉淀效率高，出水水質穩定等諸多優點，非常適合中小型污水處理廠的應用。

1 項目及控制系統方案簡介

貴州省某縣城2008年年底開工建設污水廠一座，主要用于處理該縣生活污水和部分工業廢水，處理污水規模1萬m3/日，總投資近四千萬。該污水廠采用一體氧化溝技術，其處理工藝及主要處理構筑物如圖1所示，控制系統包括現場手動系統和自動控制系統兩部分。

自動控制系統要求由兩臺西門子S7-300PLC完成對整個污水處理系統的控制，中央控制室上位機通過以太網收集現場相關信息并顯示。操作人員通過上位機監控界面和安裝在電器柜上的觸摸屏查看整個污水處理系統的運行情況及設備狀態，設定系統自動運行的相關參數，并可以對系統中的設備進行遠程手動啟停控制。

2 控制系統軟硬件設計

手動控制系統完全基于常規電氣控制設計完成，在此重點介紹自動控制系統的軟硬件設計。

2.1 控制系統硬件設計 在實際開發時，我們根據系統設計要求和現場開關量分布情況，建議用一臺S7-300PLC設置在控制柜I內，在控制柜II內設置遠程IO。這樣既減少了硬件投入成本，又免去了兩個PLC之間通信的問題。工程承包方采納了我們建議，對原方案進行了修改。

基于以上設計修改要求，我們選擇的S7-300 PLC的CPU模塊是CPU315-2PN/DP(315-2EG10-0AB0)，將其安裝在控制柜I中。遠程I/O模塊ET200M(6ES7 153-1AA03-0XB0)安裝在控制柜II中，兩個控制柜之間通過的Profibus-DP總線相連;中控室的上位機通過以太網與控制柜I中的CPU模塊相連，控制系統結構圖如圖2所示。

控制柜I中選用還包括:SM321 DI32×DC24V數量輸入模塊3塊、SM322 DO32×DC24V數字量輸出模塊2塊、SM331 AI8×14位模擬量輸入模塊1塊;控制柜II中選用SM321 DI32×DC24V數量輸入模塊4塊、SM322 DO32×DC24V數字量輸出模塊2塊、SM331 AI8×14位模擬量輸入模塊2塊。

2.2 控制系統軟件設計 軟件設計部分主要包括PLC編程，控制柜觸摸屏編程，上位機WINCC編程。(如圖4所示)S7-300支持用戶程序的塊調用，使得用戶程序結構化，且易于修改。因此在程序編寫時，我們以設備所處污水處理工藝的不同階段為界限，根據設備的功能及設備間的邏輯關系，將相關設備的基本控制分置于幾個功能塊中，再由一個功能塊按該工藝階段的邏輯關系編寫控制程序，將這幾個功能塊連接在一起，將相關信息寫入共享數據庫中，便于HMI和上位機監控系統顯示。編寫好的程序結構如圖3所示。例如進水泵房的控制時，FC10和FC11分別負責粗格柵機、柵渣輸送機和潛水排污泵、電動蝶閥的啟動、停止、故障、手自切換等功能;FC1負責粗格柵機、柵渣輸送機的定時啟停邏輯和潛水排污泵、電動蝶閥的三用一備功能邏輯;DB1則用于保存整個進水房設備組的相關參數和狀態，便于顯示及控制。

程序編寫中較困難的地方是對三臺羅茨風機和四臺潛水排污泵的控制。這兩類設備工作時的共同特點是:①要根據每臺設備的累計運行時長，在啟動時選擇設備的啟動順序，即累計運行時間短的設備優先啟動。②每次啟動時，總要保持一臺設備處于備用狀態，當運行設備出現故障或不能啟動時，備用設備就自動投入運行。為此，我們用多個計數器(C)配合定時器(SD)分別記錄這兩組設備的每個設備的運行次數，通過采集設備組總啟動信號的上升沿，完成設備組中啟動順序的邏輯判斷，實現一臺備用其它啟動，先開先停，累計運行次少的設備優先啟動的設計要求。

在S7-300 PLC編程時，充分應用了結構化編程的設計思想，在觸摸屏編程和上位機編程時就比較方便了，在此不再贅述。

3 調試效果

進行現場調試時，我們將現場已安裝好的手動電器控制系統與自動控制系統進行整合，實現集控自動、集控手動、就地控制三種方式的相互切換。正常生產時，使用集控自動方式，設備按照工藝要求的流程和順序由PLC自動控制啟停;操作人員可以根據，污水處理系統的實際運行情況或生產要求，通過集控手動模式，從上位機監控軟件或安裝在電器柜上的觸摸屏上完成對設備的手動啟停操作;當現場設備需要檢修或出現故障時，技術人員在現場設備附近的就地控制箱中，將設備工作狀態開關切換到手動模式，設備不再接受PLC的的控制，但PLC仍會采集設備的啟動、停止及故障信號用于顯示。

另外，根據污水廠的要求，我們在程序中加入了定時啟動功能，這樣污水廠可以根據實際運行情況及分時電價的安排，指定每天污水處理系統的啟動時間，降低整個系統的運行成本。

4 結語及展望

該污水處理廠自動控制系統在結構設計上采用了分散控制集中管理的集散控制系統模式，具有安全可靠，易于擴展，便于維護的特點。通過該項目的實施，我們可以得到以下結論及展望:

4.1 根據系統的實際情況，在滿足設計要求的情況下，合理選擇PLC硬件，可以減少硬件采購的費用降低軟件開發難度。

4.2 當前中小型污水廠對設備的控制方式只需要簡單的啟停操作，適當引入節能控制技術，可以降低污水處理廠的運行成本。

4.3 污水處理系統中，部分設備組具有的輸入輸出點數少、工作過程相對獨立的特點，完全可以通過基于單片機或嵌入式系統的小型智能控制模塊進行控制。引入小型智能模塊后，基于PLC的污水處理自動控制系統整體解決方案將更具有市場競爭力。

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