基于S7-300PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要:利用PLC技術(shù)的邏輯功能，結(jié)合A/O污水處理工藝要求，設(shè)計(jì)了一套污水處理控制系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、下位機(jī)PLC和現(xiàn)場儀器組成。下位機(jī)S7-300PLC作為數(shù)據(jù)采集及控制單元，利用各種檢測和控制設(shè)備對溶解氧量、液位、流量等檢測量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;上位機(jī)通過FameView組態(tài)軟件和PLC站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。

關(guān)鍵詞:污水處理;PLC控制系統(tǒng);FameView;S7-300PLC

中圖分類號(hào):TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)13-0336-01

1 控制系統(tǒng)概述

本控制系統(tǒng)采用A/O工藝(如圖1)，A(Anoxic)是缺氧段，用于脫氮;O(Oxic)是好氧段，用于除水中的有機(jī)物。本控制系統(tǒng)模擬量控制對象包括鼓風(fēng)量控制、污泥回流量控制、進(jìn)水量的控制;開關(guān)量控制對象主要包括閥門的開關(guān)、攪拌機(jī)、泵的起停;主要監(jiān)測對象主要包括反應(yīng)池污水中的PH值、氧化還原電位ORP值、溶解氧DO的濃度、溫度等14個(gè)值。

混合液中溶解氧(DO)濃度是A/O工藝中一個(gè)重要的控制參數(shù)，下面主要介紹溶解氧的控制方法:溶解氧的控制主要通過對鼓風(fēng)量的控制來實(shí)現(xiàn)，通過溶氧儀對A/O池中溶解氧值進(jìn)行檢測，將檢測到的信號(hào)送到PLC站中，PLC根據(jù)水中的DO值及相應(yīng)的PID算法，輸出控制信號(hào)來控制調(diào)節(jié)閥門開度的大小，從而調(diào)整水中氧的含量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

該監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)、下位機(jī)PLC和現(xiàn)場儀器組成。下位機(jī)選用西門子公司的S7-300系列PLC，上位機(jī)采用FameView作人機(jī)界面，通過CP5611以MPI協(xié)議與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)督及控制功能。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。上位機(jī)的作用是提供一個(gè)人機(jī)交互界面，使操作人員可以通過FameView運(yùn)行界面直觀的了解現(xiàn)場各工藝參數(shù)及故障報(bào)警，根據(jù)生產(chǎn)需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令。另外可以使用大容量存儲(chǔ)器記錄歷史數(shù)據(jù)，為提高生產(chǎn)效率制定新的生產(chǎn)方案提供可靠的依據(jù)。控制核心采用PLC，其特點(diǎn)是體積小、功能多、可靠性高。編程后的PLC能夠按照內(nèi)部程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，程序啟停現(xiàn)場設(shè)備。操作人員通過上位機(jī)向PLC發(fā)出相應(yīng)的控制指令后，由PLC對現(xiàn)場進(jìn)行直接控制。

3 系統(tǒng)的硬件組成與編程軟件的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件選型的原則，考慮如下:(1)性能與任務(wù)相適應(yīng);(2)處理速度與實(shí)時(shí)控制要求相適應(yīng);(3)編程和維修方便，同時(shí)便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。主體硬件的選擇主要包括CPU的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊選擇。CPU模塊采用CPU314，數(shù)字量輸入(DI)采用SM321DI32×DC24V模塊，數(shù)字量輸出(DO)采用SM322DO16×DC24V/0.5A模塊，模擬量輸入(AI)采用SM331AI8×12Bit模塊，模擬量輸出(AO)采用SM332AO4×12Bit模塊。電源模塊選用了型號(hào)為PS307的額定電流10A電源，機(jī)架選擇型號(hào)為PS 307 5A。

3.2 編程軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括:硬件組態(tài)和PLC軟件編程。硬件組態(tài)和PLC程序的編寫都是在STEP7 Version5.4 SP3軟件環(huán)境下完成的。

3.2.1 硬件組態(tài)

設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，需對程序進(jìn)行硬件組態(tài)。硬件組態(tài)就是在S7軟件環(huán)境中從標(biāo)準(zhǔn)庫中選出硬件設(shè)計(jì)部分，如:導(dǎo)軌、CPU模塊、數(shù)字量與模擬量輸入輸出模塊等，將它組合到一起，組成一個(gè)PLC站。這時(shí)軟件會(huì)根據(jù)選擇自動(dòng)地分配每個(gè)模塊的地址參數(shù)。

3.2.2 PLC軟件編程

STEP 7是西門子進(jìn)行編程任務(wù)的平臺(tái)。STEP 7中集成三種基本編程語言:梯形圖(LAD)語言，語句表(STL)語言，功能塊圖(FBD)語言。本課題PLC編程語言采用的是梯形圖語言。程序控制策略以反應(yīng)池水位的深度作為泵的起停、閥門開啟的標(biāo)準(zhǔn)，例如水位位于反應(yīng)池高度(1/4-4/5)處，開啟進(jìn)水閥門和進(jìn)水泵，水位大于反應(yīng)池高度4/5處時(shí)，停止進(jìn)水泵電機(jī)。PLC的程序主要由塊組成，它們存放在Block目錄下，CPU中的程序就是具有特定功能和特定結(jié)構(gòu)的塊。程序設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)插入S7程序，OB塊在PLC站下，選定CPU314模塊，在CPU模塊下自動(dòng)生成“S7 Porgarm”路徑。S7程序包括這些對象:Blocks(用戶程序)，Source Files(源文件)和Symbols(符號(hào)表)。在Blocks中插入OB塊。

(2)插入DB塊、FC塊、FB塊在Block中，選Insert→S7 Block→Function，插入一個(gè)FC塊;雙擊FC塊，用梯形圖語言編程，然后存盤。在Block中，選Insert→S7 Block→Data Block，插入一個(gè)DB塊。雙擊DB塊，定義數(shù)據(jù)名稱、類型，及編寫數(shù)據(jù)說明等，然后存盤。按照上述步驟，重復(fù)插入DB塊、FC塊、FB塊并編寫程序，各種塊之間的調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

3.3 程序下載

硬件組態(tài)、軟件編制完成后，就可以下載程序，將CPU的選擇開關(guān)打到STOP或RUN狀態(tài)，點(diǎn)PLC→Download即可將硬件組態(tài)和編程下載到PLC中，這樣整個(gè)PLC程序設(shè)計(jì)工作完成。

4 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用64點(diǎn)的北京杰控FameView組態(tài)軟件，上位機(jī)主畫面顯示總體工藝流程圖，如圖4所示。通過主畫面的各按鍵進(jìn)入不同的分畫面，分畫面主要包括用戶管理、反應(yīng)池控制設(shè)置、報(bào)表查詢、報(bào)警查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線圖六個(gè)部分。此外整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的所有開關(guān)量和模擬量都在各個(gè)畫面中體現(xiàn)出來。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的A/O脫氮工藝，建立了一套污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，取得如下進(jìn)展:

(1)根據(jù)污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案編寫完成了下位機(jī)的STEP 7程序，通過S7-PLCSIM調(diào)試程序，實(shí)現(xiàn)了用西門子PLC對現(xiàn)場設(shè)備的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集功能。

(2)根據(jù)控制要求用FameView組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對曝氣池各種機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的可視化監(jiān)控功能和調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場異常情況的報(bào)警功能。

由于污水處理過程的復(fù)雜性，PID控制算法在污水處理過程中的控制效果不太令人滿意。期望今后的研究應(yīng)建立在一定復(fù)雜度模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善控制系統(tǒng)。