基于S7-300PLC的污水處理控制系統設計

戴羽，楊云飛，任振華，張楹，高敏

（1.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500；2.常熟污水處理廠，江蘇常熟 215500）

基于S7-300PLC的污水處理控制系統設計

戴羽1，楊云飛1，任振華2，張楹2，高敏2

（1.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500；2.常熟污水處理廠，江蘇常熟 215500）

針對污水處理控制系統變量多、系統復雜的特點，運用西門子S7-300 PLC，結合相應的I/O模塊，設計了污水處理控制系統.運用結構化程序設計方法編寫控制程序，并采用PID控制算法對污水流量進行實時控制，起到了節能降耗的作用.上位機人機界面操作方便，能夠形象生動地反映系統工藝流程和設備運行狀態.

污水處理；S7-300 PLC；PID；人機界面

1 污水處理工藝概述

本文以某市污水處理廠為工程實際背景，污水處理工藝流程如圖1所示.污水經輸送管道首先進入粗格柵間，攔截污水中較大的懸浮物及雜質.污水在粗格柵處理后流入提升泵房，提升泵房內的水泵將污水提升至細格柵間，進一步攔截污水中較小的懸浮物質.之后污水流向平流沉砂池，通過重力作用和對污水流速的控制，使污水中比重大的無機顆粒下沉，而有機懸浮顆粒隨水流帶走，以免其磨損設備，影響污水處理質量.經過沉砂池處理后的污水流向SBR池，采用SBR工藝對污水進行處理.

SBR（即序批式活性污泥法）系統分為以下五個階段：進水、曝氣、沉淀、潷水、閑置.一個SBR運行周期為8小時：進水1小時、曝氣4.5小時、沉淀1小時、潷水1小時、閑置0.5小時.曝氣是污水處理工藝最重要的一道工序，當SBR池內污水達到預定高度時，開啟攪拌器和鼓風機，進行曝氣.曝氣結束后，污水靜置沉淀，1小時后開啟潷水器電機，將沉淀后的上層清液排出池外.

圖1 污水處理工藝流程圖

2 控制系統總體結構設計

污水處理控制系統主要由上位機、下位機和現場儀表三部分組成，控制系統結構如圖2所示.下位機選用西門子S7-300 PLC為主控制器，上位機以國產組態軟件組態王為人機界面開發平臺.根據污水處理工藝流程及控制要求，設計上位機監控界面和下位機PLC控制程序.操作人員通過上位機運行界面可以直觀地了解現場污水處理工藝參數和設備運行情況，也可以根據實際生產需要發出相應的控制指令，由PLC根據控制程序對處理過程進行控制.為方便調試和檢修，設有手動控制和自動控制兩種方式.

圖2 控制系統結構圖

3 控制系統硬件設計

該污水處理控制系統選用西門子公司生產的S7-300 PLC作下位機.基于模塊化設計的S7-300 PLC采用DIN標準導軌安裝，安裝簡單，維護容易，各模塊間能夠進行各種組合和擴展.PLC選用CPU313C-2DP，它適合安裝在分布式結構中，集成的數字量I/O可直接與過程連接.內置MPI接口可以最多同時建立8個與S7-300PLC或與PG、PC和OP的連接.通過集成的與過程相關的功能還可以實現其它應用如計數、頻率測量和PID控制.

根據污水處理工藝控制要求，系統需要用到的數字量輸入/輸出點數為12/31，模擬量輸入/輸出點數為3/ 1.CPU313C-2DP集成的16 DI/DO并不能滿足設計要求，需要在機架的相應槽位擴展I/O模塊.選用SM322（DO16）和SM334（AI4/AO2）作為擴展I/O模塊，各模塊在機架上的配置如圖3所示，圖中數字1-5為機架槽號.

圖3 模塊配置示意圖

4 控制程序設計

4.1 PID控制程序設計

在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制.PID控制器以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一.

根據工藝要求，需要對污水進水進行流量控制.PLC經AI采集流量計檢測到的當前污水流量并進行PID運算，經PID控制運算后的控制量由PLC的AO輸出到變頻器的控制端，通過控制變頻器的輸出頻率和水泵轉速使流量控制在設定值（如圖4所示）.

PID控制程序在組織塊OB35中進行編寫.程序中，除了調用PID功能模塊FB41外，還需要創建三個功能即FC5、FC6和FC7，調用結構如圖5所示.FC5用于實現模擬量輸入數據轉換，將原始值轉換為工程量.FC5的輸入值數據為WORD類型，輸出值數據為REAL型；FC6用于實現模擬量輸出數據轉換，FC6輸入值數據為REAL型，輸出數據為WORD型；FC7用于實現手動控制時輸入數據類型轉換.

在FB 41內部，PID控制器的給定值、反饋值和輸出值都是用0.0-100.0之間的浮點數表示，流量計檢測到的流量數據經AI模塊送入PLC并轉換成0-27648的數字量.在PID運算前，必須將0-27648的數字量轉換為0.0-100.0之間的浮點數（如圖6所示）.同理，經PID運算后的輸出數據需要進行上述數據轉換的逆轉換，然后經AO輸出到變頻器控制端，控制變頻器輸出頻率.

圖4 流量閉環控制系統結構框圖

圖5 OB35程序結構

圖6 模擬量輸入輸出轉換結構框圖

4.2 污水處理控制程序設計

按照污水處理工藝流程，污水處理是按一定順序逐步進行的，各個階段處理工藝和控制要求都不同.根據各階段的控制要求，在功能塊FB和功能FC中進行編程，由組織塊OB1調用功能塊FB和功能FC.功能FC1、FC2、FC3和FC4分別編程實現粗格柵間、提升泵房、細格柵間和沉砂池的控制要求.

需要處理的污水是不斷地流入污水處理廠的，一個SBR池的工作周期是8小時，并不能對所有污水進行實時處理，根據污水處理工藝過程，生產中建立了多個SBR池對污水進行處理，因每個SBR池控制要求相同，為了減少背景數據塊的數量，采用多重背景功能塊進行程序設計.使用多重背景時只需要建立一個背景數據塊DB2，在FB2的變量聲明表中聲明靜態局域數據（STAT）FB1，FB1編程實現SBR池的控制要求.功能塊FB2用于調用作為“局域背景”的FB1，FB1的數據存儲在DB2中，不需要單獨給FB1分配背景數據塊.

圖7 多重背景程序結構

5 上位機監控系統設計

上位機以國產組態軟件組態王為人機開發平臺.打開組態王后，首先在工程管理器中新建工程，指定工程所在路徑.雙擊進入工程瀏覽器，選擇工程瀏覽器左側大綱項“設備COM1”，在工程瀏覽器右側雙擊“新建”，運行“設備配置向導”，選擇“PLC西門子S7-300系列MPI（電纜）”.

整個監控系統共設有主畫面、提升泵房、沉砂池、SBR池、歷史曲線、報表和故障報警等個功能畫面，各畫面之間能夠流暢自然地切換.污水處理主監控畫面如圖8所示，能實時動態地顯示整個污水處理工藝過程及各階段相關設備運行情況.提升泵房、沉砂池和SBR池能夠生動形象地顯示設備運行狀態及現場儀表測量值.歷史趨勢曲線和報表畫面用于顯示和記錄生產工藝中的一些重要參數，且報表能夠根據需要打印數據.當系統中某個設備發生狀況或水位過高時，會在故障報警窗口產生報警提示信息.

圖8 污水處理監控系統主畫面

6 結語

本文所設計污水處理控制系統以S7-300 PLC為主控制器，采用模塊化結構編程，程序可讀性強，維護方便，系統運行穩定.上位機人機界面美觀、便于操作，生動形象地反映了污水處理工藝流程和設備運行情況.對于中小型污水處理廠而言，基于PLC的污水處理控制系統具有很好的應用前景.

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The Design of Sewage Treatment Control System Based on S7-300PLC

DAI Yu1,YANG Yun-fei1,REN Zhen-hua2,ZHANG Ying2,GAO Min2
(1.School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China; 2.Changshu Sewage Treatment Plant,Changshu 215500,China)

In order to solve the problems that sewage treatment control system has many variables and complexi?ties,this paper introduces a sewage treatment control system which uses Siemens S7-300 PLC and combines the corresponding I/O modules.In this system,structured-programming method is adopted to write the control program and the PID control algorithm is used to control the real-time sewage flow,which can reduce the energy consum?ing.The human-machine interface of the upper computer is easy to operate.Additionally,it can reflect the system process and the current statement of equipment’s operation.

sewage treatment;S7-300 PLC;PID;HMI

TP273

B

1008-2794（2012）04-0091-04

2012-03-29

戴羽（1989—），男，江蘇泰州人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院測控專業學生.