自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

梁斌倫

摘 要 本文介紹了西門子SIMATIC S7-300 PLC控制系統(tǒng)在六安市東城區(qū)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)成，以及STEP7 5.5編程軟件和SIMATIC WinCC V6.2 SP2監(jiān)控軟件的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 污水處理廠；SIMATIC S7-300 ；ET200遠(yuǎn)程I/O； A2/O生物反應(yīng)池；人機(jī)界面

前言

2013年，我公司承擔(dān)了六安市東城區(qū)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程的調(diào)試工作。本工程要求系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作性強(qiáng)，可靠性高，同時(shí)要求能降低勞動(dòng)生產(chǎn)率低、提高產(chǎn)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1 工藝系統(tǒng)組成（見圖1）

污水處理工藝為：強(qiáng)化一級(jí)處理工藝+脫氮除磷二級(jí)處理工藝+深度處理。污泥處理工藝為：濃縮+脫水。

2 系統(tǒng)配置

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用軟件配置

監(jiān)控軟件采用基于中文WindowsXP軟件平臺(tái)的德國SIMATIC公司W(wǎng)inCC V6.2 SP2監(jiān)控軟件包、編程軟件采用西門子公司的STEP7 5.5

2.2 系統(tǒng)硬件配置

六安市東城區(qū)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括電氣儀表兩部分自動(dòng)控制項(xiàng)目，直接面向生產(chǎn)工序，完成整個(gè)生產(chǎn)過程電控部分的順序控制、相互聯(lián)鎖和準(zhǔn)確定位以及儀控部分的數(shù)據(jù)采集及調(diào)節(jié)控制，操作人員通過MMI可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，設(shè)定及修改過程參數(shù)，改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程，并對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和記錄，保證在過程系統(tǒng)未投入或離線的情況下生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

六安市東城區(qū)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用電儀一體化的可編程序控制器PLC進(jìn)行控制。污水處理廠設(shè)置2套PLC和2套HMI操作站。操作站及PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，PLC主站與分站間采用PROFIBUS-DP總線通訊，分站為分布式ET200遠(yuǎn)程I/O。PLC、HMI之間將通過以太網(wǎng)相連，該網(wǎng)同時(shí)與二級(jí)計(jì)算機(jī)（預(yù)留）相連接口。PLC與變頻器傳動(dòng)裝置之間將采用硬接線相連。

PLC采用西門子公司的S7-300系列產(chǎn)品， MMI硬件選用的2臺(tái)防塵式研華工業(yè)型計(jì)算機(jī)（處理器Intel Core2 Duo 2.2.8G，250G硬盤，2G內(nèi)存，21寸液晶顯示器），配備HP激光打印機(jī)一臺(tái)（最大紙幅：A3）。監(jiān)控軟件采用基于中文WindowsXP軟件平臺(tái)的德國SIMATIC公司W(wǎng)inCC V6.2 SP2監(jiān)控軟件包。

數(shù)字量輸入/輸出選用24VDC模塊；模擬量輸入/輸出選用4～20mA信號(hào)模塊；PLC輸出通過繼電器隔離；數(shù)字量輸出設(shè)熔斷器保護(hù)；I/O模塊單獨(dú)設(shè)置電源開關(guān)；模擬量信號(hào)通過隔離器隔離。PLC輸入/輸出的備用量不小于總量的10%。

六安市東城區(qū)污水處理廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)硬件配置：（見圖2）

2.3 需要注意的問題

（1）ET 200分布式I/O設(shè)備和SIMATIC S7-300必須安裝在機(jī)柜或金屬外殼中。最小的保護(hù)等級(jí)是IP 54。環(huán)境溫度范圍0～60°C。

（2）為防止干擾，應(yīng)采取的干擾抑制措施有：在導(dǎo)軌中需要使用保護(hù)性導(dǎo)線；將S7-300控制器安裝在接地的機(jī)柜中和控制箱中；在供電線路中使用濾波器。

（3）現(xiàn)場(chǎng)DP總線電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)全程穿鋼管，鋼管連接處可靠接地。

（4）PLC系統(tǒng)應(yīng)單獨(dú)接地，接地電阻應(yīng)≤4Ω。所有PLC柜之間接地銅排就近和其他PLC柜串行連接。如果要將PLC系統(tǒng)連接到公共網(wǎng)絡(luò)，接地電阻應(yīng)≤1Ω。

3 系統(tǒng)軟件編程

STEP 7是一種用于對(duì)SIMATIC可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，用于SIMATIC S7-200上的簡(jiǎn)化版單機(jī)、SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-00/M7-00以及SIMATIC C7上PLC系統(tǒng)程序，具有更廣泛的功能。STEP7 5.5編程軟件提供了多種編程語言，適用于多方面、多層次的編程人員，易學(xué)、易懂、好用，系統(tǒng)有豐富的功能塊用戶可直接調(diào)用。基于西門子在自動(dòng)化軟件領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)而開發(fā)，綜合了現(xiàn)有其他軟件各自的優(yōu)點(diǎn)及長(zhǎng)處，同時(shí)也提供了許多新的功能，以加速應(yīng)用程序的開發(fā)。具有標(biāo)準(zhǔn)化、可重用性等特點(diǎn)，可提高應(yīng)用的質(zhì)量。完全開放的架構(gòu)，更利于數(shù)據(jù)交換和定制。

污水處理廠控制系統(tǒng)以順序控制和過程控制為主。順序控制集中在進(jìn)水泵房、粗格柵、細(xì)格柵、沉砂池、鼓風(fēng)機(jī)房、生物池、配水井、二沉池、混凝沉淀池、V型濾池系統(tǒng)，因此設(shè)備之間的順序啟動(dòng)/停止以及連鎖關(guān)系也比較多且很重要。過程控制主要是泵池水位自動(dòng)跟蹤閉環(huán)控制、污泥濃度二元流量參數(shù)的雙閉環(huán)比值控制和溶解氧基于模糊自整定PID算法控制，主要參數(shù)有液位（LI）、污泥濃度（MLSS）、溶解氧（DO）。

3.1 水泵自動(dòng)輪換及備用泵自動(dòng)投入

通過大量研究考察資料及檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定該地區(qū)的不同季節(jié)晝夜進(jìn)水量趨勢(shì)，以及水質(zhì)情況表。根據(jù)該表編寫在不同季節(jié)里投運(yùn)泵的數(shù)量（自動(dòng)比較各臺(tái)泵的總運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)輪換、切換、投運(yùn)），和自動(dòng)調(diào)節(jié)泵運(yùn)行頻率，當(dāng)某臺(tái)泵出現(xiàn)故障時(shí)，能夠自動(dòng)投入運(yùn)行備用泵，從而保證處理廠的連續(xù)運(yùn)行，提高泵使用壽命、節(jié)約能源及降低運(yùn)營(yíng)成本等，帶來非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.2 提升泵池水位的自動(dòng)跟蹤閉環(huán)控制

針對(duì)提升泵池液位的控制對(duì)象，以超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)為反饋值，構(gòu)成誤差的比例積分作用，從而修正變頻器的頻率給定，進(jìn)行泵的調(diào)速控制，改變出水量，完成液位閉環(huán)控制，達(dá)到液位的穩(wěn)定。

水泵自動(dòng)輪換及備用泵自動(dòng)投入和提升泵池水位控制的主要參數(shù)：（見圖3）

4 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)采用Windows XP，監(jiān)控軟件采用功能強(qiáng)大的WinCC V6.2 SP2，畫面通過以太網(wǎng)與控制站通信。用戶可在操作站方便地獲得實(shí)時(shí)過程信息，進(jìn)行交互操作，并做出快而有效的決策。六安市東城區(qū)污水處理廠監(jiān)控畫面主要由如下幾部分組成：主菜單及工藝流程畫面、進(jìn)水泵房、粗細(xì)格柵子系統(tǒng)畫面、水解酸化池、生物池子系統(tǒng)畫面、鼓風(fēng)機(jī)房、加藥間子系統(tǒng)畫面、二沉池、混凝沉淀池子系統(tǒng)畫面、V型濾池、反沖洗泵房子系統(tǒng)畫面、脫水機(jī)房子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面等，畫面能顯示各設(shè)備操作方式、運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)及模擬量數(shù)值和各種歷史數(shù)據(jù)。主畫面中相應(yīng)設(shè)備可彈出小操作畫面，完成設(shè)備手/自動(dòng)操作。畫面編制遵循簡(jiǎn)單明了原則。

5 控制系統(tǒng)方式

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有機(jī)旁電氣聯(lián)鎖控制和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)集中控制兩種方式。機(jī)旁控制是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備旁裝設(shè)有按鈕和信號(hào)燈等設(shè)備的就地操作箱，可以就地啟停設(shè)備。計(jì)算機(jī)控制通過軟件編程，由裝設(shè)在變電所控制室的PLC控制器讀寫I/O啟停設(shè)備，并通過中控室計(jì)算機(jī)畫面實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作管理。綜合樓中控室內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)PC操作員站，在過程控制畫面上可以實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備的集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)其功能的畫面主要有工藝流程、設(shè)備狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警、趨勢(shì)、操作面板等組成

6 結(jié)束語

西門子S7-300PLC和遠(yuǎn)程I/O（ET200）是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

該系統(tǒng)采用S7-300PLC系列主控制器和ET200遠(yuǎn)程I/O輸入輸出模塊，大大降低了投資成本。自投入以來故障率較低，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，使六安市東城區(qū)污水處理廠迅速達(dá)產(chǎn)，穩(wěn)產(chǎn)。相信S7-300系列PLC和ET200遠(yuǎn)程I/O模塊在工控領(lǐng)域會(huì)得到更為廣泛的使用。