西門子S7-200 SMART PLC在UNITANK工藝過程控制中的應用

胡青龍

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇無錫 214000）

0 引言

隨著國家對環保監管力度的加強，企業生產廢水的循環利用產生的經濟價值和社會效益日趨顯現。小型廢水處理站的建設在廢水循環利用中發揮重要作用，也逐漸被企業所認可，但在廢水處理站的日常運維過程中需要增設專門操作維護人員時刻監視廢水處理站的日常運行，這會加大企業運行成本。如何實現小型廢水處理站模塊化建設以及無人值守的自動化運行成為其研究的重點與方向。當今社會技術的快速發展帶動了自動化產品的更新換代，使其功能越來越強大，成本越來越低，為小型廢水處理站的實現無人值守提供技術上的保障。本文以某高纖UNITANK工藝廢水處理站的建設為例來介紹小型廢水處理站模塊化建設以及無人值守的自動化的實現。

1 UNITANK工藝

UNITANK工藝是比利時西格斯公司在三溝式氧化溝基礎上研發，由3個連在一起的矩形池組成，包括2個邊池和1個中間池，中間池是反應池，2個邊池交替作為反應池和沉淀池，污水可以從任何一個池進入，出水由兩邊池出水，2個邊池交替作為沉淀池和反應池，中間池始終是反應池。污水連續進入，處理出水連續排出，基本上是常水位運行，剩余污泥由邊池排出。3個池內的水流方向不時變換，周期運行，不同的周期安排就產生不同的運行模式，根據處理要求，可以把運行模式歸納為幾個時段[1]，如圖1所示。

圖1 UNITANK工藝時段

（1）A時段：污水進入Ⅰ池，經Ⅱ池進入Ⅲ池，然后通過Ⅲ池流出，Ⅰ池和Ⅱ池是曝氣池，Ⅲ池是沉淀池。

（2）B時段：污水進入Ⅱ池，從Ⅲ池流出，Ⅱ池是曝氣池，Ⅲ池是沉淀池，Ⅰ池靜置，為下一時段作為沉淀池創造條件。這一時段為過渡段。

（3）C時段：污水進入Ⅲ池，經Ⅱ池進入Ⅰ池流出。

（4）D時段：污水進入Ⅱ池，從Ⅰ池流出，Ⅲ池為靜置池，為下一時段作為沉淀池創造條件，這一時段也是過渡段。

每個周期時間為8 h，每天運行3個周期。

2 運行工況描述

某高纖廢水處理站的廢水處理實際運行工況如下。

（1）車間生產廢水流入初沉池，初沉池采用溢流堰出流，初沉池中有一臺剩余污泥泵，初沉池中廢水來自車間輸送泵送入，水位無需控制，剩余污泥泵每小時運行1次，一次運行10 min，運行時間可人為根據生產運行狀態進行改動。

（2）深度水解池采用溢流堰出流，利用水泵進水，池體有4個手動閘門，排放污泥，排放周期根據現場需要人工控制。

（3）調節池、反應池、豎流沉淀池和調質池聯動運行，調節池中有2臺提升泵（1用1備），根據調節池浮球液位計高位啟泵，低位關閉，提升泵每24 h更換啟動一次；調節池提升泵啟動后，反應池中3臺攪拌器全部啟動；調質池中有2臺提升泵（1用1備），根據調質池浮球液位計高位啟動，低位關閉，提升泵每24 h更換啟動一次；豎流沉淀池剩余污泥泵與調節池提升泵聯動啟動，每小時運行1次，一次運行10 min，運行時間可人為根據生產運行狀態進行改動。

（4）小鼓風機和調質池提升泵聯動啟動，提升泵啟動時，小鼓風機啟動1臺（系統首次投入運行以編號為#1的鼓風機投入運行，以后根據運行時間輪詢運行），鼓風機1用1備，每24 h更換一次。

（5）大鼓風機根據空氣閥（現場安裝兩臺）聯動控制，上述其中一個閥門開到位后，其中1臺鼓風機啟動，鼓風機1用1備，每24 h更換一次。

（6）污泥濃縮池攪拌機人工手動控制，排泥泵與污泥脫水機聯動控制，污泥脫水機運行后，排泥泵方可運行。污泥濃縮池上清液泵根據浮球液位計控制，高液位啟動，低液位關閉。

（7）清水池清水泵根據清水池的浮球液位計控制，高液位啟動，低液位關閉。

（8）UNITANK池進水采用重力進水，調質池提升泵啟動后，大鼓風機啟動，UNITANK池開始運行，具體運行情況如表1所示[2-3]。

表1 UNITANK運行工況表

3 廢水處理站PLC控制系統的實現

根據廢水處理站的工藝要求及控制需要，配置如下主要設備：開關閥6臺（空氣閥、排水閥、泥水閥各兩臺），提升泵4臺（調節池、調質池各兩臺），回流泵2臺，排泥泵3臺（豎流沉淀池、UNITANK-A池、UNITANK-B池各一臺），攪拌器4臺（反應池3臺，污泥濃縮池1臺），羅茨風機4臺，污泥濃縮池進料泵1臺，污泥脫水機進料泵1臺，污泥濃縮池上清液泵1臺，清水池供水泵1臺，調節池、調質池、污泥濃縮池、清水池4個池子的高低液位共計8個浮球液位計。

根據控制需要及投資成本，對I/O作如下分配[4]。

（1）輸入端

開關閥到位信號：12點；水泵運行狀態及保護：26點；風機運行狀態及保護：8點；攪拌器運行狀態及保護：6點；高低液位保護：8點。以上輸入共計60點。

（2）輸出端

開關閥輸出開關控制點：12點；水泵控制輸出：13點；風機控制輸出：4點；攪拌器控制輸出：3點。以上輸出共計32點。

4 SIMATIC S7-200 SMART簡介

西門子公司一直致力于工業自動化最新技術的研發、推廣及應用，努力為廣大工業客戶帶來了可靠高效的自動化產品，增強客戶的市場競爭力。SIMATIC S7-200 SMART是西門子公司經過大量市場調研，為中國客戶量身定制的一款高性價比小型PLC產品，具有以下特點[5]。

（1）機型豐富，更多選擇

CPU模塊配備標準型和經濟型供用戶選擇，單體I/O點數最高可達60點，可滿足大部分小型自動化設備的控制需求，產品配置更加靈活，最大限度的控制成本。配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執行時間可達0.15μs，在同級別小型PLC中遙遙領先。CPU本體標配以太網接口，支持PROFINET、TCP、UDP、ModbusTCP等多種通信協議。通過此接口還可與其他PLC、觸摸屏、上位機等連網通信。利用一根普通的網線即可將程序下載到PLC中，省去了專用編程電纜，經濟快捷。

（2）軟件友好，編程高效

在繼承西門子編程軟件強大功能的基礎上，融入了更多的人性化設計，如新穎的帶狀式菜單、全移動式界面窗口、方便的程序注釋功能、強大的密碼保護等。在體驗強大功能的同時，大幅提高開發效率。由此可見SIMATICS7-200 SMART可編程序控制器完全能夠滿足此廢水處理站工藝控制的需要。

結合廢水處理站主要設備的輸入/出的點數的數量，在考慮一定備用量的基礎上，選用CPUSR60可編程序控制器作為主控制模塊，選擇EM DR32和EM DE16模塊作為數字量輸入/輸出的擴展模塊。

5 控制系統元件選擇

根據工藝要求，控制系統部分元件選擇如表2所示[6-8]。

表2 控制系統部分元件選擇

6 控制系統程序編寫

根據UNITANK工藝運行工況表編寫其控制系統的梯形圖[9]，如圖2所示。

圖2 控制系統部分程序（2臺風機交替運行程序）

7 結束語

利用西門子S7-200 SMART系列PLC控制的UNITANK工藝在某高纖廢水處理站投運至今，自動控制系統運行穩定，工藝出水水質穩定達標。系統采用順序控制和循環控制實現了廢水處理站無人值守，解決了傳統廢水處理站依靠值班人員時刻值守進行調節的問題。現場控制柜無按鈕開關，實現觸摸屏一鍵自動運行，當系統發生設備故障時，系統會立即進入故障處理程序，關閉系統進水閥門和出水閥門，并發出報警信號通知操作人員進行設備故障處理，故障處理完畢后，只需點擊觸摸屏復位按鈕，系統立即進入正常運行程序，具有操作簡單、運行可靠，維護方便的特點。廢水處理站自動化程度高，降低了現場操作人員的勞動強度，節約了用工成本，實現了企業的經濟效益和環境效益，得到了客戶的肯定。