《控制與傳動(dòng)》2012年第2期  供稿

1引言

　　本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,、各個(gè)分布式控制站的設(shè)計(jì),、上位監(jiān)控畫面的制作以及重難點(diǎn)控制策略的研究。文中著重講述了PLC、軟啟動(dòng)器與變頻,、PID等技術(shù)在污水處理中的典型應(yīng)用,。在該污水處理中，為了達(dá)到控制溶解氧（DO）含量,、配水井液位等在一定得范圍內(nèi)的目的，我們采用PID控制,、變頻調(diào)速等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),。同時(shí)根據(jù)液位不同對(duì)使用設(shè)備的臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。為了解決污水處理中大功率設(shè)備啟動(dòng)所帶來的問題,，該系統(tǒng)采用了軟啟動(dòng)器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī),。同時(shí)為了解決設(shè)備長期運(yùn)行帶來的問題，采用輪換使用幾臺(tái)泵或風(fēng)機(jī),。本文以實(shí)際系統(tǒng)為例,，介紹污水處理廠自動(dòng)控制的方法與策略，具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義,。

　　2污水處理工藝流程介紹

　　2.1污水處理的基本工藝方法

　　污水處理就是采用各種技術(shù)與手段,，將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除、回收利用,，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì),，使水得到凈化。

　　現(xiàn)代污水處理技術(shù),，按處理程度劃分,，一般分為三級(jí)處理：

　　一級(jí)處理，又稱物理處理,，主要是去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì),，經(jīng)過一級(jí)處理后的污水，可去除50%左右的懸浮物,，BOD一般只能去除30%左右,，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　二級(jí)處理,，又稱生化處理,，它是城市污水處理廠的核心，主要去除水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物,。經(jīng)二級(jí)處理后,，BOD的去除率可達(dá)90%以上，污水中BOD值可降至20-30mg/L,，有機(jī)污染物達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn),。

　　三級(jí)處理，又稱深度處理，其目的在于進(jìn)一步去除二級(jí)處理未能去除的污染物質(zhì),，其中包括微生物未能降解的有機(jī)物和氮,、磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物質(zhì)。

　　生物法具有凈化能力強(qiáng),、費(fèi)用低廉,、運(yùn)行可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，是污水處理的主要方法,，在污水處理領(lǐng)域中占有重要地位,。我國現(xiàn)階段的城市污水處理以生物法為主，以物理法和化學(xué)法為輔,。以生物法為主的處理工藝主要有活性污泥法,、A/O法、A2/O法,、SBR法,、MSBR法、UNITANK法,、氧化溝等,，它們均具有同步降解BOD5和脫氮除磷的作用。

　　2.2本系統(tǒng)采用的工藝介紹

　　根據(jù)實(shí)際情況,，并綜合考慮各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn),，該污水處理廠采用A2/C氧化溝工藝。

　　2.2.1A2/C氧化溝工藝簡介



　　圖2.1A2/C氧化溝工藝流程圖

　　設(shè)置厭氧,、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡稱：A2/C氧化溝)具有生物脫氮除磷功能,，是目前城市生活污水處理的主流工藝之一。它是在Carrousel2000氧化溝的基礎(chǔ)上增加前置的厭氧段形成的,。在污水脫氮除磷的工藝設(shè)計(jì)中必須具備厭氧,、缺氧、好氧3個(gè)基本條件,，但是在實(shí)施過程中由于所需的處理構(gòu)筑物多,、

　　污泥回流量大，從而造成投資大,、能耗多,、運(yùn)行管理復(fù)雜。A2/C氧化溝將厭氧,、缺氧,、好氧三個(gè)過程集中在一個(gè)池內(nèi)完成，各部分用隔墻分開自成體系,，但彼此又有聯(lián)系,。該工藝充分利用污水在氧化溝內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的特性,，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力回流,，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗,。



　　圖2.2A2/C氧化溝平面布置圖

　　該污水處理系統(tǒng)為兩個(gè)A2/C氧化溝并行運(yùn)行。經(jīng)配水井分配后的污水進(jìn)入氧化溝前段的厭氧池,，與來自污泥泵房的回流污泥混合,，在厭氧條件下，除磷菌可將儲(chǔ)存在菌體內(nèi)的聚磷分解,，將磷酸鹽釋放到水中,。厭氧池分為3格，每格都設(shè)有水下攪拌器以防止污泥沉淀,。經(jīng)厭氧釋磷后的污水進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮，缺氧段設(shè)計(jì)成環(huán)流形式,，強(qiáng)化脫氮效果,，反硝化后的污水通過設(shè)置在一側(cè)的渠道進(jìn)入氧化溝。氧化溝的充氧機(jī)械采用倒傘形曝氣機(jī),，可根據(jù)池內(nèi)DO測定值控制調(diào)節(jié)堰門出水,、改變曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)溶解氧的目的。在氧化溝內(nèi),，污水進(jìn)一步去除有機(jī)物并將NH3-N氧化成NO2和NO3,。同時(shí)聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷，強(qiáng)化出水水質(zhì),。而且在好氧段末設(shè)置內(nèi)回流渠,，經(jīng)過好氧硝化的污水進(jìn)入缺氧段，由于末端的溶解氧減少到最低程度,，有效的防止缺氧池氧過量的問題,，可以取得最好的反硝化效果。經(jīng)過處理后的污水經(jīng)過出水口進(jìn)入二沉池進(jìn)行沉淀處理,。

　　2.2.2本系統(tǒng)工藝流程

　　桂陽縣污水處理廠包括污水處理和污泥處理兩個(gè)系統(tǒng),。污水處理系統(tǒng)包括進(jìn)水井、粗格柵間,、提升泵房,、細(xì)格柵間、曝氣沉砂池,、鼓風(fēng)機(jī)房,、氧化溝、二沉池,、紫外線消毒渠,、出水渠等，污泥處理系統(tǒng)包括污泥回流泵房、脫水機(jī)房等幾部分,。

　　污水經(jīng)污水排放管進(jìn)入進(jìn)水井,，由進(jìn)水井流經(jīng)粗格柵，濾除大塊固體懸浮物后,，再由提升泵將污水提升到細(xì)格柵,，濾除細(xì)小的漂浮物和浮渣，然后經(jīng)計(jì)量渠流入曝氣沉砂池,，進(jìn)行砂水分離,，去除水中密度較大的無機(jī)顆粒，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行,。然后污水進(jìn)入氧化溝,，進(jìn)行生化處理。經(jīng)生化處理后的污水進(jìn)入二沉池進(jìn)行污泥沉淀,，經(jīng)過污泥沉淀后的污水經(jīng)紫外線消毒后到出水渠,，最后排放。二沉池分離的一部分生物活性污泥回流到生化反應(yīng)池,，另一部分剩余污

　　泥流經(jīng)污泥泵房進(jìn)入污泥處理系統(tǒng),，剩余污泥進(jìn)入污泥貯池，最后經(jīng)進(jìn)污泥泵進(jìn)入脫水機(jī)房進(jìn)行脫水處理并外運(yùn),。



　　圖2.3韶陽縣污水處理廠總體工藝流程圖

　　3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　3.1設(shè)計(jì)原則

　　1.系統(tǒng)性能穩(wěn)定,，安全可靠。

　　2.操作簡單,，維護(hù)方便

　　3.運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能,，維護(hù)費(fèi)用低。

　　4.易于擴(kuò)展

　　5.性能價(jià)格比高

　　3.2設(shè)計(jì)思想

　　本系統(tǒng)采用工控機(jī)+可編程序控制器（PLC）+現(xiàn)場儀表的控制方式?，F(xiàn)場儀表將現(xiàn)場的信號(hào)采集并傳輸至PLC中,，PLC作為主要的現(xiàn)場控制單元，工控機(jī)用于監(jiān)視和控制PLC及現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài),。各個(gè)設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地,、遠(yuǎn)程、遠(yuǎn)程手動(dòng)三種控制方式,。

　　3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　整個(gè)控制系統(tǒng)由中控室,、PLC控制站、現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場的控制柜構(gòu)成,。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：



　　圖3.1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3.4控制系統(tǒng)各部分功能

　　3.4.1現(xiàn)場電控柜

　　現(xiàn)場控制柜的主要作用是完成現(xiàn)場控制功能和與PLC連接,。各個(gè)現(xiàn)場控制柜能夠完成手動(dòng)控制設(shè)備啟停的功能，是典型的繼電器控制?，F(xiàn)場控制相對(duì)于PLC自動(dòng)控制和中央監(jiān)控室控制具有最高的優(yōu)先級(jí),。只有將選擇開關(guān)撥到遠(yuǎn)程控制之后,，PLC控制和中央監(jiān)控室的上位控制才起作用。所以在進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)試前,，首先要完成對(duì)現(xiàn)場各控制柜的調(diào)試,，在保證現(xiàn)場設(shè)備安全的前提下才能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　3.4.2PLC控制站

　　該污水處理廠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)兩個(gè)PLC控制站,。氧化溝單獨(dú)一個(gè)控制站,，其余部分用一個(gè)控制站。PLC站的主要作用是采集現(xiàn)場的信號(hào)并控制設(shè)備的運(yùn)行?，F(xiàn)場的信號(hào)包括液位,、流量、溫度等工藝信號(hào)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),。當(dāng)現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選擇到“遠(yuǎn)程”時(shí),，操作人員不能使用現(xiàn)場控制柜上的啟停按鈕來控制設(shè)備的運(yùn)行。這時(shí),，PLC會(huì)根據(jù)程序自動(dòng)或者根據(jù)上位監(jiān)控系統(tǒng)給出的信號(hào)控制設(shè)備的運(yùn)行,。

　　3.4.3上位監(jiān)控系統(tǒng)

　　該污水處理廠的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)工程師站和一個(gè)操作員站。工程師站既能完成系統(tǒng)組態(tài),、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等，又能完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集,、監(jiān)控,，報(bào)表及打印等功能；操作員站主要完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集,、監(jiān)控等功能,。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，工程師站可兼作操作員站,，方便了監(jiān)視與操作,，并提高了系統(tǒng)的可靠性。污水處理的各個(gè)工段的工藝數(shù)據(jù)以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過PLC采集并在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示,，操作人員可以查看全廠各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況,。同時(shí)可以對(duì)報(bào)表存檔打印，顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警等,，方便操作人員進(jìn)行工藝分析和查找故障,。當(dāng)現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選到“自動(dòng)”時(shí)，在上位機(jī)監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動(dòng)”運(yùn)行狀態(tài),，然后手動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行,。

　　4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　4.1PLC1站設(shè)計(jì)

　　PLC1站主要負(fù)責(zé)粗格柵、提升泵,、細(xì)格柵,、曝氣沉沙池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。

　　4.1.1PLC1實(shí)現(xiàn)的功能

　　在粗格柵間共設(shè)有2個(gè)粗格柵，粗格柵的主要作用是去除污水中大塊漂浮物,。粗格柵能夠根據(jù)PLC程序或上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)輪流自動(dòng)啟停,。與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機(jī)負(fù)責(zé)將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎,。在控制時(shí),，為確保設(shè)備安全，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機(jī)聯(lián)動(dòng),，以防止螺旋壓榨機(jī)空轉(zhuǎn),。聯(lián)動(dòng)順序?yàn)椋郝菪龎赫C(jī)→粗格柵，關(guān)機(jī)順序相反,。螺旋壓榨機(jī)在粗格柵停止之后再運(yùn)行30-60s,。螺旋壓榨機(jī)故障時(shí)，粗格柵停止運(yùn)行,。

　　提升泵房水泵主要用來將粗格柵間流出的污水提升到細(xì)格柵間,。在提升泵房，需要測量和控制的是四臺(tái)提升泵的運(yùn)行狀態(tài)以及它們的啟停,。提升泵房有四臺(tái)提升泵,，其中三臺(tái)軟啟動(dòng)泵，一臺(tái)變頻調(diào)速泵,，由變頻器來控制,。

　　設(shè)置細(xì)格柵的目的，在于攔截污水中的大量細(xì)小的漂浮物,。對(duì)于細(xì)格柵的控制,，可通過現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，也可對(duì)細(xì)格柵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制啟,、停,。細(xì)格柵的控制也要和輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，以保證設(shè)備安全,。其控制的方法與粗格柵相同,。

　　沉砂池的作用是為了避免砂粒對(duì)處理工藝和設(shè)備帶來的不利影響。砂粒進(jìn)入生化池內(nèi)會(huì)使污泥刮板過度磨損,，縮短更換周期,。沉砂池內(nèi)部有一臺(tái)橋式吸砂機(jī)、兩臺(tái)吸砂泵和一臺(tái)沙水分離器,，其主要作用是將砂粒吸走,，需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測和控制。吸砂機(jī)和吸砂泵的啟停,，可由現(xiàn)場控制柜手動(dòng)控制,，也可以由中央控制室的上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。吸砂泵與砂水分離器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。聯(lián)動(dòng)順序：沙水分離器→吸砂泵,，關(guān)機(jī)順序相反,。羅茨給曝氣池鼓風(fēng)，羅茨風(fēng)機(jī)由PLC根據(jù)時(shí)間控制啟停,，自動(dòng)輪換,。

　　4.1.2控制柜設(shè)計(jì)

　　PLC1站采用CPU315-2DP。根據(jù)控制要求,，PLC1共需數(shù)字量輸入150點(diǎn),，數(shù)字量輸出40點(diǎn)，模擬量輸入26路,，模擬量輸出10路,，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI,，2塊32路DO,，4塊8通道AI，2塊8通道AO,。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號(hào)模塊,，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架,。

　　4.2PLC2站設(shè)計(jì)

　　PLC2站主要負(fù)責(zé)A2/C氧化溝處儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。由于厭氧池、缺氧池,、氧化溝內(nèi)的需要采集的數(shù)據(jù)和控制的設(shè)備比較多,，所以單獨(dú)設(shè)置一個(gè)PLC控制站,。

　　4.2.1PLC2實(shí)現(xiàn)的功能

　　PLC2主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化溝內(nèi)的曝氣機(jī),、閘門啟閉機(jī)、潛水推流器,、電動(dòng)調(diào)節(jié)堰門,、內(nèi)回流旋轉(zhuǎn)門等設(shè)備進(jìn)行控制。在這里對(duì)曝氣機(jī)的控制室通過變頻器實(shí)現(xiàn)的,。在PLC內(nèi)部對(duì)溶解氧含量進(jìn)行PID運(yùn)算,，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子，調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速,，從而達(dá)到控制溶解氧含量的目的,。

　　4.2.2控制柜設(shè)計(jì)

　　在PLC站2也采用S7300PLC。PLC站2需要根據(jù)溶解氧的濃度通過PID運(yùn)算來調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速,，同時(shí)需要控制潛水推流器等眾多設(shè)備,，為了滿足要求采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算速度較高的315-2DPCPU,。根據(jù)控制要求，PLC2共需數(shù)字量輸入156點(diǎn),，數(shù)字量輸出38點(diǎn),，模擬量輸入20路，模擬量輸出12路,，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用,。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI，2塊32點(diǎn)DO,，4塊8通道AI,，2塊8通道AO。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號(hào)模塊,，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架,。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架。

　　5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該污水處理廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含PLC程序開發(fā)和上位監(jiān)控界面的開發(fā),。

　　5.1PLC編程

　　在該系統(tǒng)中我們通過在工控機(jī)上安裝STEP7編程軟件進(jìn)行程序的編制和調(diào)試工作,。并通過在PC機(jī)中插入CP5611板卡，連接PLC下載程序并監(jiān)視程序的運(yùn)行及查找故障,。

　　5.1.1編程軟件介紹

　　STEP7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATICS7,、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它們編程,、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具,，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置,、通訊組態(tài),、編程、測試,、啟動(dòng)和維護(hù),、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等[7],。

5.1.2設(shè)計(jì)過程

　　首先,，創(chuàng)建工程。STEP7安裝成功后,，將在Windows桌面上出現(xiàn)SIMATICManager（SIMATIC管理器）圖標(biāo),，雙擊該圖標(biāo)后，進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器,。然后點(diǎn)擊“文件”>“新建”,，選擇創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，輸入sewerage作為新項(xiàng)目的名稱并選擇項(xiàng)目文件的存放位置,，然后點(diǎn)擊OK,。

　　然后,，進(jìn)行硬件組態(tài)。進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器之后,，在瀏覽窗口中右擊項(xiàng)目名稱,，在快捷菜單中選擇“InsertNewObject”>“SIMATIC300Station”，并選擇“Rename”,，給站1更名為“others”,。同樣的插入第二個(gè)站“yanghuagou”。

　　下面我們以PLC1站為例看一下站內(nèi)硬件組態(tài)的過程,。在SIMATICManager的瀏覽窗口中鼠標(biāo)左鍵單擊站名“others”,，在右邊的顯示窗口中會(huì)出現(xiàn)Hardware（硬件組態(tài)）圖標(biāo)。雙擊該圖標(biāo)進(jìn)入硬件組態(tài)的界面,，如圖5.1所示：



　　圖5.1硬件組態(tài)圖

　　在STEP7中,，可以通過簡單的拖放操作來完成主機(jī)架的配置。在配置過程中,，添加到主機(jī)架中的模塊的定貨號(hào)應(yīng)該與實(shí)際的硬件一致,。在硬件目錄中選中一個(gè)模塊，目錄下方的窗口會(huì)顯示模塊的定貨號(hào)和對(duì)模塊的描述,。插入主機(jī)架后,，分別向機(jī)架中的1號(hào)插槽添加電源、2號(hào)插槽添加CPU,。硬件目錄中的某些CPU型號(hào)有多種操作系統(tǒng)（Firmware）版本,，在添加CPU時(shí)，CPU的型號(hào)和操作系統(tǒng)版本都要與實(shí)際的硬件一致,。在這里我們電源選擇PS3075A,，CPU選擇CPU315-2DP。在添加CPU時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框選擇CPU的站地址,，在這里我們用選擇2,。4—11號(hào)槽中可以添加信號(hào)模塊、功能模塊,、通訊處理器等,，上述模塊分別在硬件目錄的SM-300,、FM-300和CP-300中,。如圖我們添加了6個(gè)32點(diǎn)的數(shù)字量輸入模塊和2個(gè)32點(diǎn)的數(shù)字量輸出模塊。硬件組態(tài)的模塊的訂貨號(hào)以及位置必須與實(shí)際的硬件是一致的,。

　　在主機(jī)架的3號(hào)插槽插入IM365用于本地?cái)U(kuò)展,。插入另外一個(gè)機(jī)架，并在3號(hào)槽插入IM365,。這時(shí)該擴(kuò)展機(jī)架上的IM365會(huì)與主機(jī)架上的IM365自動(dòng)連接,。在擴(kuò)展機(jī)架上插入4個(gè)8路的模擬量輸入模塊和2個(gè)8路的模擬量輸出模塊,。在硬件組態(tài)窗口的下面有詳細(xì)信息窗口，其中顯示了相應(yīng)的模塊的地址,。各模塊是自動(dòng)編址的,，我們也可以修改各個(gè)模塊的地址。方法是雙擊想要修改的模塊,，在對(duì)話框中選擇Address標(biāo)簽頁,，然后輸入相應(yīng)的地址即可。

　　在配置過程中,，STEP7可以自動(dòng)檢查配置的正確性,。當(dāng)硬件目錄中的一個(gè)模塊被選中時(shí)，機(jī)架中允許插入該模塊的槽會(huì)變成綠色,，而不允許該模塊插入的槽顏色無變化,。將選中的模塊拖到不能插入該模塊的槽時(shí)，會(huì)提示不能插入的原因,。硬件組態(tài)完成后,，進(jìn)行存盤并編譯。這時(shí)硬件組態(tài)的參數(shù)將會(huì)保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB）中,。這時(shí)系統(tǒng)硬件組態(tài)完成了,，可以將選擇的組態(tài)下載到PLC中。

　　完成硬件組態(tài)后,，就可以進(jìn)行程序的編制,。西門子S7系列PLC采用的是“塊式程序結(jié)構(gòu)”，用“塊”的形式來管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù),，組成完整的PLC應(yīng)用程序系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)）,。“塊”分為數(shù)據(jù)塊和邏輯塊，它們都存放在Blocks目錄下[8],。這些塊主要包括組織塊(OB),、數(shù)據(jù)塊(DB)、功能(FC),、功能塊(FB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI),。我們選擇的程序語言是梯形圖(LAD)。

　　程序編制完成后需要對(duì)程序進(jìn)行下載和調(diào)試,。

　　5.1.3典型程序介紹



　　該程序段主要實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及傳感器故障報(bào)警,。在污水處理過程中，需要實(shí)時(shí)的采集和顯示溫度,、流量,、液位等模擬量信號(hào)。該程序的目的就是將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化為原始的工程量進(jìn)行顯示。由于在污水處理的現(xiàn)場存在信號(hào)干擾,，所以將內(nèi)碼值在+200和-200之間的輸入視為干擾,，不進(jìn)行處理。然后將該內(nèi)碼值送給FC105處理,。FC105SCALE功能是接收一個(gè)整型值(INT),，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實(shí)型值。



　　該程序檢測溫度傳感器是否故障,。當(dāng)一個(gè)溫度模擬量對(duì)應(yīng)的整數(shù)值在-1000-2000范圍之外,，我們視為傳感器故障。為了防止干擾引發(fā)的誤判斷,，我們對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí),。只有當(dāng)時(shí)當(dāng)該時(shí)間超過1000秒時(shí)，我們才對(duì)其進(jìn)行報(bào)警處理,。當(dāng)時(shí)間未到,，出現(xiàn)了正常信號(hào)時(shí)，需要對(duì)計(jì)時(shí)清零,。

5.2上位組態(tài)畫面

　　本系統(tǒng)采用SIMATICWinCC組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,。用戶登陸系統(tǒng)后看到主畫面顯示整個(gè)污水處理廠的工藝流程。通過主畫面上的幾個(gè)按鈕可以進(jìn)入各個(gè)分畫面,。分畫面包括工藝流程的各個(gè)部分以及報(bào)警,、趨勢畫面。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)中的各個(gè)開關(guān)量和模擬量,。監(jiān)控系統(tǒng)還可以完成實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和報(bào)表打印,。

　　5.2.1WinCC簡介

　　西門子公司的WinCC是WindowsControlCenter（視窗控制中心）的簡稱。它集成了SCADA,、組態(tài),、腳本（Script）語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能,。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化（TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無縫集成的特點(diǎn),。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以于多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成,，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目,、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活,，功能齊全,。用戶在其友好的界面進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理,，可形成所需要的操作畫面,、控制畫面、監(jiān)視畫面,、報(bào)警畫面,、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等,。

　　5.2.2設(shè)計(jì)思路

　　程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)入主畫面,。主畫面顯示污水處理的整個(gè)工藝流程，同時(shí)在主畫面中顯示各個(gè)流程關(guān)鍵的開關(guān)量和模擬量的狀態(tài),，如設(shè)備的狀態(tài),、閘門前后液位、流量等,。如果想了解現(xiàn)場更加詳細(xì)的狀態(tài)以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制需要進(jìn)入工藝流程的分畫面,。分畫面中可以顯示實(shí)時(shí)報(bào)警、趨勢曲線,。同時(shí)對(duì)重要模擬量進(jìn)行歸檔,，以便形成歷史趨勢曲線，便于以后進(jìn)行查看和分析,。如果用戶想對(duì)畫面進(jìn)行操作,，如設(shè)備控制、參數(shù)更改等,，必須輸入用戶名和密碼進(jìn)行登陸,，以防止其他人員的誤操作。在登陸狀態(tài)下,，不同的用戶具有不同的權(quán)限,。在中央監(jiān)控室可以對(duì)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行操作，參數(shù)采集以及現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)顯示,。

　　5.2.3設(shè)計(jì)步驟

　　一,、啟動(dòng)WinCC并新建項(xiàng)目

　　啟動(dòng)WinCC，單擊“開始”>SIMATIC>WinCC>WindowsControlCenter6.0,。選擇“文件”>新建,，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)項(xiàng)目類型選擇對(duì)話框。選擇單用戶項(xiàng)目,，輸入項(xiàng)目名稱,，在這里輸入“sewerage”，并選擇項(xiàng)目的存儲(chǔ)位置,。

　　二,、安裝通訊驅(qū)動(dòng)程序

　　添加一個(gè)通訊驅(qū)動(dòng)程序，鼠標(biāo)右擊工程瀏覽器中瀏覽窗口中的“變量管理”,，選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”,。在“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”對(duì)話框中選擇SIMATICS7ProtocolSuite.chn,。單擊驅(qū)動(dòng)程序前面的“+”，將會(huì)顯示當(dāng)前驅(qū)動(dòng)程序所有可用的通道單元,。右擊MPI通道單元,，在快捷菜單中選擇新的“驅(qū)動(dòng)程序的連接”菜單項(xiàng)。在隨后顯示的連接屬性對(duì)話框中輸入PLCstation作為邏輯連接名,，單擊“確定”按鈕,。

　　三、定義變量

　　單擊“變量管理”>SIMATICS7ProtocolSuite>MPI前面的“+”,，展開各自節(jié)點(diǎn),，鼠標(biāo)右擊節(jié)點(diǎn)PLCstation，在快捷菜單中選擇“新建變量組”,，輸入DI作為變量組名,，同樣的建立DO、AI和AO變量組,。建立變量組的目的是為了更好的管理這些變量,。如果在一個(gè)項(xiàng)目中因處理大量的數(shù)據(jù)而需要很多的變量時(shí)，建議將變量組織為變量組,。只有這樣才能在大型的項(xiàng)目中始終注意各種事件,。一般可將完成同一功能的變量或?qū)儆谕辉O(shè)備的變量歸結(jié)為一個(gè)組。在新建的幾個(gè)變量組中添加多個(gè)“標(biāo)簽”,，這些“標(biāo)簽”,，這些標(biāo)簽對(duì)應(yīng)PLC中的地址，數(shù)據(jù)類型也要和PLC中的數(shù)據(jù)類型保持一致,。這樣,，當(dāng)我們運(yùn)行項(xiàng)目時(shí)，PLC的數(shù)據(jù)就被采集到計(jì)算機(jī)中,。這些數(shù)據(jù)用于在監(jiān)控畫面中顯示,、歸檔、報(bào)表打印等,。

　　四,、創(chuàng)建過程畫面

　　1.設(shè)計(jì)主畫面



　　圖5.4上位機(jī)主畫面

　　主畫面顯示污水處理的整個(gè)工藝流程，包括顯示重要的模擬量輸入信號(hào),。在工藝流程主畫面的下方是一排按鈕,，“主畫面”用于回到工藝流程主畫面；“工藝流程圖”用于進(jìn)入各個(gè)工藝流程分畫面,；“報(bào)表曲線”用于進(jìn)入報(bào)表和趨勢曲線畫面,；報(bào)警窗口用于顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警；“登陸”和“退出系統(tǒng)”用于用戶登陸和退出監(jiān)控系統(tǒng),。在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)按“Ctrl+L”,，可以進(jìn)入登陸狀態(tài),，用戶可以在登錄對(duì)話框中輸入用戶名和密碼進(jìn)行登陸。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”時(shí)會(huì)顯示退出登陸對(duì)話框,，可以進(jìn)行確認(rèn)退出和取消退出,，這樣可以防止用戶誤點(diǎn)擊退出系統(tǒng)。同時(shí)在畫面中始終顯示系統(tǒng)時(shí)間,。

　　2.設(shè)計(jì)工藝流程分畫面



　　圖5.5格柵間畫面

　　在工藝流程分畫面的最上面有一排按鈕,，用于在不同的工藝流程段分畫面之間切換包括,。包括“格柵間”,、“曝氣塵沙池”、“鼓風(fēng)機(jī)房”,、“生化反應(yīng)池”,、“二沉池”、“紫外線消毒”幾個(gè)按鈕,。下面以格柵間為例看一下工藝流程分畫面的創(chuàng)建過程,。選擇菜單“查看”>“庫”或單擊工具欄上的圖標(biāo)，顯示對(duì)象庫中的對(duì)象中的目錄,。雙擊“全局庫”后顯示全局庫中的目錄樹,。單擊對(duì)象庫工具欄上的圖標(biāo)，可以預(yù)覽對(duì)象庫中的圖形,。選擇相應(yīng)的對(duì)象,，并將其托至畫面區(qū)中。拖動(dòng)對(duì)象周圍的黑色方塊,，改變對(duì)象的大小,。同時(shí)在“標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象”中選擇靜態(tài)文本以及“智能對(duì)象”中的輸入輸出對(duì)象放置在畫面中。

　　3.趨勢曲線畫面

　　要在運(yùn)行系統(tǒng)中顯示趨勢曲線和表格畫面,，首先需要進(jìn)行過程值歸檔,。過程值歸檔的目的是采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù),。以這種方法獲得的過程數(shù)據(jù)可用于獲取與設(shè)備的操作狀態(tài)有關(guān)的管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。在運(yùn)行系統(tǒng)中，可以以表格或趨勢曲線的形式輸出當(dāng)前過程值或已歸檔的過程值,，也可以將所歸檔的過程值作為記錄打印輸出,。WinCC使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值歸檔，可以選擇組態(tài)過程值歸檔和壓縮歸檔,，定義采集和歸檔周期,，并選擇想要?dú)w檔的過程值。在一個(gè)歸檔中可以定義要?dú)w檔變量的不同采集類型,?？梢允欠侵芷?、連續(xù)周期、可選擇周期以及一旦改變,。

　　WinCC的圖形系統(tǒng)提供兩個(gè)ActiveX控件用于顯示過程值歸檔,。在WinCC的畫面中插入WinCCOnlineTrendControl控件，以及WinCCOnlineTableControl控件,。在控件的選項(xiàng)卡中設(shè)置標(biāo)題,、變量、字體等,。

4.組態(tài)報(bào)警畫面

　　在WinCC中,，報(bào)警記錄編輯器負(fù)責(zé)消息的采集和歸檔，包擴(kuò)過程,、預(yù)加工,、表達(dá)式以及歸檔等消息的采集功能。消息系統(tǒng)給操作員提供了關(guān)于操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息,。他們將臨界狀態(tài)提早通知操作員,，并幫助消除空閑時(shí)間。系統(tǒng)可以通過畫面和聲音的形式報(bào)告記錄消息時(shí)間,，還可以用電子和書面的形式歸檔,。報(bào)警可以通知操作員在生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障和錯(cuò)誤消息，用于及早警告臨界狀態(tài)或縮短停機(jī)時(shí)間,。

　　WinCCAlarmControl作為顯示消息時(shí)間的消息視圖使用,。用戶在組態(tài)時(shí)就可獲得高度的靈活性，因?yàn)橄Ｍ@示的消息視圖,、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進(jìn)行組態(tài),。在WinCC運(yùn)行系統(tǒng)中，報(bào)警事件將以表格的形式在畫面中,。在WinCC報(bào)警畫面中,，添加WinCCAlarmControl控件，然后雙擊該控件,，打開屬性對(duì)話框中的消息行選項(xiàng)卡,，對(duì)在控件中顯示的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置，能夠顯示報(bào)警日期,、時(shí)間,、消息文本和錯(cuò)誤點(diǎn)。

　　第6章控制策略研究

　　6.1PID算法

　　6.1.1PID算法介紹

　　按偏差的比例,、微分,、積分進(jìn)行控制（簡稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù),。它的結(jié)構(gòu)簡單,，參數(shù)調(diào)整方便,，是在長期的工程實(shí)踐中總結(jié)出來的一套控制方法。在工業(yè)控制中由于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化,，所以人們往往采用PID控制技術(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)整,，從而得到滿意的控制效果,。

　　6.1.2PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)

　　考慮到PLC的運(yùn)算速度，需要對(duì)PID算法進(jìn)行一下轉(zhuǎn)化,，特別是積分項(xiàng)的計(jì)算,。由PID的離散形式方程可知，積分項(xiàng)包括第一次采樣到當(dāng)前采樣時(shí)刻的所有誤差,；微分項(xiàng)由本次和上次的采樣值決定,；而比例項(xiàng)只由本次的采樣值決定,。在PLC中要存儲(chǔ)所有的采樣的誤差時(shí)不實(shí)際的,，也是不必要的。因?yàn)樽缘谝粋€(gè)采樣時(shí)刻開始,，每次采樣獲得一個(gè)誤差,，要由PLC計(jì)算一次輸出，所以只需要將上一次的誤差和上一次的積分項(xiàng)存儲(chǔ),。利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的迭代運(yùn)算,，可將PID算式化為遞推形式[3]。簡化形式如下：





　　在該污水處理系統(tǒng)中,，在提升泵,、曝氣機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī),、污泥回流泵等多處用到PID控制,。所以在S7300PLC中將PID控制程序編制為一個(gè)程序塊（FB），為每個(gè)需要PID程序控制的設(shè)備建立一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊（DI）,，這樣每次PID運(yùn)算之后的MX將會(huì)被保存,。PID運(yùn)算的輸出通過模擬量輸出模塊（AO）輸出到變頻器的控制端，從而實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,。下面是PID功能塊的程序：







　　6.2軟起動(dòng)器一拖三控制

　　提升泵房有4臺(tái)提升泵,，其中的三臺(tái)采用施耐德ATS4837KW軟起動(dòng)器，工作在接觸器旁路工作模式,，實(shí)現(xiàn)一拖三控制,。在一拖三級(jí)聯(lián)控制系統(tǒng)中，ATS48的運(yùn)行信號(hào)RUN,，停止信號(hào)STOP和級(jí)聯(lián)信號(hào)LIC由PLC的繼電器輸出給定,。同時(shí),，將ATS48的輸出繼電器R1設(shè)置為“r1I（隔離繼電器）”，把邏輯輸入LI3設(shè)置為“LIC（級(jí)聯(lián)控制）”,。電機(jī)主回路控制圖如下圖所示,。



　　圖6.1電機(jī)主回路控制圖

　　圖中1KM1、2KM1,、3KM1為電機(jī)1#,、2#、3#的主接觸器,，1KM2,、2KM2、3KM2為電機(jī)1#,、2#,、3#的旁路接觸器。下面以電機(jī)1為例說明電機(jī)的啟動(dòng)停止過程,。

　　啟動(dòng)時(shí),，按下啟動(dòng)按鈕，經(jīng)PLC延時(shí)后,，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于100ms,，小于1000ms）的脈沖啟動(dòng)信號(hào)給ATS48的RUN端，軟啟動(dòng)器被允許啟動(dòng),，由于產(chǎn)生運(yùn)行信號(hào),，ATS48內(nèi)部繼電器R1吸合，于是主接觸器1KM1合上,，ATS48按照設(shè)置的啟動(dòng)時(shí)間啟動(dòng),；啟動(dòng)結(jié)束后，ATS48內(nèi)部繼電器R2合上,，于是旁路接觸器1KM2合上,，此時(shí)1KM1和1KM2同時(shí)吸合；在較短的一段時(shí)間（由ATS48決定）之后,，R2在R1之后失電,，1KM1斷開，電機(jī)繼續(xù)由1KM2供電,，完成整個(gè)啟動(dòng)過程,。同理可以啟動(dòng)2#電機(jī)和3#電機(jī)。

　　停止時(shí),，按下停止按鈕,，經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于200ms）的脈沖信號(hào)給ATS48的LI3端，軟啟動(dòng)器級(jí)聯(lián)控制被激活,，ATS48內(nèi)部繼電器R1,、R2吸合（R2為脈沖信號(hào)，R1保持閉合直到電機(jī)完全停下來）,，于是主接觸器1KM1吸合,，ATS48與正在運(yùn)行的電機(jī)接上；LI3脈沖信號(hào)的下降沿經(jīng)PLC延時(shí)后,，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于100ms）的負(fù)脈沖信號(hào)給ATS48的STOP端,，ATS48的內(nèi)部繼電器R2斷開，于是旁路接觸器1KM2斷開,，ATS48軟啟動(dòng)器按已設(shè)置的停車時(shí)間使電機(jī)停車,，停車完成后，ATS48內(nèi)部繼電器R1斷開,，于是主接觸器1KM1斷開,，完成整個(gè)停車過程。同理可以停止2#電機(jī)和3#電機(jī),。

　　在PLC內(nèi)部,，我們設(shè)置一個(gè)字節(jié)的變量作為啟動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)志，分別標(biāo)識(shí)軟起準(zhǔn)備好,、軟起中,、軟起完成,、完成延時(shí)斷開,、停止等。同時(shí),，對(duì)啟動(dòng)器運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí),。如果軟起開始運(yùn)行后經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間PLC還沒有收到軟起完成的信號(hào)，則認(rèn)為是軟起動(dòng)器故障,。

　　7結(jié)束語

　　污水處理自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到水處理,、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù),、儀器儀表,、電力電子等眾多學(xué)科，是一個(gè)復(fù)雜的綜合性領(lǐng)域,。本文以污水處理的工藝流程為線索,，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。講述了利用STEP7軟件編程,、利用WinCC軟件完成組態(tài)的具體過程,。同時(shí)，對(duì)在污水處理中的控制策略進(jìn)行了介紹，包括PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)以及一臺(tái)軟啟動(dòng)器拖動(dòng)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的具體實(shí)現(xiàn),。