長期以來,在我國城市建設(shè)快速發(fā)展的過程中,，由于對環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重視不夠,、投入不足,，污水直接排入城市水系及相關(guān)流域,造成江河湖泊水質(zhì)和地下水污染,城市水環(huán)境污染問題日益突出,，污水凈化就成為改善城鎮(zhèn)居民生活環(huán)境,、提高人民健康水平的主要手段之一,。為保證污水處理工藝可靠,、順利實施,，自動控制系統(tǒng)的設(shè)計及控制技術(shù)的運用要以可靠性為基礎(chǔ),，綜合考慮控制技術(shù)先進(jìn)性、可擴(kuò)展性,，同時兼顧降低系統(tǒng)造價,。
　　在污水處理控制系統(tǒng)中，除了存在分布區(qū)域廣,、設(shè)備分散,、控制點多及控制信息復(fù)雜等要求外，同時具有控制輸入和輸出以開關(guān)量參數(shù)居多,，模擬量參數(shù)少的特點,，而這些都是PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，因此,，以PLC為主體就成為污水處理廠自動控制系統(tǒng)的主要控制模式[1],。本文將以某市的污水處理廠為例，簡要介紹S7-400 PLC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,。
1 系統(tǒng)工藝介紹
　　某市污水處理廠是省重點工程,近期污水水量為30萬立方米/天,，高峰污水量16250立方米/小時，遠(yuǎn)期污水水量為40萬立方米/天,，采用具有脫氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工藝法,，污水經(jīng)二級處理后排入附近河流進(jìn)行灌溉，污泥采用機(jī)械濃縮脫水后外運,。同時該工程還預(yù)留了污泥消化處理工段,，所以對系統(tǒng)的擴(kuò)展性、開放性及該系統(tǒng)的可持續(xù)性,，具有相當(dāng)高的要求,。系統(tǒng)工藝流程見圖1,。
2 控制系統(tǒng)組成
　　污水處理采用分布式計算機(jī)監(jiān)控管理方式，由中央控制室的上位計算機(jī)管理控制系統(tǒng),、廠區(qū)三個現(xiàn)場控制站組成,。中央控制室和廠區(qū)三個現(xiàn)場控制站之間以一個冗余的100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)組成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各個現(xiàn)場控制站可以獨立運行,，在現(xiàn)場進(jìn)行工藝檢測參數(shù),、設(shè)備運行工況信號的采集、檢測和控制,，并通過該站的人機(jī)界面對設(shè)備運行操作,，同時通過ProfiBus總線向中央控制室進(jìn)行實時傳送，以備工作人員監(jiān)視;中控室的操作人員通過ProfiBus將必要的控制參數(shù)下傳到各個現(xiàn)場控制單元,，以調(diào)整控制和工藝參數(shù),。同時，為備現(xiàn)場操作,，每個現(xiàn)場監(jiān)控單元均有手動/自動按鈕,，可實現(xiàn)現(xiàn)場和遠(yuǎn)控操作，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性,、安全性以及運行的經(jīng)濟(jì)性,。另外，污水控制系統(tǒng)還通過Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機(jī)與廠管理網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián),，實現(xiàn)企業(yè)管控一體化,。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

　　現(xiàn)場控制站采用西門子S7 400 PLC,，CPU采用416-3DP CPU,，配有開關(guān)量輸入DI模塊、開關(guān)量輸出DO模塊,、模擬量AI模塊和通訊模塊,，并采用STEP7 5.1軟件對PLC各個模塊的參數(shù)進(jìn)行組態(tài)。現(xiàn)場控制站在與設(shè)備自帶的PLC通訊時,，采用ProfiBus-FMS的方式[2],，包括現(xiàn)場自動化單元、集控單元和現(xiàn)場總線通訊三個部分,，現(xiàn)場總線物理層采用EIA-RS-485協(xié)議,，通信板卡采用CP5611，用于主站和從站之間通訊,。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s,，每個字符為11個位。在CP5611通信軟卡安裝時,，與Softnet-DP軟件配套使用;10KV及各變電所的相關(guān)信號,，通過智能繼電保護(hù)裝置及智能空氣斷路器,、用PROFIBUS-DP的通訊方式與現(xiàn)場控制站交換數(shù)據(jù)，每個間隔保護(hù)及測量裝置均作為現(xiàn)場控制站的從站,。
　　中央控制室的上位計算機(jī)采用工業(yè)計算機(jī),，并用大型電子投影儀作為電子屏，操作系統(tǒng)選用Windows2000 Professional,，并配用WinCC組態(tài)軟件,。該工控組態(tài)軟件是一個集成的HMI系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，具有畫面顯示,、趨勢曲線,、報警處理、報表處理,、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能,。其特性之一是全面開放,，各系統(tǒng)集成商可用WinCC 作為其系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件,。本系統(tǒng)將WinCC 與STEP7 配合使用,。因為在STEP7 中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節(jié)省了工程開發(fā)時間,。另外,，WinCC中的C語言腳本及提供的與數(shù)據(jù)庫之間的接口更增加了其應(yīng)用功能，可滿足用戶的復(fù)雜要求[3],。
3 主要控制功能
　　污水處理控制系統(tǒng)主要有6個子系統(tǒng)組成[4]：粗細(xì)格柵程控系統(tǒng),、水泵程控系統(tǒng)、生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng),、回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng),、泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、清化調(diào)節(jié)系統(tǒng),。
　　3.1 粗細(xì)格柵程控系統(tǒng)
　　粗細(xì)格柵均采用液位差控制,，在粗細(xì)格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0～10V的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊,，當(dāng)液位差超過設(shè)定值時,，PLC強制啟動格柵進(jìn)行清渣，否則按預(yù)定周期清渣,。為保證控制可靠運行,，需定期對超聲波液位計進(jìn)行維護(hù)和校正。格柵程控系統(tǒng)根據(jù)格柵前后的水位差,，自動控制柵耙,，按預(yù)定周期運行,，以保證格柵正常工作，格柵調(diào)節(jié)有現(xiàn)場控制（手動）和遠(yuǎn)程控制（自動）兩種模式,。
　　3.2 水泵程控系統(tǒng)
　　水泵程控系統(tǒng)按水泵池的液位經(jīng)過MicroMaster通用變頻器,，并采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量。每臺泵房均有主運行泵,、備用泵,，以備不測。對每個泵的控制,，同樣有現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式,。
　　3.3 生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　生物反應(yīng)池是污水進(jìn)行生化反應(yīng)的場所，主要通過轉(zhuǎn)刷控制污水的曝氣時間,。生物反應(yīng)池中設(shè)有轉(zhuǎn)刷,，并在出水口設(shè)有溶解氧儀、氧化還原電位計和污泥濃度計,、SIPAN32液體分析儀,。溶解氧儀和氧化還原電位計輸入信號連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調(diào),。曝氣空氣量的調(diào)整,，采用控制鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的方式，即通過改變鼓風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉片的角度來改變空氣量,，從而保證溶解氧的需求量,。
　　3.4 回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　回流污泥量的調(diào)節(jié)是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)采用數(shù)字式增量PID控制方式,，按進(jìn)入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開啟臺數(shù)和回流污泥管道上閥門的角度,，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調(diào)節(jié)均由變頻器控制,。
　　3.5 泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　其任務(wù)是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內(nèi),，以保證其在35℃內(nèi)充分發(fā)酵。泥溫調(diào)節(jié)采用熱平衡控制方式,，即改變換熱器的熱水溫度或流量來改變換熱量,，以實現(xiàn)污泥溫度的調(diào)節(jié)。對每個泵的控制,，也都有現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式,。
　　3.6 清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由沼氣攪拌程控系統(tǒng)、消化池配泥程控系統(tǒng),、濾池程控系統(tǒng)等組成,，主要完成水質(zhì)的清化過程，滿足環(huán)保要求,。若以上各現(xiàn)場控制單元PLC任何一臺出現(xiàn)故障,，現(xiàn)場報警信號立即通過網(wǎng)絡(luò)反饋到中控監(jiān)視室,，并在監(jiān)視屏上顯示故障位置，同時聲光報警,，操作人員便可根據(jù)實際情況進(jìn)行操作,，排除故障或自動啟動備用泵。
4 控制程序設(shè)計
　　系統(tǒng)有四種控制方式：本地手動控制,、單臺設(shè)備點動控制,、成組設(shè)備自動控制、全廠設(shè)備全自動控制,。前三種方式一般只在設(shè)備調(diào)試或維修時使用,，正常狀況下系統(tǒng)主要以全自動控制方式運行，在這種方式下,，所有各類設(shè)備都由PLC按照預(yù)先編制的程序自動控制,，不需要操作人員干預(yù)，各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過PLC傳至中控室的上位機(jī),，中控室可監(jiān)視各現(xiàn)場站的全部運行信息,，并可控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動和停止。生物反應(yīng)池中的生物處理部分是整個污水處理的關(guān)鍵部分,，限于篇幅，僅介紹生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的程序設(shè)計,。
　　反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來控制從污水進(jìn)入反應(yīng)池到處理后的污水流出反應(yīng)池的整個過程,，在這個過程中，包括控制各種閥,、泵,、風(fēng)機(jī)的順序及定時開關(guān)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等。污水在池中是通過微生物的生物氧化作用來去除有機(jī)物的,，水中氧的含量對污水的處理效果是至關(guān)重要的,，根據(jù)工藝要求，曝氣池內(nèi)的溶解氧含量通?？刂圃?～3mg/L范圍內(nèi),，在曝氣階段未溶解氧含量應(yīng)不超過2mg/L，含氧量過低或過高,，均會影響出水質(zhì)量,，每隔5min檢測一次曝氣池內(nèi)的溶解氧值，根據(jù)溶解氧的平均值來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,，若溶解氧低于設(shè)定下限時,，調(diào)頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加5%，若溶解氧高于設(shè)定上限時,，調(diào)頻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低5%,， 這樣就實現(xiàn)了反應(yīng)池供氧量的自動調(diào)節(jié),，既避免了不必要的能源損失，又優(yōu)化了運行工藝,。反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖如圖3 所示：

圖3 反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖
　　根據(jù)上述控制過程要求,，應(yīng)用程序主要由5個程序模塊組成：
　　（1）公用程序模塊（OB1）,，包括初始化部分,、反應(yīng)周期設(shè)定、工藝時間設(shè)定,、溶解氧設(shè)定,、調(diào)用條件設(shè)定等。
　?。?）開關(guān)量順序控制模塊（FC10）,，其功能包括協(xié)調(diào)控制各個閥、泵,、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運行及相關(guān)故障的報警,，池的進(jìn)氣閥、進(jìn)水閥,、出水閥,、回流泵、剩余污泥泵的控制,。
　?。?）斷電保護(hù)模塊（FC16），功能是系統(tǒng)斷電后,，將所有狀態(tài)鎖存,，待加電后使PLC恢復(fù)所保持的狀態(tài)繼續(xù)運行。
　?。?）通信模塊（FC20）,，用來完成PLC與上位機(jī)的各種數(shù)據(jù)傳送。
　?。?）溶解氧值自動調(diào)節(jié)模塊（FC5）,，主要功能是根據(jù)溶解氧值來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及相關(guān)故障的報警。
5 結(jié)語
　　系統(tǒng)采用了ProfiBus-FMS總線技術(shù),，將Simatic S7-400 PLC,、變頻器MicroMaster和工控機(jī)等主要控制設(shè)備有機(jī)結(jié)合，具有組網(wǎng)簡單,、運行速度快,、通信穩(wěn)定性強等特點，通過與變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的配合使用，提高了整個污水處理系統(tǒng)的自動化水平,。同時,，由于其模塊化特性，若處理規(guī)模加大,，只需增加相應(yīng)的功能模塊,，增加適當(dāng)?shù)能浖δ芫涂稍谳^小的投入下很方便地實現(xiàn)規(guī)模擴(kuò)展，對我國污水處理的自動化建設(shè)具有一定的推廣價值,。
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