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西門子PLC和WINCC在污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)
發(fā)布者：管理員 　 發(fā)布時(shí)間：2013-05-21 17:58:00　瀏覽次數(shù)：

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，一般分為三級處理：

　　一級處理，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)。

　　三級處理，又稱深度處理，其目的在于進(jìn)一步去除二級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

　　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

　　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)。

韶陽縣污水處理廠總體工藝流程圖

　　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：

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　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)場控制相對于PLC自動控制和中央監(jiān)控室控制具有最高的優(yōu)先級。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)行自動控制調(diào)試前，首先要完成對現(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)場的信號并控制設(shè)備的運(yùn)行?，F(xiàn)場的信號包括液位、流量、溫度等工藝信號和設(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會根據(jù)程序自動或者根據(jù)上位監(jiān)控系統(tǒng)給出的信號控制設(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”時(shí)，在上位機(jī)監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動”運(yùn)行狀態(tài)，然后手動控制設(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，以防止螺旋壓榨機(jī)空轉(zhuǎn)。聯(lián)動順序?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提升泵的運(yùn)行狀態(tài)以及它們的啟停。提升泵房有四臺提升泵，其中三臺軟啟動泵，一臺變頻調(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。對于細(xì)格柵的控制，可通過現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)手動控制，也可對細(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，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)會使污泥刮板過度磨損，縮短更換周期。沉砂池內(nèi)部有一臺橋式吸砂機(jī)、兩臺吸砂泵和一臺沙水分離器，其主要作用是將砂粒吸走，需要對其進(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)動運(yùn)行。聯(lián)動順序：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)對氧化溝內(nèi)的曝氣機(jī)、閘門啟閉機(jī)、潛水推流器、電動調(diào)節(jié)堰門、內(nèi)回流旋轉(zhuǎn)門等設(shè)備進(jìn)行控制。在這里對曝氣機(jī)的控制室通過變頻器實(shí)現(xiàn)的。在PLC內(nèi)部對溶解氧含量進(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：

1硬件組態(tài)圖

　　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，目錄下方的窗口會顯示模塊的定貨號和對模塊的描述。插入主機(jī)架后，分別向機(jī)架中的1號插槽添加電源、2號插槽添加CPU。硬件目錄中的某些CPU型號有多種操作系統(tǒng)（Firmware）版本，在添加CPU時(shí)，CPU的型號和操作系統(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)會出現(xiàn)對話框選擇CPU的站地址，在這里我們用選擇2。4—11號槽中可以添加信號模塊、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號槽插入IM365。這時(shí)該擴(kuò)展機(jī)架上的IM365會與主機(jī)架上的IM365自動連接。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)）?！皦K”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)。