黃俊勇

（廣州惠暢機(jī)電科技有限公司，廣東 廣州 510760）

1 引言

環(huán)境污染問(wèn)題是當(dāng)今世界上最大的社會(huì)問(wèn)題之一，尤其是水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和不合理利用。為了合理利用水資源，保護(hù)水體環(huán)境，國(guó)家已把城市給排水列為基本建設(shè)領(lǐng)域重點(diǎn)支持的產(chǎn)業(yè)，并提出至2000年我國(guó)污水處理率達(dá)到25%，2010年污水處理率達(dá)到40%的總體目標(biāo)，要求“七大流域”、“三大湖泊”和重點(diǎn)沿海城市及其近岸海域城市、非農(nóng)業(yè)人口50萬(wàn)以上的城市都要建設(shè)城市污水處理廠。因此，為使有限的投資取得好的效益，建立高度自動(dòng)化的污水處理廠是解決水污染問(wèn)題的有效途徑。

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)污水處理實(shí)現(xiàn)日常的信息化管理。針對(duì)太原某生活污水處理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus－DP總線的污水處理自控系統(tǒng)，對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)視。采用S7－300 PLC可編程序控制器和智能檢測(cè)儀表組成下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。上位機(jī)采用WINCC V7.0組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的畫(huà)面監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)定和指令控制等功能。

2 污水處理工藝流程

采用改良A2/O污水處理工藝，工藝流程如圖1所示。污水自流入廠內(nèi)機(jī)械粗格柵井，經(jīng)進(jìn)水泵房提升后輸送至細(xì)格柵渠，然后經(jīng)旋流沉砂池沉砂處理，從沉砂池出來(lái)的污水進(jìn)入改良型A2/O生化池，生化處理后的污水排入二沉池、最后經(jīng)消毒池消毒，部分回用，部分排入汾河。

圖1 污水處理工藝流程圖

3 污水處理控制系統(tǒng)總體方案

全廠控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：中控室集中監(jiān)控管理中心和8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站。

工業(yè)控制網(wǎng)采用光纖作為傳輸介質(zhì)組成環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC聯(lián)接，保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性，數(shù)據(jù)通訊在確保的可預(yù)見(jiàn)時(shí)間內(nèi)到達(dá)。

系統(tǒng)控制設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)控制站、設(shè)備控制單元發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其上級(jí)、下級(jí)或同級(jí)的其它控制站控制單元的正常運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)置觸摸屏作為就地人機(jī)交互接口HMI，操作人員可對(duì)該控制站監(jiān)控范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行就地集中控制，或在中控室授權(quán)后就地更改設(shè)定本站的工藝控制參數(shù)。其系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工程師站可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站、設(shè)備控制單元的相關(guān)軟件進(jìn)行維護(hù)。正常工作時(shí)，兩臺(tái)工作站同時(shí)工作，實(shí)時(shí)地完成同步操作。監(jiān)控工作站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與工業(yè)控制系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接，自控系統(tǒng)的控制別設(shè)置為三層：第一層為現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制，在各電氣站點(diǎn)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制箱，可單獨(dú)啟停各測(cè)試設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)；第二層為PLC邏輯聯(lián)動(dòng)控制，由PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備采集的數(shù)椐及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行邏輯關(guān)系，自動(dòng)控制各站點(diǎn)內(nèi)的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；第三層為中央控制計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)，修改PLC控制參數(shù)，上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

中央控制室由一臺(tái)操作員站、一臺(tái)工程師站及中控交換機(jī)等組成，中央控制室使用工控機(jī)，配置以太網(wǎng)卡CP1613，以WinCC7.0組態(tài)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)組態(tài)的控制系統(tǒng)顯示畫(huà)面?，F(xiàn)場(chǎng)過(guò)程PLC控制系統(tǒng)主要選用S7－300的產(chǎn)品，模塊化結(jié)構(gòu)，硬件配置較靈活，軟件編程方便。PLC的CPU選用CPU315－2DP，它具有大型的程序存儲(chǔ)容量，集成了Profibus－DP總線的端口，利用這個(gè)口實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程的ET200以及現(xiàn)場(chǎng)儀表通信，可以配制成分布的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，易于今后的系統(tǒng)擴(kuò)展。智能化的診斷功能連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)工作是否正常，并記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。整個(gè)控制系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理廠的管、控一體化。

根據(jù)工藝的需要和控制要求，本系統(tǒng)設(shè)置8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站，包括數(shù)字輸入量726點(diǎn)，數(shù)字輸出量244點(diǎn)，模擬輸入點(diǎn)124點(diǎn)，模擬輸出點(diǎn)33點(diǎn)。同時(shí)綜合考慮到系統(tǒng)的余量，輸入輸出控制點(diǎn)有20%的余量，并預(yù)留30%空槽。鑒于系統(tǒng)防雷性能的要求，輸入輸出模塊均具備隔離性能。選用SM321的32點(diǎn)DI32＊24V數(shù)字量輸入模塊23塊，SM321的16點(diǎn)數(shù)字量DI16＊24V輸入模塊6塊；SM322的DO16＊24V數(shù)字量輸出模塊19塊；SM331的8點(diǎn)AI8＊12bit模擬量輸入模塊19塊；SM332的4點(diǎn)AO2＊12bit模擬量輸出模塊12塊；ET200遠(yuǎn)程I/O接口模塊兩個(gè)。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 PLC 程序

PLC程序滿足現(xiàn)場(chǎng)工作站和設(shè)備控制的全部要求。實(shí)現(xiàn)工藝電控設(shè)備的順序、條件、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)控制、PID調(diào)節(jié)等控制功能，以及流量及功率參數(shù)的自動(dòng)累積和數(shù)據(jù)處理功能。

控制軟件除能夠確保相關(guān)工藝及設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)互鎖的一般要求外，還能滿足復(fù)雜工藝過(guò)程的控制要求。

控制設(shè)備首次上電運(yùn)行或由手動(dòng)轉(zhuǎn)為自動(dòng)時(shí)，能夠判斷其所控設(shè)備或工藝過(guò)程的現(xiàn)有狀態(tài)，在其運(yùn)行后不會(huì)使設(shè)備或工藝過(guò)程被不正常中斷或出現(xiàn)被控參數(shù)的突變和振蕩超調(diào)，以實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)擾動(dòng)切換。

當(dāng)某臺(tái)設(shè)備或某個(gè)部件出現(xiàn)故障，控制器能夠作出相應(yīng)的處理，將故障控制在最小的范圍之內(nèi)，防止由此而引起的相關(guān)設(shè)備或工藝過(guò)程的連鎖反應(yīng)；同時(shí)能立即判斷出故障的位置，并將其送至中控主機(jī)或操作顯示終端予以報(bào)警。

軟件設(shè)計(jì)與執(zhí)行將以模塊化的形式表示PLC硬件劃分和設(shè)備的組合，模塊類型以傳感器、回路、裝置和自動(dòng)化流程進(jìn)行劃分。PLC控制站程序結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，可讀性強(qiáng)，I/O點(diǎn)連續(xù)、集中。

5.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

中央管理中心設(shè)置兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別作為操作站和工程師站相互備用，利用WinCC7.0組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的污水處理監(jiān)控界面，對(duì)全廠工藝設(shè)備運(yùn)行狀況、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行集中監(jiān)控，遙控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)集成的1000M網(wǎng)卡與PLC系統(tǒng)經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

中控室的監(jiān)控程序有如下主要功能：

（1）工藝流程監(jiān)控功能。具有友好中文操作界面，各個(gè)界面之間切換達(dá)到流暢、自然，能動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)廠區(qū)及各個(gè)單體的在線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及儀表測(cè)量值，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；

（2）數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)功能。監(jiān)控程序根據(jù)需要，采集各分控站的各類數(shù)據(jù)和信號(hào)，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)回放、趨勢(shì)曲線繪制；

（3）多級(jí)口令登錄功能：具有安全登錄窗口，并把登陸詳細(xì)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)；分管理員、工程師、操作員三個(gè)等級(jí)登陸，憑口令來(lái)使用監(jiān)控程序；

（4）打印功能。具有各種數(shù)據(jù)報(bào)表輸出功能，根據(jù)生產(chǎn)需要，及時(shí)完整地生成生產(chǎn)報(bào)表；

（5）報(bào)警及報(bào)警記錄功能。具有多種報(bào)警功能，包含優(yōu)先級(jí)報(bào)警、多狀態(tài)報(bào)警、事件報(bào)警和確認(rèn)報(bào)警等；

（6）操作人員對(duì)設(shè)備的所有操作或報(bào)警值的修改，其操作記錄由監(jiān)控軟件記錄，并由獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)；

（7）操作記錄功能。系統(tǒng)自動(dòng)保存重要操作記錄，如改動(dòng)參數(shù)，操作設(shè)備的操作員代號(hào)、時(shí)間、內(nèi)容等。

（8）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線。對(duì)重要工藝參數(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，并記錄歷史數(shù)據(jù)曲線。

6 結(jié)束語(yǔ)

PLC作為成熟的控制器，其編程語(yǔ)言及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一性，便于控制系統(tǒng)的調(diào)試及維護(hù)，很好地滿足了污水生產(chǎn)工藝的要求，在避免功能浪費(fèi)的同時(shí)降低了系統(tǒng)造價(jià)。采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證了通訊網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性和穩(wěn)定性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通訊的高速化。以PLC為基礎(chǔ)采用工業(yè)以太網(wǎng)搭建的控制系統(tǒng)，在污水處理廠的自動(dòng)化控制中具有成熟可靠，既滿足生產(chǎn)工藝要求，同時(shí)也降低了工程造價(jià)，具有很好的應(yīng)用前景。

［1］張衛(wèi)娜.基PLC的污水處理系統(tǒng)研究［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，24（3）：67－68.

［2］王常力，廖道文.集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

［3］唐翀鵬，馮 健，王 水.A2/O工藝在邳州城北污水處理廠的應(yīng)用［J］.環(huán)境科技，2010，23（3）：40－42，45.