高飛翔　孟凡鈺　丁成　楚金澄

摘 要：黃金在人類社會(huì)中占有重要地位，但是黃金尾礦的污水處理問題一直沒有得到有效的解決。針對(duì)礦井污水處理工作的過程中需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行調(diào)整多個(gè)參量的需求。吸取了方方面面經(jīng)驗(yàn)，提出了基于PLC原理，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制應(yīng)用模型，應(yīng)用PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備等能夠組成一個(gè)實(shí)時(shí)、高效、可靠的自動(dòng)化系統(tǒng)。將其應(yīng)用于污水處理的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠處理廢水，將帶來良好的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到重要作用，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC混合網(wǎng)絡(luò) 黃金尾礦 污水處理 應(yīng)用分析

中圖分類號(hào)：U664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0170-03

人們對(duì)黃金的需求量日益增長(zhǎng)，所以黃金工業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，中國(guó)的黃金產(chǎn)量更是在2012年突破了400 t大關(guān)，連續(xù)6年位居世界第一[1]。不過黃金尾礦的污水處理一直是制約黃金工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要原因，黃金尾礦中既含有有害物質(zhì)，也含有大量的金、鐵、銀、銅等有價(jià)金屬和其他可利用資源[2-3]。以往的生產(chǎn)技術(shù)水平低下，無法有效解決黃金尾礦的問題，但是采用PLC混合網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決上述問題。PLC（Programmable Logic Controller），即可編程邏輯控制器，專門為了在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用，是一種采用數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置[4]。它的存儲(chǔ)器是工業(yè)控制的核心部分，其內(nèi)部存儲(chǔ)著各種面向用戶的指令，可以執(zhí)行計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及順序運(yùn)算等操作，并能通過模擬式或者數(shù)字式的輸入及輸出來對(duì)各類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行操控。PLC與其外圍設(shè)備共同組成一個(gè)整體，可以更好地?cái)U(kuò)展其功能。該項(xiàng)目是采用德國(guó)SIEMENS公司的S7-400系列的413-2 PLC作為主站，構(gòu)成ProfiBus-DP總線控制系統(tǒng)，使該污水處理系統(tǒng)按照工藝要求完成自動(dòng)控制，其上位機(jī)的性能穩(wěn)定，具有較好的抗干擾性能；其工控組態(tài)軟件為WinCC，可以對(duì)上位機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行組態(tài)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該文就采用西門子PLC組成西門子混合網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一套網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來處理黃金尾礦污水，取得了很好的效果，現(xiàn)將結(jié)果總結(jié)如以下幾點(diǎn)。

1 工藝流程

污水處理的目的就是通過分離污水中的污染物質(zhì)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)以達(dá)到凈化污水的目的。一般要先將大塊雜物除去，然后再將膠體物質(zhì)、懸浮固體以及溶解物質(zhì)等除去，主要分為三級(jí)處理[5-7]。一級(jí)處理是污水預(yù)處理階段，將黃金尾礦中的大塊固形物通過格柵機(jī)和篩網(wǎng)等進(jìn)行攔截，并進(jìn)行初步沉淀；二級(jí)處理是生物處理階段，通過“厭氧一缺氧一好氧”過程來對(duì)污水進(jìn)行脫氮、除磷處理，向好氧區(qū)投加活性菌種，通過凝聚、吸附、氧化、分解、沉淀等過程來將污水中的有機(jī)污染物進(jìn)行凈化和分解；三級(jí)處理是污泥處理階段，將處理達(dá)標(biāo)后的污水直接排放，把多余的污泥經(jīng)由排泥泵送到機(jī)房進(jìn)行脫水處理。

2 系統(tǒng)配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 主站選型

位于中控室的PLC主站，主要負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控層通訊。選擇德國(guó)西門子PLC產(chǎn)品中的S7-400系列，主站為PLC，從站為ProfiBus-DP[8-11]。與之匹配的CPU為CPU412-3H的緊湊型CPU，帶有內(nèi)置接口，特點(diǎn)是組態(tài)靈活、數(shù)字處理能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)潔、速度快，其內(nèi)部定時(shí)器多達(dá)126個(gè)，可以滿足工藝控制的時(shí)間要求。通訊為西門子的CP443-1，可以以多重協(xié)議方式來實(shí)現(xiàn)S7路由、S5兼容通訊（發(fā)送/接收）以及PG/OP通訊。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

主干網(wǎng)采用以太網(wǎng)，以多模四芯光纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速度為10/1OOM；以ProfiBus現(xiàn)場(chǎng)總線作為支網(wǎng)，以SIEMENS的ProfiBus-DP專用電纜作為傳輸介質(zhì)，傳輸速度為1.5 Mbps。該系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸效率，在系統(tǒng)和外部設(shè)備之間進(jìn)行通信效果良好[12-15]。

2.3 上位機(jī)

中控室設(shè)有兩臺(tái)主機(jī)服務(wù)器，IBM-FINITY以及IBM-PC，在工控行業(yè)有多種組態(tài)軟件可選，選擇了SIMATIC的WinCC來完成該項(xiàng)目，可以縮短項(xiàng)目開發(fā)周期并提高通訊效率。該系統(tǒng)能夠監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，顯示數(shù)據(jù)和報(bào)表曲線以及定時(shí)打印，操作方便。

3 網(wǎng)絡(luò)原理及方案分析

3.1 DP Distributed I/Os網(wǎng)

ProfiBus（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170和德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245）在世較大范圍內(nèi)己經(jīng)得到了認(rèn)可，ProfiBus-DP接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備總線上最多能夠掛接127個(gè)站點(diǎn)[16-18]。數(shù)據(jù)最小傳輸速率為9.6 kbps，最大傳輸速率為12 Mbps，當(dāng)傳輸速率為12 Mbps時(shí)最大傳輸距離為l00 m，當(dāng)傳輸速率為1.5 Mbps時(shí)最大傳輸距離為400 m，如果采用中繼器，則傳輸距離可以延長(zhǎng)至l0 km。中央控制器對(duì)設(shè)備的輸入信息進(jìn)行讀取并及時(shí)發(fā)回輸出信息，能夠有效保證總線循環(huán)時(shí)間小于控制器的程序循環(huán)時(shí)間；但是分站沒有中央處理單元，各分站之間采用IM153接口模塊通過DP總線進(jìn)行相互連接。

3.2 MPI（Multi Point Interface）

多點(diǎn)接口，是用于PLC之間通訊的一種保密協(xié)議，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、多點(diǎn)通信的特點(diǎn)。MPI網(wǎng)絡(luò)的通信速率為19.2 kbps～12 Mbps，可以連接的節(jié)點(diǎn)最多為32個(gè)，最大的通訊距離為50 m，而且如果采用中繼器，則可以擴(kuò)展通訊距離，MPI網(wǎng)在內(nèi)置的S7協(xié)議下工作。如果主控單元或其相連的總線發(fā)生故障，可以通過MPI網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無擾動(dòng)切換，將當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)寫入備用單元中。在程序初始化時(shí)，系統(tǒng)可以判斷出自己是否在線主控單元，然后調(diào)出公共信息區(qū)的數(shù)據(jù)并傳給系統(tǒng)，然后經(jīng)過掃描又可以把控制過程的狀態(tài)信號(hào)寫入公共信息區(qū)，經(jīng)過這樣的過程，二者可以動(dòng)態(tài)完成信息交換。

3.3 FMS

即現(xiàn)場(chǎng)總線信息規(guī)范，是一種服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)通信功能的協(xié)議，在完成中等傳輸速度進(jìn)行的循環(huán)和非循環(huán)的通信任務(wù)中起到重要作用。CPU可以記錄現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，與負(fù)責(zé)無線通訊的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的就是FMS。

3.4 FDL

即數(shù)據(jù)鏈路層，由于網(wǎng)速的原因，MPI往往是在數(shù)據(jù)量不大、通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大時(shí)才采用，所以可以用FDL來完成該系統(tǒng)的冗余連接，它的通信速率極高，可以達(dá)到1.5 Mbaud，只不過網(wǎng)絡(luò)接口是在CP443-1的接口模塊上，所以導(dǎo)致系統(tǒng)必須增加接口模塊，費(fèi)用昂貴，可靠性較差。

3.5 S7網(wǎng)絡(luò)

這是一種連接操作主機(jī)與主控CPU的協(xié)議，使兩臺(tái)操作主機(jī)訪問主控CPU實(shí)際上是在同一條物理線路上完成的，適用性強(qiáng)，擴(kuò)展了通用性，為用戶安裝帶來了較大便利。

4 討論

水與人類的生活息息相關(guān)。我國(guó)目前淡水資源的數(shù)量不斷減少，而且污染現(xiàn)象的發(fā)生較為嚴(yán)重。城市居民生活污水的排放是現(xiàn)階段江河湖泊水域污染的重要原因，是目前制約城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)非常主要原因之一。我國(guó)生活用水系統(tǒng)水資源利用的問題突出。污染嚴(yán)重、耗水量高、重復(fù)利用率低等是引起世界各國(guó)越來越重視水的再利用以及水處理問題，當(dāng)務(wù)之急是通過各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步提高供水質(zhì)量，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，自動(dòng)化系統(tǒng)在污水處理中也逐漸發(fā)揮出了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，在處理廠自動(dòng)化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)行全自動(dòng)化控制管理，不僅具有系統(tǒng)操作與維護(hù)的方便性，也可以優(yōu)化處理效果并節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。西門子自動(dòng)化產(chǎn)品得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在污水處理行業(yè)中更是得到廣泛應(yīng)用[19-21]，包括現(xiàn)場(chǎng)總線、可編程邏輯控制器（PLC）、低壓產(chǎn)品和組態(tài)軟件等。PLC的基本結(jié)構(gòu)與微型計(jì)算機(jī)類似，包括：（1）中央處理單元（CPU），它是PLC的控制中樞，可以診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤，檢查存儲(chǔ)器和電源等的狀態(tài)；（2）電源，它可以支撐PLC系統(tǒng)正常工作；（3）輸入輸出接口電路，不同電路具有不同功能，可以通過現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路來向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)或者起到連接PLC與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的作用；（4）存儲(chǔ)器，可以用來存放應(yīng)用軟件及系統(tǒng)軟件；（5）功能模塊，可以起到定位、計(jì)數(shù)等功能；（6）通信模塊。PLC具有很多優(yōu)點(diǎn)：程序編制簡(jiǎn)單，指令編制程序形象直觀，易于理解；可靠性高，體積小，控制系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，軟件包齊全，有較強(qiáng)的負(fù)載能力；可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，并且能夠進(jìn)行故障檢測(cè)及自診斷程序；易于操作及維護(hù)，自診能力強(qiáng)，可以將故障顯示給操作人員；設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短，調(diào)試快速方便，大大縮短了設(shè)計(jì)周期和投運(yùn)周期，節(jié)省成本。其功能包括數(shù)據(jù)處理、通訊、開關(guān)量控制、模擬量處理、計(jì)數(shù)控制、限時(shí)控制、步進(jìn)控制以及聯(lián)網(wǎng)等。由于組態(tài)軟件實(shí)時(shí)多任務(wù)、運(yùn)行可靠、使用靈活、接口開放、功能多樣，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，所以運(yùn)用工控組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)成為了工業(yè)發(fā)展中的必然趨勢(shì)。該項(xiàng)目從控制網(wǎng)絡(luò)的選擇，到監(jiān)控系統(tǒng)的建立，提出的解決方案都較快且較經(jīng)濟(jì)，研究涉及到自動(dòng)控制、環(huán)境工程、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和儀器儀表等多學(xué)科?？傊?，采用德國(guó)SIEMENS公司的S7-400系列的PLC，可以提高黃金尾礦污水處理工程的自動(dòng)化水平，提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定出水質(zhì)量，帶來良好的社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。

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