应用于控制系统在污水处理中的S7-400 PLC设计

长期以来，在我国城市建设快速发展的过程中，由于对环境保护基础设施建设重视不够、投入不足，污水直接排入城市水系及相关流域，造成江河湖泊水质和地下水污染，城市水环境污染问题日益突出，污水净化就成为改善城镇居民生活环境、提高人民健康水平的主要手段之一。为保证污水处理工艺可靠、顺利实施，自动控制系统的设计及控制技术的运用要以可靠性为基础，综合考虑控制技术先进性、可扩展性，同时兼顾降低系统造价。

在污水处理控制系统中，除了存在分布区域广、设备分散、控制点多及控制信息复杂等要求外，同时具有控制输入和输出以开关量参数居多，模拟量参数少的特点，而这些都是PLC控制系统的优势所在，因此，以PLC为主体就成为污水处理厂自动控制系统的主要控制模式。本文将以某市的污水处理厂为例，简要介绍S7-400 PLC在污水处理控制系统中的应用。

1 系统工艺介绍

某市污水处理厂是省重点工程，近期污水水量为30万立方米/天，高峰污水量16250立方米/小时，远期污水水量为40万立方米/天，采用具有脱氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工艺法，污水经二级处理后排入附近河流进行灌溉，污泥采用机械浓缩脱水后外运。同时该工程还预留了污泥消化处理工段，所以对系统的扩展性、开放性及该系统的可持续性，具有相当高的要求。系统工艺流程见图1。

2 控制系统组成

污水处理采用分布式计算机监控管理方式，由中央控制室的上位计算机管理控制系统、厂区三个现场控制站组成。中央控制室和厂区三个现场控制站之间以一个冗余的100Mbps光纤工业以太网组成一个有线数据通信网络系统。各个现场控制站可以独立运行，在现场进行工艺检测参数、设备运行工况信号的采集、检测和控制，并通过该站的人机界面对设备运行操作，同时通过ProfiBus总线向中央控制室进行实时传送，以备工作人员监视;中控室的操作人员通过ProfiBus将必要的控制参数下传到各个现场控制单元，以调整控制和工艺参数。同时，为备现场操作，每个现场监控单元均有手动/自动按钮，可实现现场和远控操作，从而提高了整个系统的可靠性、安全性以及运行的经济性。另外，污水控制系统还通过Ethernet经厂数据交换机与厂管理网进行互联，实现企业管控一体化。系统组成结构见图2。





现场控制站采用西门子S7 400 PLC，CPU采用416-3DP CPU，配有开关量输入DI模块、开关量输出DO模块、模拟量AI模块和通讯模块，并采用STEP7
5.1软件对PLC各个模块的参数进行组态。现场控制站在与设备自带的PLC通讯时，采用ProfiBus-FMS的方式［2］，包括现场自动化单元、集控单元和现场总线通讯三个部分，现场总线物理层采用EIA-RS-485协议，通信板卡采用CP5611，用于主站和从站之间通讯。CP5611的传输速率从9.6k bit/s 到12M bit/s，每个字符为11个位。在CP5611通信软卡安装时，与Softnet-DP软件配套使用;10KV及各变电所的相关信号，通过智能继电保护装置及智能空气断路器、用PROFIBUS-DP的通讯方式与现场控制站交换数据，每个间隔保护及测量装置均作为现场控制站的从站。

中央控制室的上位计算机采用工业计算机，并用大型电子投影仪作为电子屏，操作系统选用Windows2000 Professional，并配用WinCC组态软件。该工控组态软件是一个集成的HMI系统和监控管理系统，具有画面显示、趋势曲线、报警处理、报表处理、数据管理、网上浏览等功能。其特性之一是全面开放，各系统集成商可用WinCC 作为其系统扩展的基础，通过开放接口开发自己的应用软件。本系统将WinCC 与STEP7 配合使用。因为在STEP7 中定义的变量可以在WinCC中直接使用，从而节省了工程开发时间。另外，WinCC中的C语言脚本及提供的与数据库之间的接口更增加了其应用功能，可满足用户的复杂要求。

3 主要控制功能

污水处理控制系统主要有6个子系统组成［4］：粗细格栅程控系统、水泵程控系统、生物反应池空气量调节系统、回流污泥量调节系统、泥温调节系统、清化调节系统。

3.1 粗细格栅程控系统

粗细格栅均采用液位差控制，在粗细格栅前后装有超声波液位探头，由变送器将0～10V的液位差信号送到PLC模拟量输入模块，当液位差超过设定值时，PLC强制启动格栅进行清渣，否则按预定周期清渣。为保证控制可靠运行，需定期对超声波液位计进行维护和校正。格栅程控系统根据格栅前后的水位差，自动控制栅耙，按预定周期运行，以保证格栅正常工作，格栅调节有现场控制（手动）和远程控制（自动）两种模式。

3.2 水泵程控系统

水泵程控系统按水泵池的液位经过MicroMaster通用变频器，并采用数字增量式PID方式控制水泵的转数和流量。每台泵房均有主运行泵、备用泵，以备不测。对每个泵的控制，同样有现场控制和远程控制两种模式。

3.3 生物反应池空气量调节系统

生物反应池是污水进行生化反应的场所，主要通过转刷控制污水的曝气时间。生物反应池中设有转刷，并在出水口设有溶解氧仪、氧化还原电位计和污泥浓度计、SIPAN32液体分析仪。溶解氧仪和氧化还原电位计输入信号连接在PLC不同的输入模块上，以免由于模块损坏造成控制失调。曝气空气量的调整，采用控制鼓风机导叶片的方式，即通过改变鼓风机导叶片的角度来改变空气量，从而保证溶解氧的需求量。

3.4 回流污泥量调节系统

回流污泥量的调节是为了将氧化沟中的悬浮污泥浓度控制在规定的范围内，其调节采用数字式增量PID控制方式，按进入氧化沟的水量控制回流污泥泵的开启台数和回流污泥管道上阀门的角度，以保证回流污泥管道上阀门的合适比例，所有泵的调节均由变频器控制。

3.5 泥温调节系统

其任务是为了控制污泥沟中的泥温在允许范围内，以保证其在35℃内充分发酵。泥温调节采用热平衡控制方式，即改变换热器的热水温度或流量来改变换热量，以实现污泥温度的调节。对每个泵的控制，也都有现场控制和远程控制两种模式。

3.6 清化调节系统

清化调节系统由沼气搅拌程控系统、消化池配泥程控系统、滤池程控系统等组成，主要完成水质的清化过程，满足环保要求。若以上各现场控制单元PLC任何一台出现故障，现场报警信号立即通过网络反馈到中控监视室，并在监视屏上显示故障位置，同时声光报警，操作人员便可根据实际情况进行操作，排除故障或自动启动备用泵。

4 控制程序设计

系统有四种控制方式：本地手动控制、单台设备点动控制、成组设备自动控制、全厂设备全自动控制。前三种方式一般只在设备调试或维修时使用，正常状况下系统主要以全自动控制方式运行，在这种方式下，所有各类设备都由PLC按照预先编制的程序自动控制，不需要操作人员干预，各种现场数据通过PLC传至中控室的上位机，中控室可监视各现场站的全部运行信息，并可控制现场设备的启动和停止。生物反应池中的生物处理部分是整个污水处理的关键部分，限于篇幅，仅介绍生物反应池空气量调节系统的程序设计。

反应池空气量调节系统用来控制从污水进入反应池到处理后的污水流出反应池的整个过程，在这个过程中，包括控制各种阀、泵、风机的顺序及定时开关和风机的转速调节等。污水在池中是通过微生物的生物氧化作用来去除有机物的，水中氧的含量对污水的处理效果是至关重要的，根据工艺要求，曝气池内的溶解氧含量通常控制在1～3mg/L范围内，在曝气阶段未溶解氧含量应不超过2mg/L，含氧量过低或过高，均会影响出水质量，每隔5min检测一次曝气池内的溶解氧值，根据溶解氧的平均值来控制风机转速，若溶解氧低于设定下限时，调频风机转速增加5%，若溶解氧高于设定上限时，调频风机转速降低5%， 这样就实现了反应池供氧量的自动调节，既避免了不必要的能源损失，又优化了运行工艺。反应池溶解氧控制程序流程图如图3 所示：



根据上述控制过程要求，应用程序主要由5个程序模块组成：

（1）公用程序模块（OB1），包括初始化部分、反应周期设定、工艺时间设定、溶解氧设定、调用条件设定等。

（2）开关量顺序控制模块（FC10），其功能包括协调控制各个阀、泵、风机等设备的运行及相关故障的报警，池的进气阀、进水阀、出水阀、回流泵、剩余污泥泵的控制。

（3）断电保护模块（FC16），功能是系统断电后，将所有状态锁存，待加电后使PLC恢复所保持的状态继续运行。

（4）通信模块（FC20），用来完成PLC与上位机的各种数据传送。

（5）溶解氧值自动调节模块（FC5），主要功能是根据溶解氧值来调节风机转速以及相关故障的报警。

系统采用了ProfiBus-FMS总线技术，将Simatic S7-400 PLC、变频器MicroMaster和工控机等主要控制设备有机结合，具有组网简单、运行速度快、通信稳定性强等特点，通过与变频调速技术在污水处理系统中的配合使用，提高了整个污水处理系统的自动化水平。

相关文章

基于S7-300 PLC 的串口无线通讯在火电厂污水处理中的应用

神奇的太阳能书包 六小时污水变饮用水

一种基于动态目标跟踪技术和PLC Bus的智能照明控制系统