基于ＰＲＯＦＩＢＵＳ總線的工業(yè)污水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對A2O的污水處理工藝開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線的污水處理自控系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)分為三個部分：電氣部分、PLC程序編制、監(jiān)控軟件WinCC設(shè)計(jì)。介紹了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備的選型、PLC的模塊選擇、硬件的組態(tài)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：污水處理；S7-300 PLC；PROFIBUS；WINCC

1引言

隨著我國工業(yè)近年來的飛速發(fā)展，各種工業(yè)污染源在嚴(yán)重地影響著人們地生存環(huán)境，尤其是工業(yè)污水使不少地區(qū)水環(huán)境惡化，因而環(huán)境保護(hù)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中顯得越來越重要。工業(yè)污水由于成分復(fù)雜，有害污染物多，處理難度大，一直是企業(yè)發(fā)展壯大的瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)污水處理的過程能在惡劣的環(huán)境中（溫差大，污水水質(zhì)水量變化大，電網(wǎng)電壓波動大，電氣干擾嚴(yán)重）能夠連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地工作，對控制系統(tǒng)的要求有著比一般的過程控制系統(tǒng)更高的要求。

污水控制量主要有：進(jìn)水流量、PH值、溶解氧（簡稱DO）、二沉池污泥高度、F/M（food/microorganism)控制等。

2本工程污水處理工藝流程概述

事故調(diào)節(jié)系統(tǒng)由事故池、攪拌機(jī)、提升泵等組成。污水來源主要由事故排放的廢水組成。通過調(diào)節(jié)池對水質(zhì)水量的均衡調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)出流，并將水質(zhì)的沖擊負(fù)荷減至最低；調(diào)節(jié)池內(nèi)采用攪拌裝置進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的混合均勻并防止固體顆粒沉淀。綜合廢水預(yù)處理系統(tǒng)。綜合廢水預(yù)處理系統(tǒng)由預(yù)沉池、綜合廢水調(diào)節(jié)池、攪拌機(jī)、綜合廢水提升泵、流量計(jì)、PH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。在上面的流程中，還有加混凝劑和暴氣等裝置以及污泥的處置單元來收集各個沉淀池的污泥。

在本項(xiàng)目中對化學(xué)需氧量COD的控制主要通過污水在UASB單元和A2/O單元的停留時間，以及暴氣時間和暴氣量的大小來控制。

3污水處理廠控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1工程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS控制系統(tǒng)）。整個污水處理站控制部分由中央控制室、風(fēng)機(jī)房、污泥處理房構(gòu)成。中央控制室里面設(shè)置中央控制的PLC和裝有WINCC組態(tài)軟件的上位機(jī)以及電氣控制柜。風(fēng)機(jī)房里面設(shè)置一個遠(yuǎn)程I/O控制站和風(fēng)機(jī)部分的電氣柜。污泥房設(shè)置一個遠(yuǎn)程I/O控制站和污泥機(jī)的電氣控制柜。

系統(tǒng)采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合型結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場層的通信采用PROFIBUS-DP主/從協(xié)議，使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，不同的子網(wǎng)和不同介質(zhì)之間可通過藕合器或接口模塊連接。過程監(jiān)控層使用以太網(wǎng)協(xié)議，通過帶有雙網(wǎng)卡的PLC進(jìn)行通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，一塊網(wǎng)卡為PROFIBUS-DP網(wǎng)卡（自帶），另一塊為以太網(wǎng)卡（CP343-1）。因此，PLC作為現(xiàn)場總線中的一個站，又作為以太網(wǎng)上的一個站點(diǎn)，而操作員站計(jì)算機(jī)和工程師站計(jì)算機(jī)不作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)。只作為以太網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，此網(wǎng)上的各站點(diǎn)相互之間的數(shù)據(jù)交換通過以太網(wǎng)進(jìn)行，而現(xiàn)場的信息也通過以太網(wǎng)從PLC的寄存器中讀取，控制現(xiàn)場的參數(shù)也由以太網(wǎng)送到DP主站PLC的寄存器中，再通過主/從協(xié)議傳送到現(xiàn)場總線中的各從站。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖2

PLC選用西門子公司SIMATIC S7-300的可編程序控制器進(jìn)行程序控制。CPU選用帶有PROFIBUS-DP接口的CPU315-2DP，配有ET200的遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)。由于這個污水站中央控制室與風(fēng)機(jī)房和污泥機(jī)房都沒有超過200米，所以當(dāng)選擇傳輸速率為1.5Mbit/s的情況下，無需選擇RS485中繼器即可直接用PROFIBUS電纜把他們連接起來。

3.2功能模塊的選擇

根據(jù)工藝的需要和控制要求，本系統(tǒng)需要數(shù)字輸入量196點(diǎn)，數(shù)字輸出量56點(diǎn)，模擬輸入點(diǎn)27點(diǎn)?？紤]到系統(tǒng)的余量，選用西門子的SM321的32點(diǎn)DI32數(shù)字量輸入模塊6塊，SM321的16點(diǎn)數(shù)字量DI16輸入模塊1塊；選用SM322的D032數(shù)字輸出量模塊1塊，SM322的DI16數(shù)字量輸出模塊2塊；SM331的8點(diǎn)AI8的12位模擬量輸入模塊4塊；SM332的2點(diǎn)AO2的12位模擬量輸出模塊1塊；ET200遠(yuǎn)程輸入輸出通訊模塊兩塊。

數(shù)字輸入模塊SM321向外提供電源，將位于現(xiàn)場的開關(guān)觸點(diǎn)的狀態(tài)經(jīng)過光電隔離和濾波，將從過程傳輸來的外部數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為內(nèi)部S7-300信號電平。然后送至輸入緩沖器等待CPU采樣，采樣過程是信號經(jīng)過背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。西門子的ET200是基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的分布式I/O，可以與經(jīng)過認(rèn)證的非西門子公司生產(chǎn)PROFIBUS-DP主站協(xié)同運(yùn)行。

3.3現(xiàn)場儀表選型

選用了3臺梅特勒的在線溶解氧儀。對好氧池的溶解氧進(jìn)行在線測量，將溶氧儀的模擬信號輸入到PLC，在上位機(jī)上顯示。

選用了3臺梅特勒的在線PH計(jì)。對UASB進(jìn)水PH進(jìn)行在線監(jiān)控，將PH計(jì)的模擬信號輸入到PLC，再由PLC來控制酸、堿計(jì)量泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，動態(tài)地調(diào)整廢水的PH值，直至達(dá)到工藝的要求。對UASB出水的PH進(jìn)行在線顯示。

選用了9臺日本橫河公司產(chǎn)的電磁流量計(jì)。UASB進(jìn)水及回水管路、A2/O內(nèi)外回流管路選用了8臺電磁流量計(jì)、在總出水口選用了1臺超聲波流量計(jì)，用于檢測污水的流量。在PC監(jiān)控機(jī)上，可分析顯示其瞬時流量。

選用了一只上海儀表廠的熱電阻。對UASB進(jìn)水的溫度進(jìn)行在線測量，將熱電阻的模擬信號輸入到PLC，再由PLC來控制蒸氣調(diào)節(jié)閥的開啟度，動態(tài)調(diào)整廢水的溫度，直至達(dá)到工藝要求。

選用3套在線液位計(jì)檢測事故池、綜合廢水調(diào)節(jié)池、污泥貯池的液位，控制水泵的啟停

3.4電氣部分設(shè)計(jì)

由于污水處理工程是一個連續(xù)的非常重要的項(xiàng)目，如果在正常生產(chǎn)中有電源中斷，那樣會引起工藝狀態(tài)混亂。需要很長時間才能恢復(fù)，所以供電負(fù)荷要求為二級。供電電源為兩個，這個在公司的總的配電室實(shí)現(xiàn)。

本工程的的主要用電負(fù)荷為鼓風(fēng)機(jī)、提升泵和污泥脫水機(jī)等。根據(jù)工藝要求，污水站的一期裝機(jī)總?cè)萘繛?45.5KW，計(jì)算容量為154.4KW。供電電源由甲方工廠的總配電室引出用兩根直埋電纜雙拼，埋地引至污水站內(nèi)的電源柜的總短路器的上端子。由于這個系統(tǒng)中有著PLC等各種精密的儀表，所以必須把中線N和地線PE嚴(yán)格分開。所以整個供電系統(tǒng)為三相五線接線方式（TN-S系統(tǒng)），在進(jìn)線處進(jìn)行重復(fù)接地。低壓集中無功補(bǔ)償在甲方的中心配電室進(jìn)行。

污水站電纜采用電纜橋架和穿鍍鋅鋼管的方式敷設(shè)。電力電纜選用VV-1KV和RVV電纜，控制電纜選用KVV-0.6KV，儀表電纜選用KVVP-0.6KV。

本工程控制系統(tǒng)設(shè)有3個控制中心（MCC）?？偟牡蛪号潆娭行腗CC1負(fù)責(zé)向MCC2和MCC3單路供電，MCC1還對提升泵、風(fēng)機(jī)等進(jìn)行控制。MCC2實(shí)現(xiàn)對電動閥的控制，MCC3實(shí)現(xiàn)對脫水機(jī)的控制。

電機(jī)實(shí)現(xiàn)手動/自動（PLC）兩種控制方式，手動方式下實(shí)現(xiàn)MCC和就地控制，正常運(yùn)行情況下PLC控制為主。當(dāng)電機(jī)容量大于15KW時采用軟啟動器啟動，本污水站的最大電機(jī)容量為風(fēng)機(jī)37KW，三臺都用變頻運(yùn)行。

3.5 S7-300PLC的硬件的組態(tài)

整個控制系統(tǒng)硬件組態(tài)包括一個作為控制系統(tǒng)核心的S7-300PLC站，一個作為主控操作站的PC機(jī)和一個作為公司監(jiān)控站的PC機(jī)。

控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)包括兩個網(wǎng)絡(luò)，一個是PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，由S7-300PLC和兩個遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)ET200M模塊構(gòu)成，另一個網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，由S7-300PLC、主控操作站和公司監(jiān)控站構(gòu)成。具體的組態(tài)情況如圖3

在主控操作站的PLC由兩個導(dǎo)軌，一塊上面安裝PS307 5A的電源模塊1塊，CPU315-2DP模塊1塊，IM360接口模塊一塊，CP 343-1以太網(wǎng)通信模塊1快，SM321的DI32*24V輸入模塊4塊，SM321的DI16*24V輸入模塊1塊，SM322的DO32*24輸出模塊1塊，另一塊導(dǎo)軌上面安裝有IM361接口模塊一塊，SM331的AI8*12Bit輸出模塊2塊，SM332的AO2*12Bit輸出模塊1塊。

風(fēng)機(jī)房的ET200M上安裝IM153-2接口模板一塊，SM321的DI32*24V輸入模塊1塊， SM322的DO16*24輸出模塊1塊。

污泥機(jī)房的ET200M上安裝IM153-2接口模板一塊，SM321的DI32*24V輸入模塊1塊， SM322的DO16*24輸出模塊1塊。

在整個的控制系統(tǒng)中，自動控制部分主要有調(diào)節(jié)池T201的PH、溫度、液位的自動控制；事故池的T101的液位控制；還有UASB部分T301、一級A2O處理池T304、二級A2O處理池T305等的一些流量控制。監(jiān)測參量部分有各個池的液位、溫度、PH值以及管道的流量值。下面以調(diào)節(jié)池的液位控制為例說明具體的程序設(shè)計(jì)過程。

由于本工藝的進(jìn)水部分有一個代號為T201的綜合調(diào)節(jié)池，它是廢水進(jìn)入生化反應(yīng)前的最重要的一道處理工序，在這個里面進(jìn)行溫度、PH調(diào)節(jié)以及水池的水位的調(diào)節(jié)。有事故池、沖洗廢水、透析廢水向綜合調(diào)節(jié)池排放。

為了使這個池的水位穩(wěn)定在一定的水位，而且也不浪費(fèi)能源的情況下，我們在這個調(diào)節(jié)池中設(shè)置了水位自動控制功能。當(dāng)調(diào)節(jié)池的水位通過西門子的超聲波液位儀L201采集標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的信號送到PLC的模擬量輸入模塊SM331，再在PLC內(nèi)部和通過上位機(jī)設(shè)定的液位值進(jìn)行比較，當(dāng)超過設(shè)定水位，P201A或者P201B必須有一臺泵啟動。

綜合調(diào)節(jié)池中有兩臺提升泵P201A和P201B，它門之間是互為備用，一般的互為備用是當(dāng)其中一臺泵發(fā)生故障的時候，另外一臺泵自動啟動。在前面的那種設(shè)計(jì)情況下，當(dāng)主備泵都出現(xiàn)故障的時候，那樣會出現(xiàn)兩臺泵來回切換的情況，這樣也使的接觸器也在一直的吸放的過程，這樣會損壞接觸器甚至使電氣的故障進(jìn)一步的加大。在這個項(xiàng)目中這個地方設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些改進(jìn)，如果在30秒內(nèi)，兩臺泵如果啟停動作超過2次，這個時候?qū)a(chǎn)生一個不同于普通的一臺提升泵故障的報(bào)警信號，這個時候必須在消除了這個報(bào)警信號后，水泵才能啟動。

在本工程調(diào)節(jié)池T201的PLC控制系統(tǒng)中，溫度控制部分的工作原理是：通過PT100的熱電阻TEMP201的溫度采集，使用的PID調(diào)節(jié)模塊，并通過模擬量輸出模塊來控制調(diào)節(jié)閥TF201開度來控制蒸汽流量的大小，從而達(dá)到控制溫度的作用。PH控制系統(tǒng)的工作原理是：通過梅特勒公司生產(chǎn)的PH在線檢測儀表PH201檢測PH值，在PLC中與設(shè)定值比較運(yùn)算出結(jié)果，通過開關(guān)閥P601控制從酸儲罐T601流出酸的管道通斷以及通過開關(guān)閥P602控制從堿儲罐T602流出堿的管道通斷，從而達(dá)到控制PH值的目的。其他部分的參數(shù)控制類似與上面的控制原理。

3.5上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

本工程是使用西門子公司的WINCC軟件開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。可以監(jiān)控所有控制保存各個現(xiàn)場實(shí)時參數(shù)。污水處理廠中使用的污水、污泥泵和各種風(fēng)機(jī)，使用用變頻調(diào)速器進(jìn)行鼓風(fēng)量的控制，這樣既能夠精確的控制各個池中的溶氧量，也能夠節(jié)省大量的電能。

本工程有各個單元處理階段的畫面，有事故池、調(diào)節(jié)池、UASB、A2O,沉淀池，污泥機(jī)等畫面，可以對各個環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行分別監(jiān)視操作。

4結(jié)語

本系統(tǒng)采用了以西門子自動化設(shè)備為基礎(chǔ)，采用了現(xiàn)代先進(jìn)的控制方法和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，投入生產(chǎn)后，減輕大量的勞動量，并且出水的水質(zhì)質(zhì)量和水質(zhì)的穩(wěn)定性比傳統(tǒng)控制方法有了很大的提高。并且實(shí)時采集了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為以后的對污水處理的工藝等研究提供了重要的資料。產(chǎn)生了很好的積極和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]張本法.工業(yè)污水處理過程控制與建模研究[D].江南大學(xué)，2004.3.

[2]商敏兒，杜樹新等.活性污泥法污水處理過程自動控制的研究現(xiàn)狀[j].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2002.3(1):p.83-87.

[3]張志廣，于京淪，楊軍.北京首都機(jī)場污水處理廠自動化控制系統(tǒng)[j].環(huán)境工程,2003.21(4):p.28-30.

[4]忻培強(qiáng)，萬由令等.用于污水處理的計(jì)算機(jī)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[j].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2003.24(4):p.26－29.

[5]卿曉霞，龍騰銳.以太網(wǎng)技術(shù)在說處理自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用[j].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2004.26(3):p.70-74.

[6]崔堅(jiān)，李佳著.西門子工業(yè)通信指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

（基金項(xiàng)目：本文受常州電大青年骨干教師基金資助）