基于S7-300PLC的污水處理控制系統設計

摘要:利用PLC技術的邏輯功能，結合A/O污水處理工藝要求，設計了一套污水處理控制系統。該監控系統由上位計算機、下位機PLC和現場儀器組成。下位機S7-300PLC作為數據采集及控制單元，利用各種檢測和控制設備對溶解氧量、液位、流量等檢測量進行數據采集;上位機通過FameView組態軟件和PLC站進行數據交換，從而實現集中監控。

關鍵詞:污水處理;PLC控制系統;FameView;S7-300PLC

中圖分類號:TP391

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)13-0336-01

1 控制系統概述

本控制系統采用A/O工藝(如圖1)，A(Anoxic)是缺氧段，用于脫氮;O(Oxic)是好氧段，用于除水中的有機物。本控制系統模擬量控制對象包括鼓風量控制、污泥回流量控制、進水量的控制;開關量控制對象主要包括閥門的開關、攪拌機、泵的起停;主要監測對象主要包括反應池污水中的PH值、氧化還原電位ORP值、溶解氧DO的濃度、溫度等14個值。

混合液中溶解氧(DO)濃度是A/O工藝中一個重要的控制參數，下面主要介紹溶解氧的控制方法:溶解氧的控制主要通過對鼓風量的控制來實現，通過溶氧儀對A/O池中溶解氧值進行檢測，將檢測到的信號送到PLC站中，PLC根據水中的DO值及相應的PID算法，輸出控制信號來控制調節閥門開度的大小，從而調整水中氧的含量。

2 系統結構的構成

該監控系統主要由上位計算機、下位機PLC和現場儀器組成。下位機選用西門子公司的S7-300系列PLC，上位機采用FameView作人機界面，通過CP5611以MPI協議與PLC進行數據通訊，完成數據采集、處理、監督及控制功能。系統構成如圖2所示。上位機的作用是提供一個人機交互界面，使操作人員可以通過FameView運行界面直觀的了解現場各工藝參數及故障報警，根據生產需要發出相應的控制指令。另外可以使用大容量存儲器記錄歷史數據，為提高生產效率制定新的生產方案提供可靠的依據。控制核心采用PLC，其特點是體積小、功能多、可靠性高。編程后的PLC能夠按照內部程序對系統進行實時監控，程序啟停現場設備。操作人員通過上位機向PLC發出相應的控制指令后，由PLC對現場進行直接控制。

3 系統的硬件組成與編程軟件的設計

3.1 系統硬件組成

系統硬件選型的原則，考慮如下:(1)性能與任務相適應;(2)處理速度與實時控制要求相適應;(3)編程和維修方便，同時便于系統的擴展和升級。主體硬件的選擇主要包括CPU的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊選擇。CPU模塊采用CPU314，數字量輸入(DI)采用SM321DI32×DC24V模塊，數字量輸出(DO)采用SM322DO16×DC24V/0.5A模塊，模擬量輸入(AI)采用SM331AI8×12Bit模塊，模擬量輸出(AO)采用SM332AO4×12Bit模塊。電源模塊選用了型號為PS307的額定電流10A電源，機架選擇型號為PS 307 5A。

3.2 編程軟件的設計

系統軟件設計主要包括:硬件組態和PLC軟件編程。硬件組態和PLC程序的編寫都是在STEP7 Version5.4 SP3軟件環境下完成的。

3.2.1 硬件組態

設計一個自動化控制系統時，需對程序進行硬件組態。硬件組態就是在S7軟件環境中從標準庫中選出硬件設計部分，如:導軌、CPU模塊、數字量與模擬量輸入輸出模塊等，將它組合到一起，組成一個PLC站。這時軟件會根據選擇自動地分配每個模塊的地址參數。

3.2.2 PLC軟件編程

STEP 7是西門子進行編程任務的平臺。STEP 7中集成三種基本編程語言:梯形圖(LAD)語言，語句表(STL)語言，功能塊圖(FBD)語言。本課題PLC編程語言采用的是梯形圖語言。程序控制策略以反應池水位的深度作為泵的起停、閥門開啟的標準，例如水位位于反應池高度(1/4-4/5)處，開啟進水閥門和進水泵，水位大于反應池高度4/5處時，停止進水泵電機。PLC的程序主要由塊組成，它們存放在Block目錄下，CPU中的程序就是具有特定功能和特定結構的塊。程序設計步驟如下:

(1)插入S7程序，OB塊在PLC站下，選定CPU314模塊，在CPU模塊下自動生成“S7 Porgarm”路徑。S7程序包括這些對象:Blocks(用戶程序)，Source Files(源文件)和Symbols(符號表)。在Blocks中插入OB塊。

(2)插入DB塊、FC塊、FB塊在Block中，選Insert→S7 Block→Function，插入一個FC塊;雙擊FC塊，用梯形圖語言編程，然后存盤。在Block中，選Insert→S7 Block→Data Block，插入一個DB塊。雙擊DB塊，定義數據名稱、類型，及編寫數據說明等，然后存盤。按照上述步驟，重復插入DB塊、FC塊、FB塊并編寫程序，各種塊之間的調用關系如圖3所示。

3.3 程序下載

硬件組態、軟件編制完成后，就可以下載程序，將CPU的選擇開關打到STOP或RUN狀態，點PLC→Download即可將硬件組態和編程下載到PLC中，這樣整個PLC程序設計工作完成。

4 上位監控系統的設計

上位監控系統采用64點的北京杰控FameView組態軟件，上位機主畫面顯示總體工藝流程圖，如圖4所示。通過主畫面的各按鍵進入不同的分畫面，分畫面主要包括用戶管理、反應池控制設置、報表查詢、報警查詢、歷史數據查詢、歷史曲線圖六個部分。此外整個監控系統的所有開關量和模擬量都在各個畫面中體現出來。

5 結論

本文結合實驗室的A/O脫氮工藝，建立了一套污水處理自動控制系統，取得如下進展:

(1)根據污水處理控制系統設計方案編寫完成了下位機的STEP 7程序，通過S7-PLCSIM調試程序，實現了用西門子PLC對現場設備的自動控制和數據采集功能。

(2)根據控制要求用FameView組態軟件設計了上位機監控界面，實現了對曝氣池各種機器運轉狀態的可視化監控功能和調整功能，實現了對現場異常情況的報警功能。

由于污水處理過程的復雜性，PID控制算法在污水處理過程中的控制效果不太令人滿意。期望今后的研究應建立在一定復雜度模型的基礎上，進一步完善控制系統。