基于S7－400 PLC的污水處理控制系統

祁生珠

（青海鹽湖海納化工有限公司，青海西寧810000）

基于S7－400 PLC的污水處理控制系統

祁生珠

（青海鹽湖海納化工有限公司，青海西寧810000）

摘要：以某污水處理控制系統為例，討論了S7－400 PLC在污水處理領域的應用，分別對系統硬件選型、網絡結構及監控界面組態進行了說明。該系統由于自動化程度高，節約了污水處理成本，提高了污水處理效率。關鍵詞：AB法PLC工業以太網Profibus－DP

1　引言

隨著人們環保意識的日益提高，國家對企業廢水排放標準也日趨嚴格，污水處理越來越受到企業的重視。污水的循環利用是節約用水的有效途徑，既是保護環境的好辦法，又是減少生產成本的重要舉措。本文以某污水處理工程為例來說明基于S7－400 PLC的自動控制系統在污水處理工程中的應用，為PLC在污水處理工程中的使用提供一個實例。

2　工藝簡介

AB工藝由德國亞琛工業大學賓克（Bohnke）教授于20世紀70年代中期開創，80年代初應用于實踐。目前，國內已有多家城市污水處理廠采用了AB法工藝。與傳統活性污泥法相比，AB法主要有下列特征：①未設初沉池，由吸附池和中間沉淀池組成的A段為一級處理系統；②B段由曝氣池和二次沉淀池組成；③A、B兩段各自擁有獨立的污泥回流系統，兩段完全分開，各自具有獨特的微生物群體，有利于功能的穩定［1］，工藝流程如圖1所示。

3　自控系統結構

3.1硬件選擇

本控制系統采用S7－400系列PLC產品，主控制站CPU采用S7－400中的414H，S7－400的主要有極高的處理速度、強大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量等特色。Simatic S7－400是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。模塊化及無風扇的設計、堅固耐用、容易擴展和廣泛的通訊能力、容易實現的分布式結構以及用戶友好的操作使Simatic S7－400成為中、高檔性能控制領域中首選的理想解決方案［2］。

遠程站采用ET200系列通訊模塊，I／O模塊采用S7－300系列產品。典型應用包括：控制連網與互鎖、數據采集、程序上傳／下載、遠程在線編程、操作員接口之間的連接以及主機數據采集等。

圖1　AB法典型工藝流程

圖2　網絡結構圖

3.2網絡結構

整個控制系統為三層結構、二級網絡。系統網絡結構如圖2所示。

三層結構包括就地控制層、現場控制層、中心控制層。其中，就地控制層由設置在各單體電控設備內的就地控制模塊和部分工藝機組自帶的控制器組成；現場控制層由污水泵房分控站、鼓風機房分控站、污泥脫水機房分控站和加氯加藥間分控站組成；中心控制層由設置在中控制室內的3套中央監控計算機、投影儀及打印機等外設組成。

二級網絡包括管理信息網和實時控制網。其中，管理信息網采用工業以太網的形式，用來實現現場控制單元的PLC系統與上位機之間的數據采集、監視及管理；實時控制網是現場控制單元與中心控制單元之間的通訊與數據傳輸，傳輸介質為光纜，實時控制網網絡采用Profibus－DP形式，用來實現現場控制單元與就地控制單元之間的通訊和數據傳輸。

3.3控制方式

系統采用3種控制模式，即就地設備機旁控制、控制柜遠程控制和PLC控制站上位機控制。其中，PLC控制站上位機控制又分為集中手動控制和集中自動控制。就地設備控制箱操作具有最高優先權，控制柜遠程控制次之，最后為PLC控制站上位機控制。

3.3.1機旁控制

在各設備現場控制盤上設有轉換開關，將其轉換至“本地”控制位置，在手動方式下，裝置的各個設備由現場機旁操作箱上的操作按鈕分別控制；PLC不參與控制，此時設備運行無任何連鎖條件，一般用于試車、單機維修保養。

3.3.2控制柜遠程控制

本裝置設計為獨立控制，帶有一整套完整的工藝控制系統，采用先進、可靠的現場儀表，將主要工藝參數、設備運行參數、運行狀態等數據采集、變送至PLC控制站，在分控站控制柜上安裝有觸摸屏，當就地控制盤上的轉換開關轉換至“遠程”控制位時，可通過PLC控制站觸摸屏對設備操作進行自動控制。

3.3.3集中手動控制

在計算機上設有“自動及手動”轉換。“手動”有效時，可通過計算機單獨啟停各個設備，用于輔助操作及處理特殊情況。“自動“方式下，裝置由PLC控制站的控制程序控制設備的自動運行；通過上位監控系統，可以修改工藝控制參數（限于有操作權限的人員）或進行設備主要工藝參數、設備運行參數的遠程控制和操作。

3.3.4集中自動控制

系統將工程師站及操作員站集成在一套工控機上，控制系統PLC采用S7－400系列產品、監控組態軟件采用Wincc上位組態軟件，運行人員通過位于控制室內的上位機即可對現場設備進行監控，實現較高自動控制功能。當“自動”有效時，PLC控制站將現場的格柵、泵類、鼓風機、電磁閥等開關信號，以及曝氣池溶解氧濃度等工藝參數、運行參數、運行狀態等數據，通過Profibus－DP總線傳送至位于控制室內上位監控（工控）機上，經PLC在上位機監控系統上顯示工藝流程、工藝參數、設備狀態，并可對設備進行遠程操控，對工藝參數進行設置，可以記錄運行參數、運行狀態、報警、歷史數據等，并打印報表；同時控制系統采集裝置中各設備的運行／停止狀態和故障信號。當設備故障時，觸發上位監控的聲光報警，生成報警信息。

4　監控界面組態

上位機為3臺工業控制計算機，3臺監控計算機互為備用，設在中央控制室。它們均可各自獨立完成整個工藝過程的監控。任何一臺均可擔負全部監控工作。中央控制室上位機可顯示整個廠區的模擬畫面，監控生產作業過程，包括顯示控制過程畫面和實時數據，顯示系統總體框圖；繪制重要參數的變化趨勢圖；顯示設備的工作狀態；以及歷史數據的統計分析和存儲，為系統運行提供決策參考。現場控制站上位機除具有以上功能外，還可對污水處理廠數據采集及控制自動化系統的控制參數進行設置；完成數據采集及控制自動化系統的組態；進行在線、離線編程及設定參數的修改。

監控軟件為基于Windows操作系統的開放型、全圖形化人機操作界面，具有組態方便、操作簡單的特點。監控軟件的基本功能包括數據采集和數據管理，完成過程監視（工藝狀況顯示）；以及監視控制、報警、報表、數據存儲歸檔。通過該監控軟件能實現下列功能。

控制操作：在中心控制室內對全系統被控設備進行在線實時在線控制。

顯示功能：用圖形實時地顯示各分控站被控設備的運行工況；動態顯示水處理工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看多級詳圖；動態顯示各種模擬信號、數字信號、各類累加信號等的數值和范圍清單。

數據管理：能建立生產數據庫、操作信息庫、故障信息庫。

數據處理：利用實時數據和歷史數據，計算主要生產指標，并進行成本分析。

報警功能：當某一測量值超出給定范圍時，可根據不同的需要發出不同等級的報警。如輸入到報警表、屏幕顯示報警信息、打印機輸出報警信息、聲光報警，并可依據報警信息顯示相應的動態畫面。

報表功能：可自動生成即時報表、日報表、月報表、年報表。

安全功能：按不同操作級別分級加密，并記錄操作人員信息及操作信息。

打印功能：可以實現報表和圖形打印以及各種事件和報警實時打印。

5　結束語

本控制系統通過基于工業以太網的上位機和基于Profibus總線的S7－400 PLC對工藝流程及生產運行情況進行監控和管理，同時以太網和Profibus總線采用冗余結構降低了設備故障對生產運行的影響，從而保證了生產的正常高效運轉，獲得了良好的社會效益和經濟效益。

參考文獻：

［1］劉曉強、李亞新.AB法污水處理工藝［J］.科技情報開發與經濟，2005（16）.

［2］廖常初.S7－300／400 PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2005.

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0058—03

作者簡介：

祁生珠（1978－），男，助理工程師，研究方向為電氣及自動化設備的維護保養。就職于青海鹽湖納化工有限公司。

收稿日期：2015－07－14

Sewage treatment control system based on Siemens S7－400 PLC

QI Sheng－zhu
（Qinghai Salt Lake Haina Chemical Co.，Ltd.，Xining 810000，China）

Abstract：The application of sewage treatment control system based on Siemens S7－400 PLC is presented by example.The hardware selection，the network structure and the monitoring interface configuration of the system are discussed respectively.The system has high automation degree，and can save the cost and improve the processing efficiency of the sewage treatment.

Key words：AB method；PLC；industrial Ethernet；Profibus－DP