基于SIEMENS S7-200 PLC及HMI的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

王曉瑜

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077）

隨著我國(guó)綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)，工業(yè)迅速發(fā)展而產(chǎn)生的廢水污染物隨之劇增，我國(guó)的污水處理技術(shù)也不斷提高。常見(jiàn)的有三類(lèi)方法：物理處理法，化學(xué)處理法，生物處理法，由于污水中各種成分的復(fù)雜性，常常將這三種方法結(jié)合使用，處理程度有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)。在城市污水中常常挾帶大量的呈懸浮狀態(tài)的固體污染物和漂浮物，而第一種方法主要用來(lái)做一級(jí)處理，格柵機(jī)、沉砂池、沉淀池為主要構(gòu)筑物。第三種方法則用在二級(jí)處理系統(tǒng)，即利用微生物的呼吸作用降解掉污水中的可降解有機(jī)物，也稱(chēng)序批式活性污泥法（SBR），在同一反應(yīng)器中完成進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置共5個(gè)工序。污水二級(jí)處理系統(tǒng)主要由集水池、SBR池、儲(chǔ)泥池和儲(chǔ)水池四部分構(gòu)筑物部分組成，相應(yīng)的設(shè)備主要有水泵、潷水器、曝氣機(jī)等。本文采用西門(mén)子S7-200 PLC作為污水處理系統(tǒng)的主控器，西門(mén)子人機(jī)界面HMI SMART 700 IE V3作為上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合編程軟件STEP 7 MicroWIN SP9，組態(tài)軟件WinCC flexible SMART V3，共同實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。結(jié)果表明，該方法可有效實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，達(dá)到污水處理運(yùn)行狀態(tài)可視化和控制智能化的目的，降低了設(shè)備故障率，系統(tǒng)運(yùn)行可靠、易于操作、穩(wěn)定性高[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

二級(jí)污水處理系統(tǒng)主要由機(jī)械部分 （格柵機(jī)、除砂機(jī)、刮泥機(jī)、排泥機(jī)、攪拌機(jī)、曝氣機(jī)、和潷水器等設(shè)備）及電氣監(jiān)控系統(tǒng)（PLC的邏輯控制部分和人機(jī)界面 HMI）組成[2-5]。

下位機(jī)在SIEMENS S7-200 PLC上完成以上機(jī)械設(shè)備的邏輯控制功能。PLC根據(jù)相應(yīng)邏輯控制要求，給不同設(shè)備發(fā)出運(yùn)行信號(hào)，如PLC控制刮泥車(chē)在沉淀池池面循環(huán)往復(fù)移動(dòng)，將污泥刮至排泥斗，當(dāng)污泥積累到量啟動(dòng)排泥泵進(jìn)行排泥，當(dāng)沉淀區(qū)的污水溢過(guò)潷水器堰口，流入出水槽，污水一級(jí)處理工序結(jié)束，進(jìn)入二級(jí)處理系統(tǒng)。同時(shí)上位機(jī)HMI在WinCC flexible SMART V3組態(tài)環(huán)境下建立工控對(duì)象及腳本程序，構(gòu)建動(dòng)畫(huà)，通過(guò)程序畫(huà)面賦值，可以實(shí)時(shí)在面板中反映各個(gè)控制點(diǎn)的輸出狀態(tài)，以此來(lái)達(dá)到監(jiān)視目的：如SBR池和集水池的各自高/低液位信號(hào)、刮泥機(jī)左/右限位信號(hào)；格柵機(jī)、除砂機(jī)、刮泥機(jī)、排泥機(jī)、攪拌機(jī)、曝氣機(jī)和潷水器的運(yùn)行等，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控。

電梯監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括供電電源、西門(mén)子上位機(jī)觸屏HMI SMART 700 IE V3、下位機(jī)S7-200 PLC等；系統(tǒng)軟件主要包括STEP 7 MicroWIN SP9軟件編寫(xiě)的PLC控制程序WinCC flexible SMART V3組態(tài)監(jiān)控程序、上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信程序等。電梯監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示[2-5]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)PLC的選擇與設(shè)計(jì)

根據(jù)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)需求，考慮控制點(diǎn)數(shù)及經(jīng)濟(jì)性因素，本系統(tǒng)21點(diǎn)DI/15點(diǎn)DO。控制器選用SIEMENS CPU226CN AC/DC/RLY PLC，系統(tǒng) I/O變量見(jiàn)表1～表2[5]。

圖1 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖Fig.1 Overall design diagram of the sewage treatment monitoring system

表1 輸入變量表Tab.1 Input variable table

表2 輸出變量表Tab.2 Output variable table

2.2 PLC端子接線(xiàn)圖設(shè)計(jì)

結(jié)合PLC的I/O變量表，與被控的I/O設(shè)備相連，繪制PLC端子接線(xiàn)圖，見(jiàn)圖2，其中刮泥機(jī)左行與右行繼電器V3/V4，兩個(gè)潷水器各自的上升和下降繼電器V8與V9，V13與V14之間需互鎖。

圖2 PLC端子接線(xiàn)圖Fig.2 PLC terminal wiring diagram

2.3 HMI選擇

本系統(tǒng)中HMI選用SIEMENS觸摸面版Smart 700 IE V3為7寸LCD寬屏顯示，分辨率為800x480，256色，亮度可調(diào)，直流24 V供電，帶一個(gè)RS485通信接口，最大通信速率為187.5 Kbits/s。通過(guò)程序畫(huà)面賦值，可以實(shí)時(shí)在面板中反映PLC各個(gè)I/O的輸出狀態(tài)，以此來(lái)達(dá)到監(jiān)視目的。另外，通過(guò)在面板中點(diǎn)擊相應(yīng)組態(tài)選項(xiàng)，也可實(shí)現(xiàn)與程序中修改相應(yīng)指令賦值同樣的效果[6-7]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

控制要求為污水經(jīng)過(guò)一級(jí)物理處理后流入集水池，當(dāng)集水池液位達(dá)到低液位時(shí)啟動(dòng)水泵1，污水注入SBR池1，邊進(jìn)水邊曝氣。當(dāng)SBR池1的液位達(dá)到高液位時(shí)關(guān)閉水泵1，啟動(dòng)曝氣機(jī)和攪拌機(jī)2 h，使活性污泥在有氧條件下充分進(jìn)行呼吸作用，然后關(guān)閉曝氣機(jī)和攪拌機(jī)，進(jìn)入沉淀階段，使污泥沉淀至池底，沉淀2 h后啟動(dòng)潷水器1，潷出上層清液至儲(chǔ)水設(shè)備。集水池液位達(dá)到高液位時(shí)啟動(dòng)水泵2，以下工序相同。當(dāng)SBR池內(nèi)反應(yīng)運(yùn)行若干周期時(shí)，污泥積累到一定量時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況啟動(dòng)排泥電機(jī)排泥至儲(chǔ)泥池。城市污水二級(jí)處理系統(tǒng)總控流程及SBR工藝關(guān)鍵設(shè)備潷水器控制流程如圖3～圖4所示[2-4]。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝控制流程，結(jié)合輸入輸出變量表，在STEP 7 MicroWIN SP9編程軟件環(huán)境下編寫(xiě)梯形圖，以下為部分代表性程序，見(jiàn)圖5，其中網(wǎng)絡(luò)1為手動(dòng)控制部分，網(wǎng)絡(luò)7為格柵機(jī)控制程序，網(wǎng)絡(luò)14開(kāi)始進(jìn)入二級(jí)處理的控制程序。

圖3 污水二級(jí)處理系統(tǒng)總控制流程Fig.3 Main program flow chart of the sewage secondary treatment system

圖4 潷水器控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程Fig.4 Program design flow chart of the water decanter

圖5 部分代表程序梯形圖Fig.5 Ladder diagram of the partial representative procedure

3.3 WinCC fiexible組態(tài)軟件傳送及設(shè)備設(shè)置

運(yùn)行Loader程序，點(diǎn)擊面板中“Control Panel”按鈕，在“Transfer Settings”中的“Advance”設(shè)置 IP address為 192.168.0.4，Subnet mask （子網(wǎng)掩碼）為255.255.255.0，按下“Transfer”，下載污水處理的組態(tài)畫(huà)面至HMI設(shè)備。

4 HMI設(shè)備與PLC通信

4.1 設(shè)置連接參數(shù)

選擇觸摸屏Smart 700 IE V3物理接口為RS422/485，通信協(xié)議為“PPI”，設(shè)置觸屏通信波特率為19.2 kbps，站地址為1，然后下載組態(tài)。注意：CPU的地址必須不同于HMI設(shè)備的地址。

4.2 設(shè)置S7-200 PLC的波特率和站地址

在STEP 7Micro/WIN軟件的項(xiàng)目樹(shù)中雙擊“系統(tǒng)塊”窗口，設(shè)定S7-200 PLC對(duì)應(yīng)RS485端口站地址為2，通信波特率為19.2 kbps。將CPU與HMI設(shè)備的RS485端口相連接即可實(shí)現(xiàn)HMI設(shè)備監(jiān)控PLC。WINCC人機(jī)監(jiān)控界面如圖6。

圖6 WINCC人機(jī)監(jiān)控界面Fig.6 WINCC monitoring interface

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，符合污水處理的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，達(dá)到污水處理運(yùn)行狀態(tài)可視化和控制智能化的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用西門(mén)子S7-200 PLC作為污水處理系統(tǒng)的主控器，在STEP 7 Micro/WIN環(huán)境下進(jìn)行PLC梯形圖程序的編寫(xiě)與WinCC flexible SMART V3環(huán)境下人機(jī)界面組態(tài)畫(huà)面的設(shè)計(jì)，西門(mén)子人機(jī)界面設(shè)備HMI SMART 700 IE V3作為上位機(jī)監(jiān)控，共同實(shí)現(xiàn)污水處理控制系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在監(jiān)視污水控制處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況基礎(chǔ)上，還可以由HMI控制相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行，穩(wěn)定可靠有效，故障率低，降低現(xiàn)場(chǎng)操作人員工作量，也符合綠色環(huán)保節(jié)能要求。