《控制與傳動》2012年第2期 供稿
1引言
本文以污水處理的工藝流程為線索,，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案、各個分布式控制站的設計,、上位監(jiān)控畫面的制作以及重難點控制策略的研究,。文中著重講述了PLC、軟啟動器與變頻,、PID等技術在污水處理中的典型應用。在該污水處理中,，為了達到控制溶解氧（DO）含量,、配水井液位等在一定得范圍內的目的，我們采用PID控制,、變頻調速等技術來實現(xiàn)對風機和水泵的轉速的調節(jié),。同時根據(jù)液位不同對使用設備的臺數(shù)進行控制。為了解決污水處理中大功率設備啟動所帶來的問題,，該系統(tǒng)采用了軟啟動器拖動電動機,。同時為了解決設備長期運行帶來的問題，采用輪換使用幾臺泵或風機。本文以實際系統(tǒng)為例,，介紹污水處理廠自動控制的方法與策略,，具有一定實踐指導意義。
2污水處理工藝流程介紹
2.1污水處理的基本工藝方法
污水處理就是采用各種技術與手段,，將污水中所含的污染物質分離去除,、回收利用，或將其轉化為無害物質,，使水得到凈化,。
現(xiàn)代污水處理技術，按處理程度劃分,，一般分為三級處理：
一級處理,，又稱物理處理，主要是去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質,，經過一級處理后的污水,，可去除50%左右的懸浮物，BOD一般只能去除30%左右,，達不到排放標準,。
二級處理，又稱生化處理,，它是城市污水處理廠的核心,，主要去除水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物。經二級處理后,，BOD的去除率可達90%以上,，污水中BOD值可降至20-30mg/L，有機污染物達到國家規(guī)定的排放標準,。
三級處理,，又稱深度處理，其目的在于進一步去除二級處理未能去除的污染物質,，其中包括微生物未能降解的有機物和氮,、磷等能夠導致水體富營養(yǎng)化的可溶性無機物質。
生物法具有凈化能力強,、費用低廉,、運行可靠性好等優(yōu)點，是污水處理的主要方法,，在污水處理領域中占有重要地位,。我國現(xiàn)階段的城市污水處理以生物法為主，以物理法和化學法為輔,。以生物法為主的處理工藝主要有活性污泥法,、A/O法,、A2/O法、SBR法,、MSBR法,、UNITANK法、氧化溝等,，它們均具有同步降解BOD5和脫氮除磷的作用,。
2.2本系統(tǒng)采用的工藝介紹
根據(jù)實際情況，并綜合考慮各種工藝的優(yōu)缺點,，該污水處理廠采用A2/C氧化溝工藝,。
2.2.1A2/C氧化溝工藝簡介
圖2.1A2/C氧化溝工藝流程圖
設置厭氧、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡稱：A2/C氧化溝)具有生物脫氮除磷功能,，是目前城市生活污水處理的主流工藝之一,。它是在Carrousel2000氧化溝的基礎上增加前置的厭氧段形成的。在污水脫氮除磷的工藝設計中必須具備厭氧,、缺氧,、好氧3個基本條件，但是在實施過程中由于所需的處理構筑物多,、
污泥回流量大,，從而造成投資大、能耗多,、運行管理復雜,。A2/C氧化溝將厭氧、缺氧,、好氧三個過程集中在一個池內完成,，各部分用隔墻分開自成體系，但彼此又有聯(lián)系,。該工藝充分利用污水在氧化溝內循環(huán)流動的特性,，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機結合起來，實現(xiàn)無動力回流,，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗,。
圖2.2A2/C氧化溝平面布置圖
該污水處理系統(tǒng)為兩個A2/C氧化溝并行運行。經配水井分配后的污水進入氧化溝前段的厭氧池,，與來自污泥泵房的回流污泥混合,，在厭氧條件下，除磷菌可將儲存在菌體內的聚磷分解,，將磷酸鹽釋放到水中。厭氧池分為3格,，每格都設有水下攪拌器以防止污泥沉淀,。經厭氧釋磷后的污水進入缺氧段進行反硝化脫氮,，缺氧段設計成環(huán)流形式，強化脫氮效果,，反硝化后的污水通過設置在一側的渠道進入氧化溝,。氧化溝的充氧機械采用倒傘形曝氣機，可根據(jù)池內DO測定值控制調節(jié)堰門出水,、改變曝氣機轉速以達到調節(jié)溶解氧的目的,。在氧化溝內，污水進一步去除有機物并將NH3-N氧化成NO2和NO3,。同時聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷,，強化出水水質。而且在好氧段末設置內回流渠,，經過好氧硝化的污水進入缺氧段,，由于末端的溶解氧減少到最低程度，有效的防止缺氧池氧過量的問題,，可以取得最好的反硝化效果,。經過處理后的污水經過出水口進入二沉池進行沉淀處理。
2.2.2本系統(tǒng)工藝流程
桂陽縣污水處理廠包括污水處理和污泥處理兩個系統(tǒng),。污水處理系統(tǒng)包括進水井,、粗格柵間、提升泵房,、細格柵間,、曝氣沉砂池、鼓風機房,、氧化溝,、二沉池、紫外線消毒渠,、出水渠等,，污泥處理系統(tǒng)包括污泥回流泵房、脫水機房等幾部分,。
污水經污水排放管進入進水井,，由進水井流經粗格柵，濾除大塊固體懸浮物后,，再由提升泵將污水提升到細格柵,，濾除細小的漂浮物和浮渣，然后經計量渠流入曝氣沉砂池,，進行砂水分離,，去除水中密度較大的無機顆粒，以保護后續(xù)處理設備的正常運行,。然后污水進入氧化溝,，進行生化處理,。經生化處理后的污水進入二沉池進行污泥沉淀，經過污泥沉淀后的污水經紫外線消毒后到出水渠,，最后排放,。二沉池分離的一部分生物活性污泥回流到生化反應池，另一部分剩余污
泥流經污泥泵房進入污泥處理系統(tǒng),，剩余污泥進入污泥貯池,，最后經進污泥泵進入脫水機房進行脫水處理并外運。
圖2.3韶陽縣污水處理廠總體工藝流程圖
3控制系統(tǒng)方案設計
3.1設計原則
1.系統(tǒng)性能穩(wěn)定,，安全可靠,。
2.操作簡單，維護方便
3.運行經濟節(jié)能,，維護費用低,。
4.易于擴展
5.性能價格比高
3.2設計思想
本系統(tǒng)采用工控機+可編程序控制器（PLC）+現(xiàn)場儀表的控制方式。現(xiàn)場儀表將現(xiàn)場的信號采集并傳輸至PLC中,，PLC作為主要的現(xiàn)場控制單元,，工控機用于監(jiān)視和控制PLC及現(xiàn)場設備的狀態(tài)。各個設備均能實現(xiàn)現(xiàn)地,、遠程,、遠程手動三種控制方式。
3.3系統(tǒng)結構圖
整個控制系統(tǒng)由中控室,、PLC控制站,、現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場的控制柜構成。系統(tǒng)的結構圖如圖3.1所示：
圖3.1監(jiān)控系統(tǒng)結構圖
3.4控制系統(tǒng)各部分功能
3.4.1現(xiàn)場電控柜
現(xiàn)場控制柜的主要作用是完成現(xiàn)場控制功能和與PLC連接,。各個現(xiàn)場控制柜能夠完成手動控制設備啟停的功能,，是典型的繼電器控制。現(xiàn)場控制相對于PLC自動控制和中央監(jiān)控室控制具有最高的優(yōu)先級,。只有將選擇開關撥到遠程控制之后,，PLC控制和中央監(jiān)控室的上位控制才起作用。所以在進行自動控制調試前,，首先要完成對現(xiàn)場各控制柜的調試,，在保證現(xiàn)場設備安全的前提下才能進行遠程控制。
3.4.2PLC控制站
該污水處理廠的自動化監(jiān)控系統(tǒng)共設兩個PLC控制站,。氧化溝單獨一個控制站,，其余部分用一個控制站。PLC站的主要作用是采集現(xiàn)場的信號并控制設備的運行?，F(xiàn)場的信號包括液位,、流量、溫度等工藝信號和設備的運行狀態(tài),。當現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關選擇到“遠程”時,，操作人員不能使用現(xiàn)場控制柜上的啟停按鈕來控制設備的運行,。這時，PLC會根據(jù)程序自動或者根據(jù)上位監(jiān)控系統(tǒng)給出的信號控制設備的運行,。
3.4.3上位監(jiān)控系統(tǒng)
該污水處理廠的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)包括一個工程師站和一個操作員站。工程師站既能完成系統(tǒng)組態(tài),、調試及控制參數(shù)的在線修改和設置等,，又能完成對整個污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控,，報表及打印等功能,；操作員站主要完成對整個污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等功能,。在系統(tǒng)正常工作時,，工程師站可兼作操作員站，方便了監(jiān)視與操作,，并提高了系統(tǒng)的可靠性,。污水處理的各個工段的工藝數(shù)據(jù)以及各個設備的運行狀態(tài)通過PLC采集并在上位機監(jiān)控畫面上顯示，操作人員可以查看全廠各個設備的運行情況,。同時可以對報表存檔打印,，顯示實時報警和歷史報警等，方便操作人員進行工藝分析和查找故障,。當現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關選到“自動”時,，在上位機監(jiān)控畫面中可以選擇設備為“手動”運行狀態(tài)，然后手動控制設備的運行,。
4控制系統(tǒng)硬件設計
4.1PLC1站設計
PLC1站主要負責粗格柵,、提升泵、細格柵,、曝氣沉沙池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設備的遠程監(jiān)控,。
4.1.1PLC1實現(xiàn)的功能
在粗格柵間共設有2個粗格柵，粗格柵的主要作用是去除污水中大塊漂浮物,。粗格柵能夠根據(jù)PLC程序或上位機設定的時間實現(xiàn)輪流自動啟停,。與粗格柵關聯(lián)的設備螺旋壓榨機負責將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎,。在控制時,，為確保設備安全，應使粗格柵與螺旋壓榨機聯(lián)動,，以防止螺旋壓榨機空轉,。聯(lián)動順序為：螺旋壓榨機→粗格柵，關機順序相反,。螺旋壓榨機在粗格柵停止之后再運行30-60s,。螺旋壓榨機故障時,，粗格柵停止運行。
提升泵房水泵主要用來將粗格柵間流出的污水提升到細格柵間,。在提升泵房,，需要測量和控制的是四臺提升泵的運行狀態(tài)以及它們的啟停。提升泵房有四臺提升泵,，其中三臺軟啟動泵,，一臺變頻調速泵，由變頻器來控制,。
設置細格柵的目的,，在于攔截污水中的大量細小的漂浮物。對于細格柵的控制,，可通過現(xiàn)場控制柜實現(xiàn)手動控制,，也可對細格柵進行遠程控制啟、停,。細格柵的控制也要和輸送機實現(xiàn)聯(lián)動,，以保證設備安全。其控制的方法與粗格柵相同,。
沉砂池的作用是為了避免砂粒對處理工藝和設備帶來的不利影響,。砂粒進入生化池內會使污泥刮板過度磨損，縮短更換周期,。沉砂池內部有一臺橋式吸砂機,、兩臺吸砂泵和一臺沙水分離器，其主要作用是將砂粒吸走,，需要對其進行監(jiān)測和控制,。吸砂機和吸砂泵的啟停，可由現(xiàn)場控制柜手動控制,，也可以由中央控制室的上位機進行遠程控制,。吸砂泵與砂水分離器聯(lián)動運行。聯(lián)動順序：沙水分離器→吸砂泵,，關機順序相反,。羅茨給曝氣池鼓風，羅茨風機由PLC根據(jù)時間控制啟停,，自動輪換,。
4.1.2控制柜設計
PLC1站采用CPU315-2DP。根據(jù)控制要求,，PLC1共需數(shù)字量輸入150點,，數(shù)字量輸出40點，模擬量輸入26路，模擬量輸出10路,，另外預留20%的I/O點備用,。PLC1站需要6塊32點DI，2塊32路DO,，4塊8通道AI,，2塊8通道AO。由于一個機架最多安裝8個信號模塊,，因此需要設置一個擴展機架,。在這里采用IM365近程擴展一個機架。
4.2PLC2站設計
PLC2站主要負責A2/C氧化溝處儀表的數(shù)據(jù)采集及設備的遠程監(jiān)控,。由于厭氧池、缺氧池,、氧化溝內的需要采集的數(shù)據(jù)和控制的設備比較多,，所以單獨設置一個PLC控制站。
4.2.1PLC2實現(xiàn)的功能
PLC2主要實現(xiàn)對氧化溝內的曝氣機,、閘門啟閉機,、潛水推流器、電動調節(jié)堰門,、內回流旋轉門等設備進行控制,。在這里對曝氣機的控制室通過變頻器實現(xiàn)的。在PLC內部對溶解氧含量進行PID運算,，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子,，調節(jié)曝氣機轉速，從而達到控制溶解氧含量的目的,。
4.2.2控制柜設計
在PLC站2也采用S7300PLC,。PLC站2需要根據(jù)溶解氧的濃度通過PID運算來調節(jié)曝氣機轉速，同時需要控制潛水推流器等眾多設備,，為了滿足要求采用浮點數(shù)運算速度較高的315-2DPCPU,。根據(jù)控制要求，PLC2共需數(shù)字量輸入156點,，數(shù)字量輸出38點,，模擬量輸入20路，模擬量輸出12路,，另外預留20%的I/O點備用,。PLC1站需要6塊32點DI，2塊32點DO,，4塊8通道AI,，2塊8通道AO。由于一個機架最多安裝8個信號模塊，因此需要設置一個擴展機架,。在這里采用IM365近程擴展一個機架,。
5控制系統(tǒng)軟件設計
該污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計包含PLC程序開發(fā)和上位監(jiān)控界面的開發(fā)。
5.1PLC編程
在該系統(tǒng)中我們通過在工控機上安裝STEP7編程軟件進行程序的編制和調試工作,。并通過在PC機中插入CP5611板卡,，連接PLC下載程序并監(jiān)視程序的運行及查找故障。
5.1.1編程軟件介紹
STEP7編程軟件用于西門子系列工控產品包括SIMATICS7,、M7,、C7和基于PC的WinAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具,，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分,。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài),、編程,、測試、啟動和維護,、文件建檔,、運行和診斷功能等[7]。
5.1.2設計過程
首先,，創(chuàng)建工程,。STEP7安裝成功后，將在Windows桌面上出現(xiàn)SIMATICManager（SIMATIC管理器）圖標,，雙擊該圖標后,，進入STEP7的項目管理器。然后點擊“文件”>“新建”,，選擇創(chuàng)建一個新項目,，輸入sewerage作為新項目的名稱并選擇項目文件的存放位置，然后點擊OK,。
然后,，進行硬件組態(tài)。進入STEP7的項目管理器之后,，在瀏覽窗口中右擊項目名稱,，在快捷菜單中選擇“InsertNewObject”>“SIMATIC300Station”，并選擇“Rename”,，給站1更名為“others”,。同樣的插入第二個站“yanghuagou”。
下面我們以PLC1站為例看一下站內硬件組態(tài)的過程,。在SIMATICManager的瀏覽窗口中鼠標左鍵單擊站名“others”,，在右邊的顯示窗口中會出現(xiàn)Hardware（硬件組態(tài)）圖標。雙擊該圖標進入硬件組態(tài)的界面，如圖5.1所示：
圖5.1硬件組態(tài)圖
在STEP7中,，可以通過簡單的拖放操作來完成主機架的配置,。在配置過程中，添加到主機架中的模塊的定貨號應該與實際的硬件一致,。在硬件目錄中選中一個模塊,，目錄下方的窗口會顯示模塊的定貨號和對模塊的描述。插入主機架后,，分別向機架中的1號插槽添加電源,、2號插槽添加CPU。硬件目錄中的某些CPU型號有多種操作系統(tǒng)（Firmware）版本,，在添加CPU時,，CPU的型號和操作系統(tǒng)版本都要與實際的硬件一致。在這里我們電源選擇PS3075A,，CPU選擇CPU315-2DP,。在添加CPU時會出現(xiàn)對話框選擇CPU的站地址，在這里我們用選擇2,。4—11號槽中可以添加信號模塊、功能模塊,、通訊處理器等,，上述模塊分別在硬件目錄的SM-300、FM-300和CP-300中,。如圖我們添加了6個32點的數(shù)字量輸入模塊和2個32點的數(shù)字量輸出模塊,。硬件組態(tài)的模塊的訂貨號以及位置必須與實際的硬件是一致的。
在主機架的3號插槽插入IM365用于本地擴展,。插入另外一個機架,，并在3號槽插入IM365。這時該擴展機架上的IM365會與主機架上的IM365自動連接,。在擴展機架上插入4個8路的模擬量輸入模塊和2個8路的模擬量輸出模塊,。在硬件組態(tài)窗口的下面有詳細信息窗口，其中顯示了相應的模塊的地址,。各模塊是自動編址的,，我們也可以修改各個模塊的地址。方法是雙擊想要修改的模塊,，在對話框中選擇Address標簽頁,，然后輸入相應的地址即可。
在配置過程中,，STEP7可以自動檢查配置的正確性,。當硬件目錄中的一個模塊被選中時，機架中允許插入該模塊的槽會變成綠色，而不允許該模塊插入的槽顏色無變化,。將選中的模塊拖到不能插入該模塊的槽時,，會提示不能插入的原因。硬件組態(tài)完成后,，進行存盤并編譯,。這時硬件組態(tài)的參數(shù)將會保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB）中。這時系統(tǒng)硬件組態(tài)完成了,，可以將選擇的組態(tài)下載到PLC中,。
完成硬件組態(tài)后，就可以進行程序的編制,。西門子S7系列PLC采用的是“塊式程序結構”,，用“塊”的形式來管理用戶編寫的程序及程序運行所需要的數(shù)據(jù)，組成完整的PLC應用程序系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)）,。“塊”分為數(shù)據(jù)塊和邏輯塊,，它們都存放在Blocks目錄下[8]。這些塊主要包括組織塊(OB),、數(shù)據(jù)塊(DB),、功能(FC)、功能塊(FB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI),。我們選擇的程序語言是梯形圖(LAD),。
程序編制完成后需要對程序進行下載和調試。
5.1.3典型程序介紹
該程序段主要實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的轉化以及傳感器故障報警,。在污水處理過程中,，需要實時的采集和顯示溫度、流量,、液位等模擬量信號,。該程序的目的就是將采集的信號轉化為原始的工程量進行顯示。由于在污水處理的現(xiàn)場存在信號干擾,，所以將內碼值在+200和-200之間的輸入視為干擾,，不進行處理。然后將該內碼值送給FC105處理,。FC105SCALE功能是接收一個整型值(INT),，并將其轉換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實型值。
該程序檢測溫度傳感器是否故障,。當一個溫度模擬量對應的整數(shù)值在-1000-2000范圍之外,，我們視為傳感器故障。為了防止干擾引發(fā)的誤判斷,，我們對故障時間進行計時,。只有當時當該時間超過1000秒時,，我們才對其進行報警處理。當時間未到,，出現(xiàn)了正常信號時,，需要對計時清零。
5.2上位組態(tài)畫面
本系統(tǒng)采用SIMATICWinCC組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行監(jiān)控,。用戶登陸系統(tǒng)后看到主畫面顯示整個污水處理廠的工藝流程,。通過主畫面上的幾個按鈕可以進入各個分畫面。分畫面包括工藝流程的各個部分以及報警,、趨勢畫面,。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)中的各個開關量和模擬量。監(jiān)控系統(tǒng)還可以完成實時報警顯示和報表打印,。
5.2.1WinCC簡介
西門子公司的WinCC是WindowsControlCenter（視窗控制中心）的簡稱,。它集成了SCADA、組態(tài),、腳本（Script）語言和OPC等先進技術,，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化（TIA）產品的技術先進和無縫集成的特點,。WinCC運行于個人計算機環(huán)境,，可以于多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目,、可視窗口和菜單選項,，使用方式靈活，功能齊全,。用戶在其友好的界面進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理,，可形成所需要的操作畫面,、控制畫面、監(jiān)視畫面,、報警畫面,、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等,。
5.2.2設計思路
程序運行時首先進入主畫面,。主畫面顯示污水處理的整個工藝流程，同時在主畫面中顯示各個流程關鍵的開關量和模擬量的狀態(tài),，如設備的狀態(tài),、閘門前后液位、流量等,。如果想了解現(xiàn)場更加詳細的狀態(tài)以及對設備進行遠程控制需要進入工藝流程的分畫面,。分畫面中可以顯示實時報警,、趨勢曲線。同時對重要模擬量進行歸檔,，以便形成歷史趨勢曲線,，便于以后進行查看和分析。如果用戶想對畫面進行操作,，如設備控制,、參數(shù)更改等，必須輸入用戶名和密碼進行登陸,，以防止其他人員的誤操作,。在登陸狀態(tài)下，不同的用戶具有不同的權限,。在中央監(jiān)控室可以對現(xiàn)場的設備進行操作,，參數(shù)采集以及現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)顯示。
5.2.3設計步驟
一,、啟動WinCC并新建項目
啟動WinCC,，單擊“開始”>SIMATIC>WinCC>WindowsControlCenter6.0。選擇“文件”>新建,，此時會出現(xiàn)項目類型選擇對話框,。選擇單用戶項目，輸入項目名稱,，在這里輸入“sewerage”,，并選擇項目的存儲位置。
二,、安裝通訊驅動程序
添加一個通訊驅動程序,，鼠標右擊工程瀏覽器中瀏覽窗口中的“變量管理”，選擇“添加新的驅動程序”,。在“添加新的驅動程序”對話框中選擇SIMATICS7ProtocolSuite.chn,。單擊驅動程序前面的“+”，將會顯示當前驅動程序所有可用的通道單元,。右擊MPI通道單元,，在快捷菜單中選擇新的“驅動程序的連接”菜單項。在隨后顯示的連接屬性對話框中輸入PLCstation作為邏輯連接名,，單擊“確定”按鈕,。
三、定義變量
單擊“變量管理”>SIMATICS7ProtocolSuite>MPI前面的“+”,，展開各自節(jié)點,，鼠標右擊節(jié)點PLCstation，在快捷菜單中選擇“新建變量組”,，輸入DI作為變量組名,，同樣的建立DO,、AI和AO變量組。建立變量組的目的是為了更好的管理這些變量,。如果在一個項目中因處理大量的數(shù)據(jù)而需要很多的變量時,，建議將變量組織為變量組。只有這樣才能在大型的項目中始終注意各種事件,。一般可將完成同一功能的變量或屬于同一設備的變量歸結為一個組,。在新建的幾個變量組中添加多個“標簽”，這些“標簽”,，這些標簽對應PLC中的地址,，數(shù)據(jù)類型也要和PLC中的數(shù)據(jù)類型保持一致。這樣,，當我們運行項目時,，PLC的數(shù)據(jù)就被采集到計算機中。這些數(shù)據(jù)用于在監(jiān)控畫面中顯示,、歸檔,、報表打印等。
四,、創(chuàng)建過程畫面
1.設計主畫面
圖5.4上位機主畫面
主畫面顯示污水處理的整個工藝流程,，包括顯示重要的模擬量輸入信號。在工藝流程主畫面的下方是一排按鈕,，“主畫面”用于回到工藝流程主畫面,；“工藝流程圖”用于進入各個工藝流程分畫面；“報表曲線”用于進入報表和趨勢曲線畫面,；報警窗口用于顯示實時報警和歷史報警,；“登陸”和“退出系統(tǒng)”用于用戶登陸和退出監(jiān)控系統(tǒng)。在監(jiān)控系統(tǒng)運行時按“Ctrl+L”,，可以進入登陸狀態(tài),，用戶可以在登錄對話框中輸入用戶名和密碼進行登陸。當用戶點擊“退出系統(tǒng)”時會顯示退出登陸對話框,，可以進行確認退出和取消退出，這樣可以防止用戶誤點擊退出系統(tǒng),。同時在畫面中始終顯示系統(tǒng)時間,。
2.設計工藝流程分畫面
圖5.5格柵間畫面
在工藝流程分畫面的最上面有一排按鈕，用于在不同的工藝流程段分畫面之間切換包括,。包括“格柵間”,、“曝氣塵沙池”、“鼓風機房”,、“生化反應池”,、“二沉池”,、“紫外線消毒”幾個按鈕。下面以格柵間為例看一下工藝流程分畫面的創(chuàng)建過程,。選擇菜單“查看”>“庫”或單擊工具欄上的圖標,，顯示對象庫中的對象中的目錄。雙擊“全局庫”后顯示全局庫中的目錄樹,。單擊對象庫工具欄上的圖標,，可以預覽對象庫中的圖形。選擇相應的對象,，并將其托至畫面區(qū)中,。拖動對象周圍的黑色方塊，改變對象的大小,。同時在“標準對象”中選擇靜態(tài)文本以及“智能對象”中的輸入輸出對象放置在畫面中,。
3.趨勢曲線畫面
要在運行系統(tǒng)中顯示趨勢曲線和表格畫面，首先需要進行過程值歸檔,。過程值歸檔的目的是采集,、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)。以這種方法獲得的過程數(shù)據(jù)可用于獲取與設備的操作狀態(tài)有關的管理和技術標準,。在運行系統(tǒng)中,，可以以表格或趨勢曲線的形式輸出當前過程值或已歸檔的過程值，也可以將所歸檔的過程值作為記錄打印輸出,。WinCC使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值歸檔,，可以選擇組態(tài)過程值歸檔和壓縮歸檔，定義采集和歸檔周期,，并選擇想要歸檔的過程值,。在一個歸檔中可以定義要歸檔變量的不同采集類型?？梢允欠侵芷?、連續(xù)周期、可選擇周期以及一旦改變,。
WinCC的圖形系統(tǒng)提供兩個ActiveX控件用于顯示過程值歸檔,。在WinCC的畫面中插入WinCCOnlineTrendControl控件，以及WinCCOnlineTableControl控件,。在控件的選項卡中設置標題,、變量、字體等,。
4.組態(tài)報警畫面
在WinCC中,，報警記錄編輯器負責消息的采集和歸檔，包擴過程,、預加工,、表達式以及歸檔等消息的采集功能,。消息系統(tǒng)給操作員提供了關于操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息。他們將臨界狀態(tài)提早通知操作員,，并幫助消除空閑時間,。系統(tǒng)可以通過畫面和聲音的形式報告記錄消息時間，還可以用電子和書面的形式歸檔,。報警可以通知操作員在生產過程中發(fā)生的故障和錯誤消息,，用于及早警告臨界狀態(tài)或縮短停機時間。
WinCCAlarmControl作為顯示消息時間的消息視圖使用,。用戶在組態(tài)時就可獲得高度的靈活性,，因為希望顯示的消息視圖、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進行組態(tài),。在WinCC運行系統(tǒng)中,，報警事件將以表格的形式在畫面中。在WinCC報警畫面中,，添加WinCCAlarmControl控件,，然后雙擊該控件，打開屬性對話框中的消息行選項卡,，對在控件中顯示的項目進行設置,，能夠顯示報警日期、時間,、消息文本和錯誤點,。
第6章控制策略研究
6.1PID算法
6.1.1PID算法介紹
按偏差的比例、微分,、積分進行控制（簡稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術最成熟,，應用最廣泛的一種控制技術。它的結構簡單,，參數(shù)調整方便,，是在長期的工程實踐中總結出來的一套控制方法。在工業(yè)控制中由于難以建立精確的數(shù)學模型,，系統(tǒng)的參數(shù)經常發(fā)生變化,，所以人們往往采用PID控制技術，根據(jù)經驗進行在線調整,，從而得到滿意的控制效果,。
6.1.2PID算法在PLC中的實現(xiàn)
考慮到PLC的運算速度，需要對PID算法進行一下轉化,，特別是積分項的計算,。由PID的離散形式方程可知,，積分項包括第一次采樣到當前采樣時刻的所有誤差,；微分項由本次和上次的采樣值決定,；而比例項只由本次的采樣值決定。在PLC中要存儲所有的采樣的誤差時不實際的,，也是不必要的,。因為自第一個采樣時刻開始，每次采樣獲得一個誤差,，要由PLC計算一次輸出,，所以只需要將上一次的誤差和上一次的積分項存儲。利用數(shù)字計算機的迭代運算,，可將PID算式化為遞推形式[3],。簡化形式如下：
在該污水處理系統(tǒng)中，在提升泵,、曝氣機,、羅茨風機、污泥回流泵等多處用到PID控制,。所以在S7300PLC中將PID控制程序編制為一個程序塊（FB）,，為每個需要PID程序控制的設備建立一個背景數(shù)據(jù)塊（DI），這樣每次PID運算之后的MX將會被保存,。PID運算的輸出通過模擬量輸出模塊（AO）輸出到變頻器的控制端,，從而實現(xiàn)程序自動控制電動機轉速。下面是PID功能塊的程序：
6.2軟起動器一拖三控制
提升泵房有4臺提升泵,，其中的三臺采用施耐德ATS4837KW軟起動器,，工作在接觸器旁路工作模式，實現(xiàn)一拖三控制,。在一拖三級聯(lián)控制系統(tǒng)中,，ATS48的運行信號RUN，停止信號STOP和級聯(lián)信號LIC由PLC的繼電器輸出給定,。同時,，將ATS48的輸出繼電器R1設置為“r1I（隔離繼電器）”，把邏輯輸入LI3設置為“LIC（級聯(lián)控制）”,。電機主回路控制圖如下圖所示,。
圖6.1電機主回路控制圖
圖中1KM1、2KM1,、3KM1為電機1#,、2#、3#的主接觸器,，1KM2,、2KM2、3KM2為電機1#、2#,、3#的旁路接觸器,。下面以電機1為例說明電機的啟動停止過程。
啟動時,，按下啟動按鈕,，經PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應大于100ms,，小于1000ms）的脈沖啟動信號給ATS48的RUN端,，軟啟動器被允許啟動，由于產生運行信號,，ATS48內部繼電器R1吸合,，于是主接觸器1KM1合上，ATS48按照設置的啟動時間啟動,；啟動結束后,，ATS48內部繼電器R2合上，于是旁路接觸器1KM2合上,，此時1KM1和1KM2同時吸合,；在較短的一段時間（由ATS48決定）之后，R2在R1之后失電,，1KM1斷開,，電機繼續(xù)由1KM2供電，完成整個啟動過程,。同理可以啟動2#電機和3#電機,。
停止時，按下停止按鈕,，經PLC延時后,，輸出一個500ms（該時間應大于200ms）的脈沖信號給ATS48的LI3端，軟啟動器級聯(lián)控制被激活,，ATS48內部繼電器R1,、R2吸合（R2為脈沖信號，R1保持閉合直到電機完全停下來）,，于是主接觸器1KM1吸合,，ATS48與正在運行的電機接上；LI3脈沖信號的下降沿經PLC延時后,，輸出一個500ms（該時間應大于100ms）的負脈沖信號給ATS48的STOP端,，ATS48的內部繼電器R2斷開，于是旁路接觸器1KM2斷開,，ATS48軟啟動器按已設置的停車時間使電機停車,，停車完成后,，ATS48內部繼電器R1斷開，于是主接觸器1KM1斷開,，完成整個停車過程,。同理可以停止2#電機和3#電機。
在PLC內部,，我們設置一個字節(jié)的變量作為啟動狀態(tài)的標志，分別標識軟起準備好,、軟起中,、軟起完成、完成延時斷開,、停止等,。同時，對啟動器運行的時間進行計時,。如果軟起開始運行后經過設定的時間PLC還沒有收到軟起完成的信號,，則認為是軟起動器故障。
7結束語
污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到水處理,、自動控制,、計算機技術、儀器儀表,、電力電子等眾多學科,，是一個復雜的綜合性領域。本文以污水處理的工藝流程為線索,，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案,。講述了利用STEP7軟件編程、利用WinCC軟件完成組態(tài)的具體過程,。同時,，對在污水處理中的控制策略進行了介紹，包括PID算法在PLC中的實現(xiàn)以及一臺軟啟動器拖動三臺電動機的具體實現(xiàn),。
