《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(shè)計(jì)方案、各個(gè)分布式控制站的設(shè)計(jì)、上位監(jiān)控畫面的制作以及重難點(diǎn)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(shù)在污水處理中的典型應(yīng)用,。在該污水處理中,，為了達(dá)到控制溶解氧（DO）含量、配水井液位等在一定得范圍內(nèi)的目的,，我們采用PID控制,、變頻調(diào)速等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。同時(shí)根據(jù)液位不同對使用設(shè)備的臺數(shù)進(jìn)行控制,。為了解決污水處理中大功率設(shè)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(jī)。同時(shí)為了解決設(shè)備長期運(yùn)行帶來的問題,，采用輪換使用幾臺泵或風(fēng)機(jī),。本文以實(shí)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(shí)踐指導(dǎo)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(shù)與手段，將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除,、回收利用,，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使水得到凈化,。

　　現(xiàn)代污水處理技術(shù),，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(zhì)，經(jīng)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(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn),。

　　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(jī)污染物,。經(jīng)二級處理后，BOD的去除率可達(dá)90%以上,，污水中BOD值可降至20-30mg/L,，有機(jī)污染物達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn),。

　　三級處理，又稱深度處理,，其目的在于進(jìn)一步去除二級處理未能去除的污染物質(zhì),，其中包括微生物未能降解的有機(jī)物和氮、磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物質(zhì),。

　　生物法具有凈化能力強(qiáng),、費(fèi)用低廉、運(yùn)行可靠性好等優(yōu)點(diǎn),，是污水處理的主要方法,，在污水處理領(lǐng)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(xué)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(shí)際情況,，并綜合考慮各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，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(shè)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(chǔ)上增加前置的厭氧段形成的,。在污水脫氮除磷的工藝設(shè)計(jì)中必須具備厭氧、缺氧,、好氧3個(gè)基本條件,，但是在實(shí)施過程中由于所需的處理構(gòu)筑物多、

　　污泥回流量大,，從而造成投資大、能耗多,、運(yùn)行管理復(fù)雜,。A2/C氧化溝將厭氧、缺氧,、好氧三個(gè)過程集中在一個(gè)池內(nèi)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(nèi)循環(huán)流動的特性,，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機(jī)結(jié)合起來,，實(shí)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(gè)A2/C氧化溝并行運(yùn)行,。經(jīng)配水井分配后的污水進(jìn)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(nèi)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(shè)有水下攪拌器以防止污泥沉淀。經(jīng)厭氧釋磷后的污水進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮,，缺氧段設(shè)計(jì)成環(huán)流形式,，強(qiáng)化脫氮效果，反硝化后的污水通過設(shè)置在一側(cè)的渠道進(jìn)入氧化溝,。氧化溝的充氧機(jī)械采用倒傘形曝氣機(jī),，可根據(jù)池內(nèi)DO測定值控制調(diào)節(jié)堰門出水、改變曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)節(jié)溶解氧的目的,。在氧化溝內(nèi),，污水進(jìn)一步去除有機(jī)物并將NH3-N氧化成NO2和NO3。同時(shí)聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷,，強(qiáng)化出水水質(zhì),。而且在好氧段末設(shè)置內(nèi)回流渠，經(jīng)過好氧硝化的污水進(jìn)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(jīng)過處理后的污水經(jīng)過出水口進(jìn)入二沉池進(jìn)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(gè)系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)包括進(jìn)水井,、粗格柵間,、提升泵房、細(xì)格柵間,、曝氣沉砂池,、鼓風(fēng)機(jī)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(jī)房等幾部分,。

　　污水經(jīng)污水排放管進(jìn)入進(jìn)水井，由進(jìn)水井流經(jīng)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(xì)格柵，濾除細(xì)小的漂浮物和浮渣,，然后經(jīng)計(jì)量渠流入曝氣沉砂池,，進(jìn)行砂水分離，去除水中密度較大的無機(jī)顆粒,，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行,。然后污水進(jìn)入氧化溝，進(jìn)行生化處理,。經(jīng)生化處理后的污水進(jìn)入二沉池進(jìn)行污泥沉淀,，經(jīng)過污泥沉淀后的污水經(jīng)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(yīng)池,，另一部分剩余污

　　泥流經(jīng)污泥泵房進(jìn)入污泥處理系統(tǒng)，剩余污泥進(jìn)入污泥貯池,，最后經(jīng)進(jìn)污泥泵進(jìn)入脫水機(jī)房進(jìn)行脫水處理并外運(yùn),。



　　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(shè)計(jì)

　　3.1設(shè)計(jì)原則

　　1.系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠,。

　　2.操作簡單,，維護(hù)方便

　　3.運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能，維護(hù)費(fèi)用低,。

　　4.易于擴(kuò)展

　　5.性能價(jià)格比高

　　3.2設(shè)計(jì)思想

　　本系統(tǒng)采用工控機(jī)+可編程序控制器（PLC）+現(xiàn)場儀表的控制方式?，F(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(jī)用于監(jiān)視和控制PLC及現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài),。各個(gè)設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地、遠(yuǎn)程,、遠(yuǎn)程手動三種控制方式,。

　　3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　整個(gè)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(gòu)成,。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：



　　圖3.1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(gè)現(xiàn)場控制柜能夠完成手動控制設(shè)備啟停的功能,，是典型的繼電器控制?，F(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(guān)撥到遠(yuǎn)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(jìn)行自動控制調(diào)試前，首先要完成對現(xiàn)場各控制柜的調(diào)試,，在保證現(xiàn)場設(shè)備安全的前提下才能進(jìn)行遠(yuǎn)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(shè)兩個(gè)PLC控制站。氧化溝單獨(dú)一個(gè)控制站,，其余部分用一個(gè)控制站,。PLC站的主要作用是采集現(xiàn)場的信號并控制設(shè)備的運(yùn)行。現(xiàn)場的信號包括液位,、流量,、溫度等工藝信號和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選擇到“遠(yuǎn)程”時(shí),，操作人員不能使用現(xiàn)場控制柜上的啟停按鈕來控制設(shè)備的運(yùn)行,。這時(shí)，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(shè)備的運(yùn)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(gè)工程師站和一個(gè)操作員站,。工程師站既能完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等,，又能完成對整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集,、監(jiān)控，報(bào)表及打印等功能,；操作員站主要完成對整個(gè)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(shí),，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(gè)工段的工藝數(shù)據(jù)以及各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過PLC采集并在上位機(jī)監(jiān)控畫面上顯示,，操作人員可以查看全廠各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。同時(shí)可以對報(bào)表存檔打印,，顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)警等,，方便操作人員進(jìn)行工藝分析和查找故障。當(dāng)現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選到“自動”時(shí),，在上位機(jī)監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動”運(yùn)行狀態(tài),，然后手動控制設(shè)備的運(yùn)行。

　　4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　4.1PLC1站設(shè)計(jì)

　　PLC1站主要負(fù)責(zé)粗格柵,、提升泵,、細(xì)格柵,、曝氣沉沙池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　4.1.1PLC1實(shí)現(xiàn)的功能

　　在粗格柵間共設(shè)有2個(gè)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(jī)設(shè)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)輪流自動啟停。與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機(jī)負(fù)責(zé)將粗格柵過濾出的懸浮物脫水,、粉碎,。在控制時(shí)，為確保設(shè)備安全,，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機(jī)聯(lián)動,，以防止螺旋壓榨機(jī)空轉(zhuǎn)。聯(lián)動順序?yàn)椋郝菪龎赫C(jī)→粗格柵,，關(guān)機(jī)順序相反,。螺旋壓榨機(jī)在粗格柵停止之后再運(yùn)行30-60s。螺旋壓榨機(jī)故障時(shí),，粗格柵停止運(yùn)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(xì)格柵間。在提升泵房,，需要測量和控制的是四臺提升泵的運(yùn)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(diào)速泵,，由變頻器來控制。

　　設(shè)置細(xì)格柵的目的,，在于攔截污水中的大量細(xì)小的漂浮物,。對于細(xì)格柵的控制，可通過現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)手動控制,，也可對細(xì)格柵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制啟,、停。細(xì)格柵的控制也要和輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動,，以保證設(shè)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(shè)備帶來的不利影響,。砂粒進(jìn)入生化池內(nèi)會使污泥刮板過度磨損,，縮短更換周期。沉砂池內(nèi)部有一臺橋式吸砂機(jī),、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(jìn)行監(jiān)測和控制。吸砂機(jī)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(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。吸砂泵與砂水分離器聯(lián)動運(yùn)行,。聯(lián)動順序：沙水分離器→吸砂泵,，關(guān)機(jī)順序相反。羅茨給曝氣池鼓風(fēng),，羅茨風(fēng)機(jī)由PLC根據(jù)時(shí)間控制啟停，自動輪換,。

　　4.1.2控制柜設(shè)計(jì)

　　PLC1站采用CPU315-2DP,。根據(jù)控制要求，PLC1共需數(shù)字量輸入150點(diǎn),，數(shù)字量輸出40點(diǎn),，模擬量輸入26路，模擬量輸出10路,，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用,。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI，2塊32路DO,，4塊8通道AI,，2塊8通道AO。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號模塊,，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架,。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架。

　　4.2PLC2站設(shè)計(jì)

　　PLC2站主要負(fù)責(zé)A2/C氧化溝處儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。由于厭氧池,、缺氧池、氧化溝內(nèi)的需要采集的數(shù)據(jù)和控制的設(shè)備比較多,，所以單獨(dú)設(shè)置一個(gè)PLC控制站,。

　　4.2.1PLC2實(shí)現(xiàn)的功能

　　PLC2主要實(shí)現(xiàn)對氧化溝內(nèi)的曝氣機(jī)、閘門啟閉機(jī),、潛水推流器,、電動調(diào)節(jié)堰門、內(nèi)回流旋轉(zhuǎn)門等設(shè)備進(jìn)行控制,。在這里對曝氣機(jī)的控制室通過變頻器實(shí)現(xiàn)的,。在PLC內(nèi)部對溶解氧含量進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子,，調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速,，從而達(dá)到控制溶解氧含量的目的。

　　4.2.2控制柜設(shè)計(jì)

　　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(yùn)算來調(diào)節(jié)曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速,，同時(shí)需要控制潛水推流器等眾多設(shè)備,，為了滿足要求采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)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(diǎn),，數(shù)字量輸出38點(diǎn)，模擬量輸入20路,，模擬量輸出12路,，另外預(yù)留20%的I/O點(diǎn)備用。PLC1站需要6塊32點(diǎn)DI,，2塊32點(diǎn)DO,，4塊8通道AI，2塊8通道AO,。由于一個(gè)機(jī)架最多安裝8個(gè)信號模塊,，因此需要設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。在這里采用IM365近程擴(kuò)展一個(gè)機(jī)架,。

　　5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jī)上安裝STEP7編程軟件進(jìn)行程序的編制和調(diào)試工作。并通過在PC機(jī)中插入CP5611板卡,，連接PLC下載程序并監(jiān)視程序的運(yùn)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(chǎn)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(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置,、通訊組態(tài)、編程,、測試,、啟動和維護(hù)、文件建檔,、運(yùn)行和診斷功能等[7],。

5.1.2設(shè)計(jì)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(biāo)，雙擊該圖標(biāo)后,，進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器,。然后點(diǎn)擊“文件”>“新建”，選擇創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，輸入sewerage作為新項(xiàng)目的名稱并選擇項(xiàng)目文件的存放位置,，然后點(diǎn)擊OK,。

　　然后，進(jìn)行硬件組態(tài),。進(jìn)入STEP7的項(xiàng)目管理器之后,，在瀏覽窗口中右擊項(xiàng)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(gè)站“yanghuagou”,。

　　下面我們以PLC1站為例看一下站內(nèi)硬件組態(tài)的過程,。在SIMATICManager的瀏覽窗口中鼠標(biāo)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(biāo),。雙擊該圖標(biāo)進(jìn)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(jī)架的配置,。在配置過程中，添加到主機(jī)架中的模塊的定貨號應(yīng)該與實(shí)際的硬件一致,。在硬件目錄中選中一個(gè)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(jī)架后,，分別向機(jī)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(shí),，CPU的型號和操作系統(tǒng)版本都要與實(shí)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(shí)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(gè)32點(diǎn)的數(shù)字量輸入模塊和2個(gè)32點(diǎn)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(shí)際的硬件是一致的,。

　　在主機(jī)架的3號插槽插入IM365用于本地?cái)U(kuò)展。插入另外一個(gè)機(jī)架，并在3號槽插入IM365,。這時(shí)該擴(kuò)展機(jī)架上的IM365會與主機(jī)架上的IM365自動連接,。在擴(kuò)展機(jī)架上插入4個(gè)8路的模擬量輸入模塊和2個(gè)8路的模擬量輸出模塊。在硬件組態(tài)窗口的下面有詳細(xì)信息窗口,，其中顯示了相應(yīng)的模塊的地址,。各模塊是自動編址的，我們也可以修改各個(gè)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(biāo)簽頁，然后輸入相應(yīng)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(dāng)硬件目錄中的一個(gè)模塊被選中時(shí),，機(jī)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(shí),，會提示不能插入的原因,。硬件組態(tài)完成后，進(jìn)行存盤并編譯,。這時(shí)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(shí)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(jìn)行程序的編制。西門子S7系列PLC采用的是“塊式程序結(jié)構(gòu)”,，用“塊”的形式來管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù),，組成完整的PLC應(yīng)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(jìn)行下載和調(diào)試,。

　　5.1.3典型程序介紹



　　該程序段主要實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及傳感器故障報(bào)警。在污水處理過程中,，需要實(shí)時(shí)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(zhuǎn)化為原始的工程量進(jìn)行顯示,。由于在污水處理的現(xiàn)場存在信號干擾,，所以將內(nèi)碼值在+200和-200之間的輸入視為干擾，不進(jìn)行處理,。然后將該內(nèi)碼值送給FC105處理,。FC105SCALE功能是接收一個(gè)整型值(INT)，并將其轉(zhuǎn)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(shí)型值,。



　　該程序檢測溫度傳感器是否故障,。當(dāng)一個(gè)溫度模擬量對應(yīng)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(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。只有當(dāng)時(shí)當(dāng)該時(shí)間超過1000秒時(shí),，我們才對其進(jìn)行報(bào)警處理,。當(dāng)時(shí)間未到，出現(xiàn)了正常信號時(shí),，需要對計(jì)時(shí)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(jìn)行監(jiān)控。用戶登陸系統(tǒng)后看到主畫面顯示整個(gè)污水處理廠的工藝流程,。通過主畫面上的幾個(gè)按鈕可以進(jìn)入各個(gè)分畫面。分畫面包括工藝流程的各個(gè)部分以及報(bào)警,、趨勢畫面,。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)中的各個(gè)開關(guān)量和模擬量。監(jiān)控系統(tǒng)還可以完成實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和報(bào)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(jìn)技術(shù),，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(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)和無縫集成的特點(diǎn),。WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境,，可以于多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目,、可視窗口和菜單選項(xiàng),，使用方式靈活，功能齊全,。用戶在其友好的界面進(jìn)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(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線,、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等,。

　　5.2.2設(shè)計(jì)思路

　　程序運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)入主畫面。主畫面顯示污水處理的整個(gè)工藝流程,，同時(shí)在主畫面中顯示各個(gè)流程關(guān)鍵的開關(guān)量和模擬量的狀態(tài),，如設(shè)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(xì)的狀態(tài)以及對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制需要進(jìn)入工藝流程的分畫面。分畫面中可以顯示實(shí)時(shí)報(bào)警,、趨勢曲線,。同時(shí)對重要模擬量進(jìn)行歸檔，以便形成歷史趨勢曲線,，便于以后進(jìn)行查看和分析,。如果用戶想對畫面進(jìn)行操作，如設(shè)備控制,、參數(shù)更改等,，必須輸入用戶名和密碼進(jìn)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(quán)限。在中央監(jiān)控室可以對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)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(shè)計(jì)步驟

　　一、啟動WinCC并新建項(xiàng)目

　　啟動WinCC,，單擊“開始”>SIMATIC>WinCC>WindowsControlCenter6.0,。選擇“文件”>新建，此時(shí)會出現(xiàn)項(xiàng)目類型選擇對話框,。選擇單用戶項(xiàng)目,，輸入項(xiàng)目名稱，在這里輸入“sewerage”,，并選擇項(xiàng)目的存儲位置,。

　　二、安裝通訊驅(qū)動程序

　　添加一個(gè)通訊驅(qū)動程序,，鼠標(biāo)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(qū)動程序”,。在“添加新的驅(qū)動程序”對話框中選擇SIMATICS7ProtocolSuite.chn。單擊驅(qū)動程序前面的“+”,，將會顯示當(dāng)前驅(qū)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(qū)動程序的連接”菜單項(xiàng),。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(diǎn)，鼠標(biāo)右擊節(jié)點(diǎn)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(gè)項(xiàng)目中因處理大量的數(shù)據(jù)而需要很多的變量時(shí),，建議將變量組織為變量組,。只有這樣才能在大型的項(xiàng)目中始終注意各種事件。一般可將完成同一功能的變量或?qū)儆谕辉O(shè)備的變量歸結(jié)為一個(gè)組,。在新建的幾個(gè)變量組中添加多個(gè)“標(biāo)簽”,，這些“標(biāo)簽”，這些標(biāo)簽對應(yīng)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(dāng)我們運(yùn)行項(xiàng)目時(shí),，PLC的數(shù)據(jù)就被采集到計(jì)算機(jī)中。這些數(shù)據(jù)用于在監(jiān)控畫面中顯示,、歸檔,、報(bào)表打印等。

　　四,、創(chuàng)建過程畫面

　　1.設(shè)計(jì)主畫面



　　圖5.4上位機(jī)主畫面

　　主畫面顯示污水處理的整個(gè)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(jìn)入各個(gè)工藝流程分畫面；“報(bào)表曲線”用于進(jìn)入報(bào)表和趨勢曲線畫面,；報(bào)警窗口用于顯示實(shí)時(shí)報(bào)警和歷史報(bào)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(yùn)行時(shí)按“Ctrl+L”，可以進(jìn)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(jìn)行登陸,。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”時(shí)會顯示退出登陸對話框，可以進(jìn)行確認(rèn)退出和取消退出,，這樣可以防止用戶誤點(diǎn)擊退出系統(tǒng),。同時(shí)在畫面中始終顯示系統(tǒng)時(shí)間。

　　2.設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)房”,、“生化反應(yīng)池”、“二沉池”,、“紫外線消毒”幾個(gè)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(biāo),，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(biāo),，可以預(yù)覽對象庫中的圖形,。選擇相應(yīng)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(shí)在“標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行系統(tǒng)中顯示趨勢曲線和表格畫面,，首先需要進(jìn)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(shè)備的操作狀態(tài)有關(guān)的管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)行系統(tǒng)中,，可以以表格或趨勢曲線的形式輸出當(dāng)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?dú)w檔的過程值,。在一個(gè)歸檔中可以定義要?dú)w檔變量的不同采集類型,?？梢允欠侵芷凇⑦B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(gè)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(xiàng)卡中設(shè)置標(biāo)題、變量,、字體等,。

4.組態(tài)報(bào)警畫面

　　在WinCC中，報(bào)警記錄編輯器負(fù)責(zé)消息的采集和歸檔,，包擴(kuò)過程,、預(yù)加工、表達(dá)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(guān)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(shí)間,。系統(tǒng)可以通過畫面和聲音的形式報(bào)告記錄消息時(shí)間,，還可以用電子和書面的形式歸檔。報(bào)警可以通知操作員在生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障和錯(cuò)誤消息,，用于及早警告臨界狀態(tài)或縮短停機(jī)時(shí)間,。

　　WinCCAlarmControl作為顯示消息時(shí)間的消息視圖使用。用戶在組態(tài)時(shí)就可獲得高度的靈活性,，因?yàn)橄Ｍ@示的消息視圖,、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進(jìn)行組態(tài)。在WinCC運(yùn)行系統(tǒng)中,，報(bào)警事件將以表格的形式在畫面中,。在WinCC報(bào)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(xiàng)卡，對在控件中顯示的項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置,，能夠顯示報(bào)警日期、時(shí)間,、消息文本和錯(cuò)誤點(diǎn),。

　　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(jìn)行控制（簡稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟,，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù),。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便,，是在長期的工程實(shí)踐中總結(jié)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(xué)模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化,，所以人們往往采用PID控制技術(shù),，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線調(diào)整，從而得到滿意的控制效果,。

　　6.1.2PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)

　　考慮到PLC的運(yùn)算速度,，需要對PID算法進(jìn)行一下轉(zhuǎn)化，特別是積分項(xiàng)的計(jì)算,。由PID的離散形式方程可知,，積分項(xiàng)包括第一次采樣到當(dāng)前采樣時(shí)刻的所有誤差；微分項(xiàng)由本次和上次的采樣值決定,；而比例項(xiàng)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(shí)不實(shí)際的，也是不必要的,。因?yàn)樽缘谝粋€(gè)采樣時(shí)刻開始,，每次采樣獲得一個(gè)誤差，要由PLC計(jì)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(xiàng)存儲,。利用數(shù)字計(jì)算機(jī)的迭代運(yùn)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(jī),、羅茨風(fēng)機(jī),、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(gè)程序塊（FB）,，為每個(gè)需要PID程序控制的設(shè)備建立一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊（DI）,，這樣每次PID運(yùn)算之后的MX將會被保存。PID運(yùn)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(shí)現(xiàn)程序自動控制電動機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)一拖三控制。在一拖三級聯(lián)控制系統(tǒng)中，ATS48的運(yùn)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(shí)，將ATS48的輸出繼電器R1設(shè)置為“r1I（隔離繼電器）”,，把邏輯輸入LI3設(shè)置為“LIC（級聯(lián)控制）”,。電機(jī)主回路控制圖如下圖所示。



　　圖6.1電機(jī)主回路控制圖

　　圖中1KM1,、2KM1,、3KM1為電機(jī)1#、2#,、3#的主接觸器,，1KM2、2KM2,、3KM2為電機(jī)1#,、2#、3#的旁路接觸器,。下面以電機(jī)1為例說明電機(jī)的啟動停止過程,。

　　啟動時(shí)，按下啟動按鈕,，經(jīng)PLC延時(shí)后,，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)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(chǎn)生運(yùn)行信號，ATS48內(nèi)部繼電器R1吸合,，于是主接觸器1KM1合上,，ATS48按照設(shè)置的啟動時(shí)間啟動；啟動結(jié)束后,，ATS48內(nèi)部繼電器R2合上,，于是旁路接觸器1KM2合上，此時(shí)1KM1和1KM2同時(shí)吸合,；在較短的一段時(shí)間（由ATS48決定）之后,，R2在R1之后失電，1KM1斷開,，電機(jī)繼續(xù)由1KM2供電,，完成整個(gè)啟動過程。同理可以啟動2#電機(jī)和3#電機(jī),。

　　停止時(shí),，按下停止按鈕,，經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)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(nèi)部繼電器R1,、R2吸合（R2為脈沖信號,，R1保持閉合直到電機(jī)完全停下來），于是主接觸器1KM1吸合,，ATS48與正在運(yùn)行的電機(jī)接上,；LI3脈沖信號的下降沿經(jīng)PLC延時(shí)后，輸出一個(gè)500ms（該時(shí)間應(yīng)大于100ms）的負(fù)脈沖信號給ATS48的STOP端,，ATS48的內(nèi)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(shè)置的停車時(shí)間使電機(jī)停車,，停車完成后,，ATS48內(nèi)部繼電器R1斷開，于是主接觸器1KM1斷開,，完成整個(gè)停車過程,。同理可以停止2#電機(jī)和3#電機(jī)。

　　在PLC內(nèi)部,，我們設(shè)置一個(gè)字節(jié)的變量作為啟動狀態(tài)的標(biāo)志,，分別標(biāo)識軟起準(zhǔn)備好、軟起中,、軟起完成,、完成延時(shí)斷開、停止等,。同時(shí),，對啟動器運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果軟起開始運(yùn)行后經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間PLC還沒有收到軟起完成的信號,，則認(rèn)為是軟起動器故障,。

　　7結(jié)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(jì)算機(jī)技術(shù),、儀器儀表、電力電子等眾多學(xué)科,，是一個(gè)復(fù)雜的綜合性領(lǐng)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(shè)計(jì)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(shí)，對在污水處理中的控制策略進(jìn)行了介紹,，包括PID算法在PLC中的實(shí)現(xiàn)以及一臺軟啟動器拖動三臺電動機(jī)的具體實(shí)現(xiàn),。