基于S7-400的污水處理自動(dòng)控制系統的設計方案

　　1 引言

　　近年來(lái)我國集約化大規?，F代化污水處理廠(chǎng)自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，污水處理的自動(dòng)化控制系統應具有全自動(dòng)的邏輯控制，系統能夠長(cháng)期安全無(wú)故障的運行，且具有很高的可靠性。本文介紹的污水處理自動(dòng)控制系統運用siemens的s7-400系列、webaccess組態(tài)軟件和profibus-dp現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)構建一個(gè)分布式的自動(dòng)控制系統，從而提高了污水處理的自動(dòng)化程度和系統的高可靠性。

　　2 工藝流程

　　該水廠(chǎng)占地120多萬(wàn)平方米，一期工程設計處理能力為8萬(wàn)噸/天，二期工程完工后將達到12萬(wàn)噸/天。鑒于水質(zhì)的特點(diǎn)，該水廠(chǎng)采用的是奧貝爾氧化溝工藝。工藝流程如圖1所示。

　　首先來(lái)自城市污水管網(wǎng)的污水經(jīng)過(guò)水廠(chǎng)的污水進(jìn)水管道進(jìn)入粗格柵，在粗格柵，比較大的懸浮物被攔截，以保護后續的動(dòng)力設備。然后經(jīng)提升泵提升，以提高水的重力勢能，從而使水可以依靠重力的作用流過(guò)后續各個(gè)構筑物。接著(zhù)污水進(jìn)入細格柵，在細格柵較小的懸浮物進(jìn)一步被攔截。然后流入回旋沉砂池，進(jìn)行砂水分離。然后污水進(jìn)入二級處理階段：污水首先進(jìn)入厭氧池配水井，在這里污水與活性污泥完成混合后被均勻的分配到兩座厭氧池中，污水會(huì )在這里流動(dòng)大約6小時(shí)，并在厭氧池內高活性厭氧微生物的作用下，將廢水中的大分子、難降解的有機物降解為小分子、易降解的有機物（多為甲烷和乙酸），并將大部分的磷去除。緊接著(zhù)污水進(jìn)入下一構筑物--氧化溝，氧化溝是污水生化反應的主要階段。污水在這里流動(dòng)大約9小時(shí)，這時(shí)大量的空氣被表曝機曝入水體，在高活性好氧微生物的作用下，污水中幾乎所有的有機物得到進(jìn)一步降解，絕大多數有機物被分解完畢。其中污水中的氮也主要是在這個(gè)階段被除去。接下來(lái)污水和部分活性污泥一起流入綜合井，通過(guò)綜合井被均勻的分配到四個(gè)二沉池中。在二沉池中處理好的污水和活性污泥分離，活性污泥達到一定濃度后一部分被泵送到生物反應池前端和流入的污水再次混合。另外一部分送入儲泥池，為防止磷二次釋放，仍要對污泥進(jìn)行二次曝氣，然后送到脫水間脫水，脫水后送出廠(chǎng)外掩埋。而沉淀好的清水則流入加氯接觸池進(jìn)行深度處理以滿(mǎn)足水體受納標準，最后排放出去。

　　圖1：工藝流程

　　3 控制系統設計

　　3.1 系統網(wǎng)絡(luò )結構

　　本系統根據該污水廠(chǎng)工藝要求和設計要求，考慮到系統的可靠性、開(kāi)放性、易維護性和可擴展性，按“集中管理，分散控制”的原則，采用了分布式結構。該水廠(chǎng)的自動(dòng)控制系統由中央控制室、各分布plc控制站和現場(chǎng)儀表及電控柜構成三級監控網(wǎng)絡(luò )。系統結構如圖2所示。

　　圖2：系統結構框圖

　　2 監控系統網(wǎng)絡(luò )結構

　　控制系統共2臺監控計算機，其中一臺備用。還有3個(gè)plc控制主站。通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將控制主站和中央控制室的上位工程師站相連接，便于監控。并將上位工程師站、操作員站、總工程師站與廠(chǎng)長(cháng)室的計算機接入以太網(wǎng)，由管理機完成各項管理功能。這樣整個(gè)自動(dòng)化監控系統便構成了scada遠程監控系統，從而實(shí)現了數據采集、處理、監視及對現場(chǎng)設備進(jìn)行控制等功能。

　　3.2 控制方式

　　該系統中主要工藝設備采用三種控制模式，即就地手動(dòng)控制、遠程plc控制和自動(dòng)控制?，F場(chǎng)的泵類(lèi)、表曝機和設備開(kāi)啟關(guān)閉等開(kāi)關(guān)信號、各構筑物模擬信號（如do、t-p、ph、tss、等）全部經(jīng)過(guò)plc在上位機上顯示?，F場(chǎng)各監控點(diǎn)的物理參數，均通過(guò)profibus總線(xiàn)與plc主站相連。

　　3.3 系統功能設計

　?。?）上位機監控系統的功能。上位機采用了兩臺研華工業(yè)控制計算機，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與現場(chǎng)的plc主站相連。上位機操作系統采用的是windows xp，監控軟件采用的是webaccess.上位機的主要功能是對污水處理廠(chǎng)的數據進(jìn)行采集；對自動(dòng)控制系統的參數進(jìn)行設置；完成控制系統的組態(tài)，同時(shí)可以進(jìn)行在線(xiàn)、離線(xiàn)編程及設定參數的修改；通過(guò)顯示的控制過(guò)程畫(huà)面和實(shí)時(shí)的數據來(lái)監控生產(chǎn)過(guò)程；能對歷史數據進(jìn)行統計分析和儲存并且能夠完成報表打印。另外在工廠(chǎng)局域網(wǎng)內接入了inte-rnet，從而實(shí)現了局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠程網(wǎng)的跨區域遠程現場(chǎng)設備監控功能。這樣管理者可以隨時(shí)隨地的通過(guò)各種上網(wǎng)方式獲得水廠(chǎng)的信息，將范圍擴展到了工廠(chǎng)監控級，實(shí)現了上層信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結合。

　?。?） 單元控制站。根據工藝的要求，全廠(chǎng)共設有3個(gè)單元控制站，分別為plc1站、plc2站和plc3站。單元控制站選用simatic s7-400系列的plc.cpu選用了cpu414-3dp，該cpu具有中等性能，適用于對程序規模、指令處理速度及通訊要求較高的場(chǎng)合。它帶有一個(gè)mpi/dp接口，一個(gè)dp接口，還有一個(gè)profinet接口，同時(shí)為dp接口和profinet接口分配的分布式i/o點(diǎn)地址分別為8kb.單元控制站在現場(chǎng)進(jìn)行參數檢測，設備運行信號的采集、檢測和控制，并可通過(guò)該站的人機界面對設備進(jìn)行操作，同時(shí)向上位機系統實(shí)時(shí)傳送數據。上位機系統設定的控制參數通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳送給單元控制站，然后由單元控制站完成對現場(chǎng)設備的控制。單元控制站也對自身模板進(jìn)行監控，其診斷系統連續監測系統和過(guò)程的功能，記錄錯誤和特定系統事件。如果出現診斷報文事件，那么模板將會(huì )觸發(fā)一個(gè)診斷中斷，此后單元控制站中斷用戶(hù)程序的執行，執行相應的診斷中斷模塊。

　　4 單元控制站設計

　　4.1 plc1站

　　plc1站主要負責粗格柵、進(jìn)水泵房、細格柵和旋流沉砂池等設備的數據采集、現場(chǎng)控制柜以及電動(dòng)閘門(mén)的開(kāi)啟。本站主要配備1塊cpu414-3dp模塊、2塊ps407 10a電源模塊、1塊cp 443-1通訊處理器、2塊im 460-0接口模塊、5個(gè)16路di模塊、3個(gè)16路do模塊、5個(gè)8路ai模塊、1個(gè)8路ao模塊和一個(gè)擴展機架。本站對粗格柵、細格柵的控制采用液位差和時(shí)間控制。即當格柵前后液位差大于設定值后啟動(dòng)格柵機，或者當距離上次格柵運行的時(shí)間大于設定值時(shí)也要啟動(dòng)格柵機。這兩種控制方式中液位差控制的優(yōu)先級比時(shí)間控制的優(yōu)先級高。格柵機的控制流程圖，如圖3所示。

　　圖3：格柵機的控制流程圖

　　對提升泵的控制是根據液位的高低決定泵的啟停，其控制流程圖如圖4所示。