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                   摘  要：介紹了由Simatic S7-400 PLC、通用變頻器MicroMaster和工控組態(tài)軟件WinCC組成的基于ProfiBus-FMS總線的分布式控制系統(tǒng)及其在污水處理工廠中的應(yīng)用。系統(tǒng)采用集中管理、分散控制的方式，上位機負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制和監(jiān)視，控制站負責(zé)對具體的工藝、設(shè)備、主要被控參數(shù)進行控制及采集各種運行數(shù)據(jù);上位機與PLC之間組網(wǎng)簡單、運行速度快、通信穩(wěn)定性強，系統(tǒng)提高了污水處理設(shè)備運行效率和管理水平，具有積極的推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：污水處理;溶解氧;分布式控制系統(tǒng);ProfiBus;WinCC
　　長期以來,在我國城市建設(shè)快速發(fā)展的過程中，由于對環(huán)境保護基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重視不夠、投入不足，污水直接排入城市水系及相關(guān)流域,造成江河湖泊水質(zhì)和地下水污染,城市水環(huán)境污染問題日益突出，污水凈化就成為改善城鎮(zhèn)居民生活環(huán)境、提高人民健康水平的主要手段之一。為保證污水處理工藝可靠、順利實施，自動控制系統(tǒng)的設(shè)計及控制技術(shù)的運用要以可靠性為基礎(chǔ)，綜合考慮控制技術(shù)先進性、可擴展性，同時兼顧降低系統(tǒng)造價。
　　在污水處理控制系統(tǒng)中，除了存在分布區(qū)域廣、設(shè)備分散、控制點多及控制信息復(fù)雜等要求外，同時具有控制輸入和輸出以開關(guān)量參數(shù)居多，模擬量參數(shù)少的特點，而這些都是PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢所在，因此，以PLC為主體就成為污水處理廠自動控制系統(tǒng)的主要控制模式[1]。本文將以某市的污水處理廠為例，簡要介紹S7-400 PLC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1 系統(tǒng)工藝介紹
　　某市污水處理廠是省重點工程,近期污水水量為30萬立方米/天，高峰污水量16250立方米/小時，遠期污水水量為40萬立方米/天，采用具有脫氮除磷功能的A/A/O活性污泥法工藝法，污水經(jīng)二級處理后排入附近河流進行灌溉，污泥采用機械濃縮脫水后外運。同時該工程還預(yù)留了污泥消化處理工段，所以對系統(tǒng)的擴展性、開放性及該系統(tǒng)的可持續(xù)性，具有相當(dāng)高的要求。系統(tǒng)工藝流程見圖1。
2 控制系統(tǒng)組成
　　污水處理采用分布式計算機監(jiān)控管理方式，由中央控制室的上位計算機管理控制系統(tǒng)、廠區(qū)三個現(xiàn)場控制站組成。中央控制室和廠區(qū)三個現(xiàn)場控制站之間以一個冗余的100Mbps光纖工業(yè)以太網(wǎng)組成一個有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。各個現(xiàn)場控制站可以獨立運行，在現(xiàn)場進行工藝檢測參數(shù)、設(shè)備運行工況信號的采集、檢測和控制，并通過該站的人機界面對設(shè)備運行操作，同時通過ProfiBus總線向中央控制室進行實時傳送，以備工作人員監(jiān)視;中控室的操作人員通過ProfiBus將必要的控制參數(shù)下傳到各個現(xiàn)場控制單元，以調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時，為備現(xiàn)場操作，每個現(xiàn)場監(jiān)控單元均有手動/自動按鈕，可實現(xiàn)現(xiàn)場和遠控操作，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運行的經(jīng)濟性。另外，污水控制系統(tǒng)還通過Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機與廠管理網(wǎng)進行互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)管控一體化。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 污水處理系統(tǒng)工藝流程

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

　　現(xiàn)場控制站采用西門子S7 400 PLC，CPU采用416-3DP CPU，配有開關(guān)量輸入DI模塊、開關(guān)量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對PLC各個模塊的參數(shù)進行組態(tài)。現(xiàn)場控制站在與設(shè)備自帶的PLC通訊時，采用ProfiBus-FMS的方式[2]，包括現(xiàn)場自動化單元、集控單元和現(xiàn)場總線通訊三個部分，現(xiàn)場總線物理層采用EIA-RS-485協(xié)議，通信板卡采用CP5611，用于主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個字符為11個位。在CP5611通信軟卡安裝時，與Softnet-DP軟件配套使用;10KV及各變電所的相關(guān)信號，通過智能繼電保護裝置及智能空氣斷路器、用PROFIBUS-DP的通訊方式與現(xiàn)場控制站交換數(shù)據(jù)，每個間隔保護及測量裝置均作為現(xiàn)場控制站的從站。
　　中央控制室的上位計算機采用工業(yè)計算機，并用大型電子投影儀作為電子屏，操作系統(tǒng)選用Windows2000 Professional，并配用WinCC組態(tài)軟件。該工控組態(tài)軟件是一個集成的HMI系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，具有畫面顯示、趨勢曲線、報警處理、報表處理、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)上瀏覽等功能。其特性之一是全面開放，各系統(tǒng)集成商可用WinCC 作為其系統(tǒng)擴展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。本系統(tǒng)將WinCC 與STEP7 配合使用。因為在STEP7 中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節(jié)省了工程開發(fā)時間。另外，WinCC中的C語言腳本及提供的與數(shù)據(jù)庫之間的接口更增加了其應(yīng)用功能，可滿足用戶的復(fù)雜要求[3]。
3 主要控制功能
　　污水處理控制系統(tǒng)主要有6個子系統(tǒng)組成[4]：粗細格柵程控系統(tǒng)、水泵程控系統(tǒng)、生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　3.1 粗細格柵程控系統(tǒng)
　　粗細格柵均采用液位差控制，在粗細格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0～10V的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊，當(dāng)液位差超過設(shè)定值時，PLC強制啟動格柵進行清渣，否則按預(yù)定周期清渣。為保證控制可靠運行，需定期對超聲波液位計進行維護和校正。格柵程控系統(tǒng)根據(jù)格柵前后的水位差，自動控制柵耙，按預(yù)定周期運行，以保證格柵正常工作，格柵調(diào)節(jié)有現(xiàn)場控制（手動）和遠程控制（自動）兩種模式。
　　3.2 水泵程控系統(tǒng)
　　水泵程控系統(tǒng)按水泵池的液位經(jīng)過MicroMaster通用變頻器，并采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)和流量。每臺泵房均有主運行泵、備用泵，以備不測。對每個泵的控制，同樣有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種模式。
　　3.3 生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　生物反應(yīng)池是污水進行生化反應(yīng)的場所，主要通過轉(zhuǎn)刷控制污水的曝氣時間。生物反應(yīng)池中設(shè)有轉(zhuǎn)刷，并在出水口設(shè)有溶解氧儀、氧化還原電位計和污泥濃度計、SIPAN32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計輸入信號連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調(diào)。曝氣空氣量的調(diào)整，采用控制鼓風(fēng)機導(dǎo)葉片的方式，即通過改變鼓風(fēng)機導(dǎo)葉片的角度來改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。
　　3.4 回流污泥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　回流污泥量的調(diào)節(jié)是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，其調(diào)節(jié)采用數(shù)字式增量PID控制方式，按進入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開啟臺數(shù)和回流污泥管道上閥門的角度，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調(diào)節(jié)均由變頻器控制。
　　3.5 泥溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　其任務(wù)是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內(nèi)，以保證其在35℃內(nèi)充分發(fā)酵。泥溫調(diào)節(jié)采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來改變換熱量，以實現(xiàn)污泥溫度的調(diào)節(jié)。對每個泵的控制，也都有現(xiàn)場控制和遠程控制兩種模式。
　　3.6 清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)
　　清化調(diào)節(jié)系統(tǒng)由沼氣攪拌程控系統(tǒng)、消化池配泥程控系統(tǒng)、濾池程控系統(tǒng)等組成，主要完成水質(zhì)的清化過程，滿足環(huán)保要求。若以上各現(xiàn)場控制單元PLC任何一臺出現(xiàn)故障，現(xiàn)場報警信號立即通過網(wǎng)絡(luò)反饋到中控監(jiān)視室，并在監(jiān)視屏上顯示故障位置，同時聲光報警，操作人員便可根據(jù)實際情況進行操作，排除故障或自動啟動備用泵。
4 控制程序設(shè)計
　　系統(tǒng)有四種控制方式：本地手動控制、單臺設(shè)備點動控制、成組設(shè)備自動控制、全廠設(shè)備全自動控制。前三種方式一般只在設(shè)備調(diào)試或維修時使用，正常狀況下系統(tǒng)主要以全自動控制方式運行，在這種方式下，所有各類設(shè)備都由PLC按照預(yù)先編制的程序自動控制，不需要操作人員干預(yù)，各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過PLC傳至中控室的上位機，中控室可監(jiān)視各現(xiàn)場站的全部運行信息，并可控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動和停止。生物反應(yīng)池中的生物處理部分是整個污水處理的關(guān)鍵部分，限于篇幅，僅介紹生物反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的程序設(shè)計。
　　反應(yīng)池空氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來控制從污水進入反應(yīng)池到處理后的污水流出反應(yīng)池的整個過程，在這個過程中，包括控制各種閥、泵、風(fēng)機的順序及定時開關(guān)和風(fēng)機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等。污水在池中是通過微生物的生物氧化作用來去除有機物的，水中氧的含量對污水的處理效果是至關(guān)重要的，根據(jù)工藝要求，曝氣池內(nèi)的溶解氧含量通?？刂圃?～3mg/L范圍內(nèi)，在曝氣階段未溶解氧含量應(yīng)不超過2mg/L，含氧量過低或過高，均會影響出水質(zhì)量，每隔5min檢測一次曝氣池內(nèi)的溶解氧值，根據(jù)溶解氧的平均值來控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，若溶解氧低于設(shè)定下限時，調(diào)頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加5%，若溶解氧高于設(shè)定上限時，調(diào)頻風(fēng)機轉(zhuǎn)速降低5%， 這樣就實現(xiàn)了反應(yīng)池供氧量的自動調(diào)節(jié)，既避免了不必要的能源損失，又優(yōu)化了運行工藝。反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖如圖3 所示：

圖3 反應(yīng)池溶解氧控制程序流程圖
　　根據(jù)上述控制過程要求，應(yīng)用程序主要由5個程序模塊組成：
　　（1）公用程序模塊（OB1），包括初始化部分、反應(yīng)周期設(shè)定、工藝時間設(shè)定、溶解氧設(shè)定、調(diào)用條件設(shè)定等。
　　（2）開關(guān)量順序控制模塊（FC10），其功能包括協(xié)調(diào)控制各個閥、泵、風(fēng)機等設(shè)備的運行及相關(guān)故障的報警，池的進氣閥、進水閥、出水閥、回流泵、剩余污泥泵的控制。
　?。?）斷電保護模塊（FC16），功能是系統(tǒng)斷電后，將所有狀態(tài)鎖存，待加電后使PLC恢復(fù)所保持的狀態(tài)繼續(xù)運行。
　?。?）通信模塊（FC20），用來完成PLC與上位機的各種數(shù)據(jù)傳送。
　?。?）溶解氧值自動調(diào)節(jié)模塊（FC5），主要功能是根據(jù)溶解氧值來調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速以及相關(guān)故障的報警。
5 結(jié)語
　　系統(tǒng)采用了ProfiBus-FMS總線技術(shù)，將Simatic S7-400 PLC、變頻器MicroMaster和工控機等主要控制設(shè)備有機結(jié)合，具有組網(wǎng)簡單、運行速度快、通信穩(wěn)定性強等特點，通過與變頻調(diào)速技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的配合使用，提高了整個污水處理系統(tǒng)的自動化水平。同時，由于其模塊化特性，若處理規(guī)模加大，只需增加相應(yīng)的功能模塊，增加適當(dāng)?shù)能浖δ芫涂稍谳^小的投入下很方便地實現(xiàn)規(guī)模擴展，對我國污水處理的自動化建設(shè)具有一定的推廣價值。
參考文獻
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