基于S7-400的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　1 引言

　　近年來我國集約化大規(guī)?，F(xiàn)代化污水處理廠自動(dòng)化程度要求越來越高，污水處理的自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)具有全自動(dòng)的邏輯控制，系統(tǒng)能夠長期安全無故障的運(yùn)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(tǒng)運(yùn)用siemens的s7-400系列、webaccess組態(tài)軟件和profibus-dp現(xiàn)場總線來構(gòu)建一個(gè)分布式的自動(dòng)控制系統(tǒng)，從而提高了污水處理的自動(dòng)化程度和系統(tǒng)的高可靠性。

　　2 工藝流程

　　該水廠占地120多萬平方米，一期工程設(shè)計(jì)處理能力為8萬噸/天，二期工程完工后將達(dá)到12萬噸/天。鑒于水質(zhì)的特點(diǎn)，該水廠采用的是奧貝爾氧化溝工藝。工藝流程如圖1所示。

　　首先來自城市污水管網(wǎng)的污水經(jīng)過水廠的污水進(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(hù)后續(xù)的動(dòng)力設(shè)備。然后經(jīng)提升泵提升，以提高水的重力勢(shì)能，從而使水可以依靠重力的作用流過后續(xù)各個(gè)構(gòu)筑物。接著污水進(jìn)入細(xì)格柵，在細(xì)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(jí)處理階段：污水首先進(jìn)入?yún)捬醭嘏渌?，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(nèi)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(jī)物降解為小分子、易降解的有機(jī)物（多為甲烷和乙酸），并將大部分的磷去除。緊接著污水進(jìn)入下一構(gòu)筑物--氧化溝，氧化溝是污水生化反應(yīng)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(jī)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(jī)物得到進(jìn)一步降解，絕大多數(shù)有機(jī)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。接下來污水和部分活性污泥一起流入綜合井，通過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(dá)到一定濃度后一部分被泵送到生物反應(yīng)池前端和流入的污水再次混合。另外一部分送入儲(chǔ)泥池，為防止磷二次釋放，仍要對(duì)污泥進(jìn)行二次曝氣，然后送到脫水間脫水，脫水后送出廠外掩埋。而沉淀好的清水則流入加氯接觸池進(jìn)行深度處理以滿足水體受納標(biāo)準(zhǔn)，最后排放出去。

　　圖1：工藝流程

　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)根據(jù)該污水廠工藝要求和設(shè)計(jì)要求，考慮到系統(tǒng)的可靠性、開放性、易維護(hù)性和可擴(kuò)展性，按“集中管理，分散控制”的原則，采用了分布式結(jié)構(gòu)。該水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)由中央控制室、各分布plc控制站和現(xiàn)場儀表及電控柜構(gòu)成三級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)共2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其中一臺(tái)備用。還有3個(gè)plc控制主站。通過現(xiàn)場總線將控制主站和中央控制室的上位工程師站相連接，便于監(jiān)控。并將上位工程師站、操作員站、總工程師站與廠長室的計(jì)算機(jī)接入以太網(wǎng)，由管理機(jī)完成各項(xiàng)管理功能。這樣整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)便構(gòu)成了scada遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制等功能。

　　3.2 控制方式

　　該系統(tǒng)中主要工藝設(shè)備采用三種控制模式，即就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程plc控制和自動(dòng)控制?，F(xiàn)場的泵類、表曝機(jī)和設(shè)備開啟關(guān)閉等開關(guān)信號(hào)、各構(gòu)筑物模擬信號(hào)（如do、t-p、ph、tss、等）全部經(jīng)過plc在上位機(jī)上顯示?，F(xiàn)場各監(jiān)控點(diǎn)的物理參數(shù)，均通過profibus總線與plc主站相連。

　　3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

　?。?）上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。上位機(jī)采用了兩臺(tái)研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場的plc主站相連。上位機(jī)操作系統(tǒng)采用的是windows xp，監(jiān)控軟件采用的是webaccess.上位機(jī)的主要功能是對(duì)污水處理廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；完成控制系統(tǒng)的組態(tài)，同時(shí)可以進(jìn)行在線、離線編程及設(shè)定參數(shù)的修改；通過顯示的控制過程畫面和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來監(jiān)控生產(chǎn)過程；能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和儲(chǔ)存并且能夠完成報(bào)表打印。另外在工廠局域網(wǎng)內(nèi)接入了inte-rnet，從而實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)、本地網(wǎng)、遠(yuǎn)程網(wǎng)的跨區(qū)域遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控功能。這樣管理者可以隨時(shí)隨地的通過各種上網(wǎng)方式獲得水廠的信息，將范圍擴(kuò)展到了工廠監(jiān)控級(jí)，實(shí)現(xiàn)了上層信息網(wǎng)和控制網(wǎng)相結(jié)合。

　　（2） 單元控制站。根據(jù)工藝的要求，全廠共設(shè)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(duì)程序規(guī)模、指令處理速度及通訊要求較高的場合。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(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)檢測，設(shè)備運(yùn)行信號(hào)的采集、檢測和控制，并可通過該站的人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，同時(shí)向上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)。上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的控制參數(shù)通過光纖以太網(wǎng)傳送給單元控制站，然后由單元控制站完成對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的控制。單元控制站也對(duì)自身模板進(jìn)行監(jiān)控，其診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和過程的功能，記錄錯(cuò)誤和特定系統(tǒng)事件。如果出現(xiàn)診斷報(bào)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程序的執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)的診斷中斷模塊。

　　4 單元控制站設(shè)計(jì)

　　4.1 plc1站

　　plc1站主要負(fù)責(zé)粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵和旋流沉砂池等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場控制柜以及電動(dòng)閘門的開啟。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(kuò)展機(jī)架。本站對(duì)粗格柵、細(xì)格柵的控制采用液位差和時(shí)間控制。即當(dāng)格柵前后液位差大于設(shè)定值后啟動(dòng)格柵機(jī)，或者當(dāng)距離上次格柵運(yùn)行的時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)也要啟動(dòng)格柵機(jī)。這兩種控制方式中液位差控制的優(yōu)先級(jí)比時(shí)間控制的優(yōu)先級(jí)高。格柵機(jī)的控制流程圖，如圖3所示。

　　圖3：格柵機(jī)的控制流程圖

　　對(duì)提升泵的控制是根據(jù)液位的高低決定泵的啟停，其控制流程圖如圖4所示。