西門子PLC和WINCC在污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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(shè)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(shè)備的運行狀態(tài)。當(dāng)現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選擇到“遠(yuǎn)程”時，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(shè)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(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(shè)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(shè)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(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，在上位機監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動”運行狀態(tài)，然后手動控制設(shè)備的運行。
4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1PLC1站設(shè)計
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實現(xiàn)的功能
在粗格柵間共設(shè)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(shè)定的時間實現(xiàn)輪流自動啟停。與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機負(fù)責(zé)將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎。在控制時，為確保設(shè)備安全，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機聯(lián)動，以防止螺旋壓榨機空轉(zhuǎn)。聯(lián)動順序為：螺旋壓榨機→粗格柵，關(guān)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(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實現(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、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(jìn)行遠(yuǎn)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(guān)機順序相反。羅茨給曝氣池鼓風(fēng)，羅茨風(fēng)機由PLC根據(jù)時間控制啟停，自動輪換。
4.1.2控制柜設(shè)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(yù)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(shè)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(shè)計
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，所以單獨設(shè)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(nèi)的曝氣機、閘門啟閉機、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。在這里對曝氣機的控制室通過變頻器實現(xiàn)的。在PLC內(nèi)部對溶解氧含量進(jìn)行PID運算，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子，調(diào)節(jié)曝氣機轉(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
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(diào)節(jié)曝氣機轉(zhuǎn)速，同時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(yù)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(shè)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(shè)計
該污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)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(jìn)行程序的編制和調(diào)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(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、運行和診斷功能等[7]。
5.1.2設(shè)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(biāo)，雙擊該圖標(biāo)后，進(jìn)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(jìn)行硬件組態(tài)。進(jìn)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(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(yīng)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。
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