控制要求

　　“分散控制，集中管理，數(shù)據(jù)共享”是污水自動控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，選型要求系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運行可靠、操作簡單、維護方便，并且要求整個系統(tǒng)具有擴展性好、運行成本經(jīng)濟、性能價格價比高[1]。自控化控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)生產(chǎn)全過程自動控制、自動保護、自動調(diào)節(jié)和自動報警，并且重要設(shè)備、重要參數(shù)實時監(jiān)控。

污水處理工程自動化控制系統(tǒng)的基本設(shè)計要求如下：

（1）系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式。主控室上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)可直接控制各分站設(shè)備，當網(wǎng)絡(luò)故障時，不會影響各PLC分站的正常工作，此時PLC分站可獨立工作或通過就地控制箱對設(shè)備進行手動控制。上位機系統(tǒng)負責整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，PLC各分站按照工藝要求實現(xiàn)本站內(nèi)各設(shè)備的自動控制。

（2）控制過程采用閉環(huán)控制方式，對工藝參數(shù)采集并反饋到系統(tǒng)中，可極大提高系統(tǒng)的抗沖擊性并具有良好的適應(yīng)性。

（3）對主要工藝參數(shù)如水質(zhì)、溫度、流量、液位、pH值和各種機電設(shè)備的工作狀態(tài)，工藝參數(shù)臨界值進行監(jiān)控，系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，可通過OPC服務(wù)器或者OPC客戶端方式在線訪問。

（4）控制系統(tǒng)具備自動控制與手動控制兩種運行方式。一般情況下采用自動控制模式，當系統(tǒng)不具備自動控制模式時改為手動控制模式，手動控制模式又細分為主控室控制與現(xiàn)場控制兩種工作方式。（5）組態(tài)監(jiān)控畫面的設(shè)計要符合系統(tǒng)工藝，符合現(xiàn)場操作人員使用習慣，同時設(shè)定不同的級別權(quán)限或等級，確保系統(tǒng)運行安全。

　　硬件設(shè)計

　　1控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　當前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是一種生產(chǎn)現(xiàn)場最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一，具有多方面的優(yōu)點，比如價格低、性能穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、軟硬件產(chǎn)品線豐富、技術(shù)成熟等，目前已經(jīng)接近現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的市場占有率。本次設(shè)計的礦區(qū)生活污水處理控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。為了提高網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生故障時的可恢復性能，主干網(wǎng)絡(luò)使用多模光纖百兆環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)。見圖1。網(wǎng)絡(luò)采用的是單環(huán)結(jié)構(gòu)，即在環(huán)網(wǎng)中的每一個分站布置一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機。本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可抵御一定故障，如網(wǎng)絡(luò)中某一通道發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)會很快生成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，邏輯上構(gòu)成的是一個總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能持續(xù)保持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信暢通。

　　2PLC硬件設(shè)計

　?。?）PLC選型。針對污水處理控制系統(tǒng)占地面積較大，控制設(shè)備多且分散，環(huán)境潮濕、臟、臭等特殊因素。本設(shè)計選用西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC，S7-300PLC為中型PLC，采用模塊化結(jié)構(gòu)，控制點數(shù)多，性能高，配置靈活，擴展方便。S7-300PLC各模塊安裝在一個或多個導軌上，通過背板總線相連。（2）控制系統(tǒng)硬件組成。本設(shè)計控制系統(tǒng)包括一個主站和兩個分站。主站位于主控室，包括上位機和顯示器，打印機等。分站各包含一套西門子S7-300PLC。主站用于監(jiān)控，配有打印機，用于輸出故障報警信息和各種生產(chǎn)報表。工控機同時作為OPC服務(wù)器和OPC客戶機，用來發(fā)布和上傳報表。工控機主站顯示器上可以看到生產(chǎn)過程動態(tài)畫面，儀表測量值、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，鍵盤和鼠標可進行畫面選擇和生產(chǎn)設(shè)備的控制。在兩個分站各設(shè)置一套S7-300PLC，組成為一個電源模塊PS307,一個CPU模塊CPU315-2DP，若干塊擴展模塊（DI/DO/AI/AO）和一塊以太網(wǎng)通信模塊343-1。PLC分站模塊構(gòu)成見圖2。兩個PLC分站中PLC1負責格柵池，水解池，A/O池和二沉池所有設(shè)備的控制。PLC2負責活性炭過濾池、多介質(zhì)過濾池、清水池及中間水池全部設(shè)備的控制。PLC分站的控制點數(shù)量如表1所示。

　　軟件設(shè)計

　　PLC編程語言既可以采用梯形圖語言LAD，又可以采用語句表STL編程語言和功能塊圖FBD，本設(shè)計以梯形圖為主。

　　1污水處理控制程序流程圖

　　根據(jù)污水處理工藝及控制要求，應(yīng)首先設(shè)計系統(tǒng)的流程圖及全部程序流程圖。并以此指導PLC程序的編寫。由于篇幅所限只列出系統(tǒng)總流程圖。系統(tǒng)總流程圖如圖3所示。

　　2PLC程序的組成及功能

　　系統(tǒng)的程序包括主程序OB1及8個功能塊模塊FC1～FC8。主程序為組織塊OB1。主要作用為循環(huán)調(diào)用各功能子程序。功能塊FC1～FC4是各執(zhí)行機構(gòu)的運行子程序，其中功能塊FC1是格柵池控制程序，功能塊FC2是調(diào)節(jié)池控制程序，功能塊FC3是立式回用水泵運行控制程序，功能塊FC4是立式回流水泵運行控制程序。其它功能塊分別是功能塊FC5～功能塊FC8。其中功能塊FC5為報警程序（包括故障報警、水位超限報警等）。功能塊FC6是工程量轉(zhuǎn)換程序（用于模擬量輸入值轉(zhuǎn)換為工程量）。功能7（FC7）是液位轉(zhuǎn)換程序。功能8（FC8）是DB數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)處理程序。

　　5污水處理監(jiān)控組態(tài)畫面設(shè)計

　　上位機監(jiān)控組態(tài)畫面采用西門子WinCC實現(xiàn)。組態(tài)實現(xiàn)主要包括建立變量，建立畫面，實時和歷史數(shù)據(jù)記錄及報警等。

　　1創(chuàng)建污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計項目

　　（1）建立項目。打開WinCC，新建項目并設(shè)定系統(tǒng)屬性，“系統(tǒng)屬性”中計算機名稱一定要與計算機操作系統(tǒng)設(shè)定的計算機名稱相同。設(shè)置刷新周期。系統(tǒng)刷新周期為WinCC數(shù)據(jù)管理器訪問過程數(shù)據(jù)（過程變量標簽）的時間，也是腳本或動態(tài)功能的觸發(fā)訪問時基。標準時間范圍250ms～1h。（2）創(chuàng)建WinCC變量。在"變量管理"中建立組態(tài)連接，并設(shè)置組態(tài)連接屬性，根據(jù)硬件連接建立WinCC與PLC接口所需的邏輯連接參數(shù)。變量可以采用變量組的形式以方便管理，一般一個變量組存放同一屬性的變量。本設(shè)計生活污水處理控制系統(tǒng)的變量組分為運行信號變量、故障信號變量、模擬信號變量、手/自動轉(zhuǎn)換、報警和液位參數(shù)設(shè)定幾個變量組。（3）建立系統(tǒng)變量。變量分為外部變量（過程變量）與內(nèi)部變量。外部變量與PLC的存儲器地址中的數(shù)據(jù)變量一一對應(yīng)。內(nèi)部變量與PLC無關(guān)，用于存放WinCC中的變量數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求和PLC控制程序，在相應(yīng)的變量標簽組里建立WinCC變量標簽。

　　2創(chuàng)建生活污水處理系統(tǒng)過程畫面

　　通過WinCC“圖形設(shè)計編輯器”創(chuàng)建系統(tǒng)過程畫面。在生活污水處理系統(tǒng)監(jiān)控項目中創(chuàng)建以下畫面：通用模版畫面、生產(chǎn)工藝畫面、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控畫面、液位棒狀圖畫面、操作記錄畫面、活性炭過濾器狀態(tài)畫面、多介質(zhì)過濾器狀態(tài)畫面和趨勢頁面等。

　　結(jié)束語

　　現(xiàn)代化的污水處理控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)管理與控制一體化?？刂葡到y(tǒng)即要保證與現(xiàn)場控制設(shè)備有良好的接口，而且還應(yīng)具備與上層的企業(yè)信息管理系統(tǒng)提供標準接口，也就是具有數(shù)據(jù)可擴展性。本設(shè)計針對礦區(qū)生活污水處理的設(shè)計要求，對要求所提出的工藝流程進行了詳細分析，選用先進的控制設(shè)備和優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件，進行了細致的設(shè)計。本系統(tǒng)實現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運行，極大減輕了現(xiàn)場操作人員勞動強度，改善了工人的工作環(huán)境，極大提高了礦區(qū)生活污水處理的現(xiàn)代化管理水平。