【摘 要】：給出了一套適合污水處理的以PLC為核心的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以SIEMENS公司的S7-400系統(tǒng)PLC作為下位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和自動(dòng)化儀表將液位、溫度、流量、溶解氧濃度的反饋進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)又與上位機(jī)通訊，執(zhí)行相關(guān)命令。整個(gè)系統(tǒng)為了解決傳統(tǒng)通訊方式施工工程量大，維護(hù)麻煩等缺點(diǎn)，還采用了無(wú)線通訊方式。 1 工藝控制要求 （1）粗格柵及提升泵站 粗格柵運(yùn)行的控制：用超聲波液位差計(jì)來(lái)測(cè)量粗格柵前后的液位差，當(dāng)液位差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，或者當(dāng)液位差值在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，均用電動(dòng)閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟粗格柵除污機(jī)，完成一個(gè)運(yùn)行周期后停止運(yùn)行。柵渣通過(guò)皮帶輸送機(jī)輸送到螺旋壓榨機(jī)最后外運(yùn)。皮帶輸送機(jī)與粗格柵機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，任意回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)啟動(dòng)后應(yīng)啟動(dòng)皮帶輸送機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。 潛污泵的控制：在潛污泵有壓力指示，開(kāi)泵時(shí)應(yīng)先開(kāi)水泵，當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)用電動(dòng)閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。進(jìn)水泵房有潛污泵5臺(tái)，2臺(tái)備用。考慮到其中2臺(tái)作為長(zhǎng)期備用，又易發(fā)生設(shè)備故障，故實(shí)際使用中設(shè)置成輪流啟動(dòng)方式，以達(dá)到既有備用，又不讓其長(zhǎng)期擱置不用的目的。 （2）細(xì)格柵及沉砂池 細(xì)格柵運(yùn)行的控制：用超聲波液位差計(jì)來(lái)測(cè)量細(xì)格柵前后的液位差，當(dāng)液位差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，或者當(dāng)液位差值在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，均用電動(dòng)閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟細(xì)格柵除污機(jī)，完成一個(gè)運(yùn)行周期后停止運(yùn)行。 沉砂池控制：沉砂池由一系列設(shè)備組成，其中包括攪拌機(jī)、出水電動(dòng)蝶閥、吸砂閥、洗砂閥及砂水分離器等。沉砂機(jī)的自動(dòng)控制由設(shè)備配套提供的就地控制柜內(nèi)PLC完成。 （3）氧化溝 氧化溝中污水含氧量的控制是污水處理中比較關(guān)鍵的任務(wù)之一。氧化溝的溶解氧含量對(duì)表曝機(jī)轉(zhuǎn)速的控制：通過(guò)連續(xù)測(cè)量氧化溝的溶解氧含量來(lái)控制表曝機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)溶解氧值達(dá)到下限時(shí)，表曝機(jī)由低速運(yùn)行轉(zhuǎn)入高速運(yùn)行；當(dāng)溶解氧值達(dá)到上限時(shí)，表曝機(jī)由高速運(yùn)行轉(zhuǎn)入低速運(yùn)行；當(dāng)溶解氧值達(dá)到上上限時(shí)，表曝機(jī)則停止運(yùn)行。 氧化溝的溶解氧含量對(duì)堰板高度的控制：通過(guò)連續(xù)測(cè)量氧化溝的溶解氧含量控制可調(diào)節(jié)堰板的高度，當(dāng)溶解氧值達(dá)到下限時(shí)啟動(dòng)可調(diào)節(jié)堰板使溝中水位提高；當(dāng)溶解氧值達(dá)到上限時(shí)啟動(dòng)可調(diào)節(jié)堰板使溝中水位降低。 （4）二沉池的控制 在雙周邊驅(qū)動(dòng)刮泥機(jī)上接上手動(dòng)閥門(mén)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行周期和運(yùn)行時(shí)間。也可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，自控時(shí)根據(jù)二沉池污泥界面和污泥泵房MLSS測(cè)量值自動(dòng)調(diào)整。 （5）回流污泥量控制 回流污泥量調(diào)節(jié)的任務(wù)是為了保證生化處理系統(tǒng)混合液的濃度維持在一定范圍內(nèi)，采用比例控制方式。 以上用到的儀表如超聲波液位差計(jì)，一體式超聲波液位計(jì)，pH溫度測(cè)定儀，溶解氧測(cè)量?jī)x，氧化還原電位檢測(cè)儀，污泥濃度檢測(cè)儀，COD分析儀等輸出信號(hào)都為4～20mADC，負(fù)載阻抗都大于500Ω，輸出接點(diǎn)容量≥2A（220VAC 50Hz或24VDC）。 2 硬件設(shè)計(jì) （1）控制站PLC硬件構(gòu)成 中央處理器模塊（CPU417-4），電源模塊（PS407 10A）用于對(duì)SIMATIC S7-400的供電，將AC或DC網(wǎng)絡(luò)電壓轉(zhuǎn)換為所需的5VDC或24VDC工作電壓，輸出電流為10A。通訊處理器模塊選用CP443-1。本系統(tǒng)中PLC1控制站的監(jiān)視4～20mADC二線制Al量8路，監(jiān)視4～20mADC有源信號(hào)Al量18路。PLC2控制站監(jiān)視4～20mADC有源信號(hào)Al量15路，控制4～20mADC AO量9路，監(jiān)視接點(diǎn)輸入DI量206路，控制接點(diǎn)輸出DO量96路。 （2）現(xiàn)場(chǎng)PLC操作站 現(xiàn)場(chǎng)操作站顯示控制區(qū)域內(nèi)的各類工藝參數(shù)和機(jī)泵的運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)于重要的工藝參數(shù)能通過(guò)對(duì)有關(guān)機(jī)泵的開(kāi)停控制進(jìn)行調(diào)整；能夠定時(shí)或及時(shí)打印多種規(guī)格的生產(chǎn)報(bào)表；能及時(shí)顯示參數(shù)越限、生產(chǎn)事故或系統(tǒng)故障，并能提供豐富的操作指導(dǎo)信息；可以自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)自診斷功能；能夠顯示歷史趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制輸出和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集由2個(gè)操作站和5套PLC（PLC1、PLC2、PLC3、PLC4、PLC5）來(lái)完成。PLC1位于中控室內(nèi)，PlC2位于變電所，主要用于機(jī)、泵等電氣參數(shù)的監(jiān)視、控制和聯(lián)鎖。在沉砂池現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置PLC3，用于對(duì)成套設(shè)備監(jiān)控，確保其正常運(yùn)行。在污泥脫水濃縮間設(shè)置PLC4，用于對(duì)污泥脫水機(jī)的安全保護(hù)及有關(guān)參數(shù)的監(jiān)控。紫外線消毒系統(tǒng)自帶PLC5，用于對(duì)紫外線燈管、劑量及出水堰門(mén)、取樣泵的控制。PLC作為下位機(jī)，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)管理。現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的參數(shù)，包括液位、溫度、流量、溶解氧濃度等模擬量信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、變送器、自動(dòng)化儀表檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)，由PLC通過(guò)各種模塊接口采樣電信號(hào)，模擬量控制信號(hào)由PLC控制單元模件輸出以后以4～20mA電流形式送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。當(dāng)傳感器和自動(dòng)化儀表將液位、溫度、流量、溶解氧濃度反饋到PLC上時(shí)，可由操作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作。對(duì)泵站的控制系統(tǒng)控制功能有就地（Local）和遠(yuǎn)程（Remote）兩種；兩種操作模式：手動(dòng)（Manul）和自動(dòng)（Auto），平時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)某一泵站的某一部分出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警信號(hào)立即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋到中央控制室，通過(guò)打印機(jī)將故障的具體信息打印出來(lái)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作。 （3）無(wú)線通訊 傳統(tǒng)的通訊方式是控制站由一套S7-400作為主站通過(guò)PROFIBUS-DP連接幾個(gè)ET-200M遠(yuǎn)程I/O從站，其他S7-400 PLC借助于通訊接口模塊IM 153-1將ET-200M作為從站連接到PROFIBUS-DP，控制站PLC與中央控制室上位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。但是采用連結(jié)方式，現(xiàn)場(chǎng)施工工程量非常大，需要架設(shè)電纜，費(fèi)用較高而且維護(hù)起來(lái)很不容易，所以在該系統(tǒng)中，我們采取了無(wú)線通訊方式，和傳統(tǒng)的通訊方式相比，它具有可靠性高，節(jié)省電纜，擴(kuò)展性強(qiáng)，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)無(wú)線通訊采用全數(shù)字無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)MDS2710A構(gòu)建無(wú)線通信主設(shè)備。該系統(tǒng)的PLC1接在主站上，其他4套PLC分別接在MDS2710A從站上，PLC1采用對(duì)其他4個(gè)從站PLC輪流訪問(wèn)，通過(guò)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。結(jié)構(gòu)圖如圖2。 （4）雙機(jī)熱備系統(tǒng) 為了提高系統(tǒng)的可靠性，控制站采用1對(duì)1備用雙機(jī)熱備系統(tǒng)，有2套完全相同的CPU、輸入/輸出、電源和內(nèi)部總線，其中一套處于工作狀態(tài)，另一套處于熱備狀態(tài)。一旦發(fā)生故障，進(jìn)入無(wú)擾動(dòng)切換。無(wú)擾動(dòng)切換在故障出現(xiàn)時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以通過(guò)監(jiān)控軟件和PLC系統(tǒng)的硬件按鈕進(jìn)行手動(dòng)切換。 3 軟件設(shè)計(jì) （1）上位機(jī)組態(tài) 在上位機(jī)上使用WinCC軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面。用戶對(duì)一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)如流量、溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)設(shè)的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，在操作員現(xiàn)行操作畫(huà)面上給予提示。 為了將下位機(jī)讀取的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，在WinCC的圖形編輯器中，可組態(tài)WinCC用戶歸檔表單元，它將允許在運(yùn)行系統(tǒng)中以表格形式顯示用戶歸檔中的在線數(shù)據(jù)。根據(jù)該污水處理廠的實(shí)際需要，創(chuàng)建pH值、溶解氧、液位歸檔。 （2）PLC編程 通過(guò)STEP7，用戶可以進(jìn)行系統(tǒng)配置和程序的編寫(xiě)、調(diào)試，完成PLC硬件組態(tài)、控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)和I/O通道的狀態(tài)等。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB用于控制程序的運(yùn)行。是下位機(jī)軟件系統(tǒng)的總控模塊，可以在OB中編寫(xiě)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序也可以編寫(xiě)液位、溫度、流量的應(yīng)用程序。FB、FC是用戶子程序，DB是用于存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，該系統(tǒng)中它是WinCC與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。 （3）Smith預(yù)估控制算法