基于S7-300與WINCC的污水處理控制系統


  摘要:本文以山東日處理污水規模10萬t某污水處理廠為例,設計了污水處理廠自動監控系統。本系統以西門子公司的S7-300PLC作為數據采集及控制單元,配合各種檢測和控制設備對含氧量、液位、流量及氣體濃度等檢測量進行數據采集。上位機通過西門子的上位監控軟件WINCC和各站進行數據交換,從而實現集中控制。
  1、引言
  水資源短缺是我國的基本國情之一,由于水污染控制的相對滯后,受污染的水體逐年增加,又加劇了水資源的短缺。我國對水處理的研究,特別是自動化控制設備方面的研究遠遠落后于發達國家。因此研制能滿足排放要求、處理效果好、運行費用低和國產化程度高,且具有先進的自動控制系統的污水處理設備隨在眉睫。本文以山東某市污水處理廠為例,介紹了城市污水處理自動監控系統的設計與研究。
本系統以工業控制計算機、可編程邏輯控制器及現場儀表構成3級監控系統。可編程控制器選用西門子公司的S7-300系列PLC,根據工藝流程在電控間設立4個分布控制站。上位機采用WINCC作人機界面,通過CP5611以Profibus協議與各站進行數據通訊,完成數據采集、處理、監督及控制功能。中央控制級分為工程師站和操作員站。工程師站主要完成系統組態及控制參數的在線修改和設置等。操作員站主要完成對整個污水處理廠的數據采集、監控、報表及打印等功能。在不需組態式修改參數時,工程師站與操作員站互為備用,提高了系統的可靠性。
  2、工藝流程
  該污水處理廠占地100萬m2。采用德國BIOLAK污水處理工藝,日處理水規模為l0萬m3。工藝流程如圖1所示。


  污水經污水排放管道進入進水井,經粗格柵流入進水泵房。粗格柵主要用來攔截較大的懸浮物,以保護后續的動力設備。污水在進水泵房用水泵提升送至細格柵,由細格柵流出的污水流人計量渠。計量渠主要用來測量污水流量和污水的pH值及溫度值。污水由計量渠流入曝氣池,進行氧化處理,由鼓風機吹入大量氧氣,生成的活性污泥含有大量的活性氧化菌吞噬污水中的有害機體,在澄清池逐漸沉淀形成污泥。
澄清池有刮泥橋,刮到的泥經過濃度測量之后,如果達到預定的濃度,則由吸泥泵抽送到污泥濃縮池進行脫水處理;如果未達到預定濃度,說明污泥中活性泥的比例較高,由吸泥泵抽送到澄清池兩邊的槽內回流到曝氣池中重復利用。被處理以后的水在澄清池中進一步澄清,然后流入安全池。已處理水被安全池緩沖后流入了秦臺干渠,由秦臺干渠排出。排出后的水可用來灌溉,或排入大海。淤泥在處理后被運走用干填充或掩埋。
  3、方案設計
  3.1、設計思想
  選用西門子公司S7-300PLC作為現場控制單元即控制主站。根據污水處理工藝流程在現場信號采集點和電控設備較集中的地方設立分布式遠程子站,將現場監測儀表信號及控制、采集信號接入各遠程子站。通過現場總線將控制主站、遠程子站與中央控制室的上位工程師站相連,便于監控。將上位工程師站、操作員站與廠長室微機接人以太網,由管理機完成各項管理和功能。整個自動化監控系統構成SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統,完成數據采集、處理、監視及對現場設備進行控制等功能。
  3.2、系統結構圖
  如圖2所示。


  3.3、各單元功能描述
  3.3.1 、中央控制級
  中央控制級分為中央控制室及廠長室遠程管理監控計算機。中央控制室設有工程師站和操作員站。
工程師站即能完成系統組態、調試及控制參數的在線修改和設置等,又能完成對整個污水處理廠的數據采集、監控,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據采集、監控、報表及打印等功能。
廠長室遠程管理監控計算機以工業以太網形式與系統相連,以便于廠長對整個系統進行管理和監控,并針對實際情況準確發出操作命令。
  中央控制級主要功能如下:
  (1)對分布控制站PLC送來的數據進行分析處理、儲存、建立全數據庫;
  (2)向PLC發布指令,實時控制和調節設備運行;
  (3)顯示多幅工藝流程畫面,并實時顯示巡檢參數;
  (4)在線故障診斷、報警;
  (5)歷史趨勢顯示,模擬量數據顯示;
  (6)打印制表。
  3.3.2、分布式控制站
  共設PLCl、PLC2、PLC3、PLC4 4個分布控制站,各站實現功能如下:
  (1)PLCl站
  1)對3個粗格柵的監控;
  2)對4臺提升泵(含變頻器)控制;
  3)對3個細格柵的監控;
  4)對變電站4面低壓配電屏的監視;
  5)對粗細格柵前后閘閥狀態的監控;
  6)進水井閘閥狀態的讀取;
  7)計量渠水質的監測。
  (2)PLC2、3站
  1)曝氣池內氧含量的讀取;
  2)鼓風機的起停控制,設置溶解氧定值用于鼓風機的自動調節;
  3)鼓風機的溫度、壓力信號的讀取及對鼓風機的過熱保護;
  4)回風閥及冷凝水電磁閥的狀態讀取;
  5)對刮稀泥機的監控。
  (3)PLC4站
  1)對污泥泵的監控;
  2)污泥流量的監測,積算;
  3)對脫水機的監控;
  4)投藥泵的調節控制。
  3.3.3、現場控制柜
  各現場電控柜具有兩部分功能:一是進行現場的手動操作,二是與各個遠程RIO站連接,將各設備狀態信號傳送到PLC。現場手動操作具有比分布控制站和中央控制室更高的優先權,只有將狀態開關打到自動狀態,自動控制程序才起作用。所以在接入自動監控系統前,首先要完成對現場各控制柜的調試。
  4、控制系統實現
  4.1、系統硬件實現
  4.1.1、中央監控室
  中央監控室設兩臺中央監控計算機、彩色噴墨打印機等。兩臺監控計算機均為研華工控機P41.6G,256M內存,40G硬盤,并帶CP5611卡以實現與Profibus總線的通訊,分為工程師站和操作員站,配windows2000 Sever/Rrofessional操作系統,并配有STEP75.3和SIMATIC WINCC6.0軟件。通過上位機,操作人員可以遠程控制現場各設備的運行。
  4.1.2、分布式控制站
  各PLC分布控制站主要負責采集現場各個傳感器的信號,除了把信號轉換后傳給上位機,由上位機進行顯示和控制外還要根據控制要求對現場控制柜和執行機構作出相應的控制,所以各分站PLC不但具有中心控制的作用,還具有數據中轉站的作用。在自動狀態下,根據檢測數據對某些電機進行PIID控制,以達到最優狀態。本系統選用SIMATICS7-300PLC。SIM-ATICS7-300PLC是模塊化結構設計無風扇結構,易于實現分布,易于用戶掌握。
  (1)PLC1站
  PLC1站主要負責粗格柵、進水泵房、細格柵、計量渠及10kV變電站多面低壓配電屏等設備的數據采集和現場控制柜的操作。
  主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊,2塊32點DI模塊SM321,1塊16點:DO模塊SM322,l塊8路AI模塊SM33l和1塊8路AO模塊SM332。
  (2)PLC2、3站
  PLC2、3站主要是完成對兩個曝氣池、澄清池的數據采集和控制。這兩個曝氣池是完全對稱的。
PLC2站主要完成曝氣池的含氧量的測量,根據測量到的含氧量對鼓風機的起停控制、曝氣池溫度、液位的測量以及對刮稀泥機的控制。
  主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊,2塊32點DI模塊SM321,2塊16點DO模塊SM322。
  (3)PLC4站
PLC4站主要完成如下任務:對剩余污泥泵的啟停控制及狀態檢測,并設有一臺液位開關,當泥位到達下限時停泵并報警;對污泥流量的測量及流量值的累計、對排放水投藥量的控制以及對脫水機房脫水機及其他電機的啟停控制。
主要配備CPU模塊CPU315-2DP、PS307-2A電源模塊各1塊,2塊32點DI模塊SM321,1塊16點DO模塊SM322,1塊8路AI模塊SM331。
  PLC的CPIJ315-2DP帶有Profibus總線接口,且以Profihus協議通訊。上位機通過CP5611模塊接入Profihus網絡。考慮到中控室距離PLC現場距離較遠,故采用的傳輸速率為500kbps。中控室的兩臺工控機及廠長辦公室的管理機組成以太網,采用TCP/IP協議。各個計算機之間可以通過網絡傳遞數據并打印報表等。
  4.2、系統軟件設計
  整個系統軟件分為上位機監控軟件和PLC現場控制軟件。
  4.2.1、上位監控軟件
  本系統采用1024點的西門子WINCC組態軟件對系統進行監控。主畫面顯示整個污水處理廠的工藝流程,如圖3所示。通過主畫面的各按鍵進入不同的分畫面,分畫面是按照各個遠程RIO來設計的。分畫面還包括報警表格和各模擬量趨勢圖。整個監控系統的所有開關量和模擬量都在各個畫面中體現出來。監控系統還具備了實時故障報警和歷史數據歸檔的功能。


  4.2.2、 PLC編程軟件
  本系統PLC的編程使用STEP75.3編寫,實現PLC對過程數據的初步處理。
在STEP7中,有3種編程語言可用來編程,分別是梯形圖(LAD)、語句表(STL)、功能塊(FBD)。
首先建立新項目,插入PLC站,插入各模塊的順序完成硬件組態,然后開始編制PLC程序。
提升泵站控制流程圖如圖4所示。


  5、結論
  本系統已投入實際運行,自投入運行以來,控制系統運行穩定可靠,設備工作狀況良好,使用及維護簡捷方便,各項指標均達到了設計要求,操作人員的工作量和勞動強度大大降低,能源和設備的利用率得到提高,解決了污水處理廠設備分散、復雜、難以控制的難題,使出水指標穩定達到國家二級排放標準,同時實現了節約能源、降低能耗,受到了廠方的好評。

 


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