(青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

0 引言

地球雖然有70.8%的面積為水所覆蓋，但淡水資源僅占地球總水量的0.26%。20世紀50年代以后，全球人口急劇增長，工業(yè)發(fā)展迅速，全球水資源狀況迅速惡化，水危機日趨嚴重。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊。我國污水處理仍存在很多問題，污水處理回用率很低。我國在污水處理領(lǐng)域所采用的自動控制系統(tǒng)和環(huán)保體系還存在一定差距[1-3]。本文旨在實現(xiàn)污水處理設(shè)備的自動化控制，結(jié)合 PLC 經(jīng)濟性、靈活性、可靠性的特點，應(yīng)用基于Profibus、Modbus現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)的PLC智能控制和遠程采集系統(tǒng),實現(xiàn)污水處理過程中的設(shè)備運行參數(shù)的在線監(jiān)控，記錄設(shè)備運行狀態(tài)，分析參數(shù)變化趨勢，故障報警。采用工業(yè)計算機對生產(chǎn)過程實施遠程控制，可以直觀方便地對污水處理過程進行監(jiān)控[4]。

1 總體設(shè)計方案

控制系統(tǒng)要與污水處理工藝緊密結(jié)合，以滿足污水處理廠進行管理和安全處理的要求，即生產(chǎn)過程自動控制和報警、自動保護、自動操作、自動調(diào)節(jié)，提高運行效率，降低運行成本，減輕勞動強度。對污水處理廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程的重要參數(shù)、設(shè)備工況等進行計算機在線集中實時監(jiān)控，確保污水處理廠的出水水質(zhì)達到設(shè)計排放標準[5-6]。

整個控制系統(tǒng)包括污水處理現(xiàn)場信號的采集、數(shù)據(jù)的分析、報警以及設(shè)備之間的通信等。整個控制系統(tǒng)需要完成的任務(wù)主要包括以下幾個方面。

① 數(shù)字量輸入輸出的采集和控制。現(xiàn)場的開關(guān)量需要通過采集和控制達到最終控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

② 模擬量的采集、數(shù)據(jù)的運算。對現(xiàn)場的模擬量，如pH、溶氧、流量、液位、氨氮濃度、硫化氫濃度、曝氣量、調(diào)節(jié)閥的開度等數(shù)據(jù)進行采集。通過控制算法進行模擬量的輸出控制，進而控制其他數(shù)據(jù)。

③ 設(shè)備與設(shè)備之間的通信。污水處理現(xiàn)場距離控制室較遠，為了節(jié)約成本，提高系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)的精度，需要采用Profibus總線進行分站與主站的通信。針對現(xiàn)場的RS- 485的通信接口的設(shè)備和儀表，設(shè)計RS- 485總線控制分系統(tǒng)，實現(xiàn)與多個設(shè)備和儀表通信。

④ 污水處理過程的實時報警和監(jiān)控。針對控制現(xiàn)場超標的數(shù)據(jù)，通過工業(yè)控制計算機進行實時的監(jiān)控和處理。

⑤ 報表分析、導(dǎo)出和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。針對需要分析的數(shù)據(jù)，通過工業(yè)控制計算機進行報表的導(dǎo)出、報表的分析，以及將數(shù)據(jù)和界面發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，以便相應(yīng)的管理人員進行查閱和觀測。

2 控制系統(tǒng)主控制器的選型

智能數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計往往參數(shù)多，且需要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)備及軟件應(yīng)達到國內(nèi)乃至國際先進水平?，F(xiàn)場級的監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)與指揮中心上位機顯示一致[7-8]。綜上考慮，選用工業(yè)控制中常用的控制器PLC為控制系統(tǒng)的主控制器。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300系列的CPU 315-2PN/DP作為中央控制設(shè)備。

S7-300是德國西門子公司生產(chǎn)的可編程序控制器(PLC)系列產(chǎn)品之一。其采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布式的配置，性價比高。S7-300的循環(huán)周期短、處理速度高，0.1～0.6 μs的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域，使其在廣泛的工業(yè)控制領(lǐng)域中成為一種既經(jīng)濟又切合實際的解決方案[9]。系統(tǒng)選用的CPU 315-2PN/DP有兩個以太網(wǎng)接口，可以方便地與工控機連接，從而可以方便快捷地實現(xiàn)PLC與上位機之間的通信。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

S7-300 PLC是實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)自動控制的核心。PLC一方面根據(jù)控制要求對設(shè)備做出相應(yīng)的自動控制，另一方面還要通過分布式I/O采集現(xiàn)場各工藝段傳感器信號，信號經(jīng)運算處理后通過以太網(wǎng)上傳到上位機，即現(xiàn)場工業(yè)控制計算機。PLC和上位機(工業(yè)控制計算機)采用以太網(wǎng)進行通信，并能夠和管理層計算機連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。 S7-300 PLC總站和應(yīng)急池、反應(yīng)池、水解池、氧化池等各個分站的ET200(分布式I/O)通過西門子的Profibus總線進行通信，這樣可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，節(jié)約成本。本地數(shù)字量、模擬量直接連接到PLC上。節(jié)電器、變頻器等設(shè)備通過Modbus總線與S7-300相連接?？偟膩碚f，S7-300 PLC不僅起著中心控制的作用，而且還起著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的作用。

系統(tǒng)涉及到的通信有Profibus通信和Modbus-RTU通信。Profibus總線的通信是利用西門子的ET200來實現(xiàn)的。西門子的ET200是基于現(xiàn)場總線Profibus-DP或Profinet的分布式I/O，可以與經(jīng)過認證的非西門子公司生產(chǎn)的Profibus-DP主站協(xié)同運行。Modbus-RTU通信是S7-300 PLC與智能儀表之間的通信，采用西門子點對點通信模塊CP341。CP341模塊是西門子S7-300/400系列PLC中的串行通信模塊，支持Modbus-RTU協(xié)議。電氣接口為15針D型孔接頭。該通信模塊可實現(xiàn)S7-300/400與其他串行通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，如打印機、掃描儀、智能儀表、Modbus主從站、變頻器等[10]。

整個智能數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 智能數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)控制框圖

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 上位機軟件設(shè)計

本研究使用組態(tài)王KingVIEW 6.55組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，組態(tài)控制系統(tǒng)的畫面。通過分析對監(jiān)控系統(tǒng)的要求，上位機主要完成溫度、pH、液位、流量等實時運行參數(shù)的監(jiān)視,故障報警,報表及打印,時間日期、電氣設(shè)備狀態(tài)顯示及控制,參數(shù)設(shè)置,登錄權(quán)限管理,趨勢分析以及Web發(fā)布等功能。

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的主要界面包括：主畫面、各工藝段監(jiān)控畫面(9個)、數(shù)據(jù)處理、報表及打印、趨勢分析、報警記錄等。

① 主畫面：顯示污水處理的動態(tài)工藝流程。包括主要設(shè)備及其運行狀態(tài)、主要參數(shù)顯示、流動管路、實時時間日期顯示等。

② 各工藝流程圖：包括初沉二沉池、應(yīng)急池、水解酸化池、氧化池、TCBS池、厭氧池、回水次氯反應(yīng)池、外排水、風機房。各部分畫面包括詳細運行狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置及實時數(shù)據(jù)顯示、報警提示及其動態(tài)運行工藝圖。

③ 報表及打印畫面：利用數(shù)據(jù)庫編程和DDE數(shù)據(jù)交換，采用Excel生成報表、繪制報表并打印輸出，利用動態(tài)鏈接庫從歷史數(shù)據(jù)庫中取得數(shù)據(jù)。具體包括：實時數(shù)據(jù)報表存儲、查詢及其打印、歷史數(shù)據(jù)報表查詢及打印。

④ 趨勢分析：包括實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線。記錄生產(chǎn)所要求的所有數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù),可直觀反映變量隨時間變化的情況。

⑤ 報警記錄：包括變量報警事件、操作事件、用戶登錄事件等，可查看系統(tǒng)的報警和各設(shè)備運行情況。分類顯示產(chǎn)生的報警和事件。報警的詳細內(nèi)容包括：報警來源、報警類型、報警時間、消失時間、處理人等。

⑥ Web發(fā)布功能：通過以太網(wǎng)將控制系統(tǒng)設(shè)備運行信息數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)歷史曲線傳送到工廠決策層和化驗室。

4.2 下位機程序設(shè)計

下位機的核心為PLC。根據(jù)污水處理過程的工藝要求，設(shè)計程序?qū)ΜF(xiàn)場數(shù)據(jù)(如溫度、溶氧、流量、曝氣量、COD、氨氮、硫化氫等)進行采集。對于現(xiàn)場用于處理污水的開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥，按照工藝要求進行自動和手動的控制，如排泥和轉(zhuǎn)泥。

4.2.1 現(xiàn)場模擬信號的采集和控制

模擬信號的采集主要包括PLC模擬量采集模塊采集信號和總線通信采集。

PLC采用基于Profibus總線的分布式I/O實現(xiàn)遠距離參數(shù)的采集，提高了數(shù)據(jù)精度，節(jié)約了成本。對于脫臭風機的一些運行參數(shù)和氧化池回水流量參數(shù)，PLC采用基于Modbus總線的通信得到實時參數(shù)。通過手拉手的方式連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精確實時傳輸，大大節(jié)約了成本[10]。

現(xiàn)場參數(shù)的控制主要應(yīng)用了工業(yè)控制中最為成熟的控制方法PID控制。PID控制以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制在設(shè)計中起到了重要的作用，其實現(xiàn)了整個系統(tǒng)參數(shù)的穩(wěn)定和準確控制。

首先，運用PID控制和Modbus總線通信，改變變頻器的頻率，調(diào)節(jié)水解酸化池向氧化池的污水提升量，智能控制水解酸化池的液位，使水解池液位維持在4.5～4.9 m，實現(xiàn)水解酸化池曝氣量的遠程控制?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2 水解酸化池液位的PID控制框圖

其次，根據(jù)工藝要求和經(jīng)驗，曝氣量設(shè)定為水解池提升量的3倍，工藝效果最好。PID控制技術(shù)結(jié)合掛載在Profibus總線上的遠程I/O調(diào)節(jié)曝氣閥的開度，保證水解酸化池曝氣量在設(shè)定范圍內(nèi)，實現(xiàn)曝氣量的遠程控制。

最后，水解酸化池向氧化池進水。可以按照水解酸化池總提升量的比例給定，通過PID控制調(diào)節(jié)各個分池的進水調(diào)節(jié)閥的開度，將污水分配給氧化池的3個分池，實現(xiàn)各個分池進水流量的遠程控制。

4.2.2 數(shù)字量的采集和控制

系統(tǒng)的開關(guān)量主要包括各個分站的提升泵、污泥泵、攪拌器以及各站開關(guān)閥的狀態(tài)。

數(shù)字信號的采集就是提升泵、污泥泵和攪拌器的啟停狀態(tài)通過繼電器回送給各站的數(shù)字量輸入。

數(shù)字信號的控制就是通過PLC數(shù)字量輸出，實現(xiàn)氧化池排泥閥和回流閥的開啟和關(guān)閉，以完成控制系統(tǒng)中的排泥和轉(zhuǎn)泥過程。

排泥遠程控制的基本過程是：當開啟排泥時，排泥閥先開，回流閥后關(guān)；排泥結(jié)束時，回流閥先開，排泥閥后關(guān)。排泥過程分為手動和自動2個過程。具體流程如圖3所示。

轉(zhuǎn)泥過程即3個氧化池之間相互轉(zhuǎn)移污泥，遵循的原則是每次只能執(zhí)行一個過程。轉(zhuǎn)泥前提是必須保證目的池的污泥提升泵是關(guān)閉的。假設(shè)從1#池往2#池轉(zhuǎn)泥，那么1#池為起始池，2#池為目的池。1#池到2#池轉(zhuǎn)泥的過程如圖4所示。

圖3 排泥過程流程圖

圖4 1#池到2#池轉(zhuǎn)泥過程流程圖

整個自動轉(zhuǎn)泥過程是：轉(zhuǎn)泥時間到，先開2#池(目的池)的排泥閥，再開1#池(起始池)的排泥閥，再關(guān)1#池(起始池)的回流閥；停止轉(zhuǎn)泥時間到，先開1#池(起始池)的回流閥，再關(guān)1#池(目的池)的排泥閥，再關(guān)2#池(起始池)的排泥閥。這樣即實現(xiàn)了1#池到2#池的轉(zhuǎn)泥過程。其他池的轉(zhuǎn)泥過程與之類似。

4.2.3 程序設(shè)計方法及程序流程

Step7是PLC的編程環(huán)境。Step7采用模塊化設(shè)計方法，提供了系列功能明確的基本模塊，如組織塊(OB)、系統(tǒng)功能塊(SFB)、功能塊(FB)、功能(FC)、系統(tǒng)功能(SFC)、數(shù)據(jù)塊(DB)等。用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)都放置在這些模塊中。CPU循環(huán)執(zhí)行操作系統(tǒng)程序時，每次都要循環(huán)調(diào)用一次主程序即OB1。其他的邏輯塊類似于子程序，使用戶程序結(jié)構(gòu)化，簡化了程序組織；程序結(jié)構(gòu)清晰，易于修改差錯和調(diào)試。程序運行時所需的數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊中[11]。

整個下位機程序的設(shè)計結(jié)構(gòu)是主從模式的。即每個分站編寫一個功能塊通信模塊，高速計數(shù)器采集脈沖模塊也編寫一個功能塊，然后在組織塊OB1程序中調(diào)用。對于Modbus通信、PID控制程序等，則在周期循環(huán)組織塊OB35中編寫。這樣程序結(jié)構(gòu)簡潔明了。程序調(diào)試排查問題方便、簡單。

下位機程序流程圖如圖5所示。

圖5 下位機程序流程圖

5 結(jié)束語

本文所介紹的自動監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地完成污水

處理現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集；能夠通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)各個設(shè)備與控制中心的通信；有很好且直觀的顯示界面。系統(tǒng)大大減少了日常的維護管理工作，降低了污水處理成本，保證了工藝運行和出水的水質(zhì)的要求，具有重要的推廣價值。同樣自動化系統(tǒng)的設(shè)計必將推廣到其他企業(yè)，對其他企業(yè)的運營管理和進步具有重要意義。

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