西门子S7-300 PLC在县级中小城市污水处理厂中的应用

　　可编程控制器PLC是实现污水处理厂自动控制的关键，县级中小城市的污水处理厂处理能力一般在10万m3/d以下，很多是1～5万立方米/d，监控点数一般不是很多，而选用西门子S7-300 PlC是一种即经济又切合实际的解决方案，它具有高度模块化结构，指令集功能强大，能够满足多样化和个性化的需求。

1 污水处理工艺流程
　　从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的情况看，由于传统的活性污泥处理工艺在中小规模的污水处理厂中存在基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题，因此，处理水量在10万立方米/d以下的县级中小城市的污水处理厂处理工艺一般多采用氧化沟和SBR工艺。西北某县城污水处理厂日处理污水4万吨，处理工艺采用的是奥贝尔氧化沟。主要处理：工段有机械处理段、生物处理段、和污泥脱水处理段。机械处理段由粗格栅间、进水泵房、细格栅间、旋流沉砂池组成。生物处理段由厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、二沉池、接触池等组成，污泥脱水处理段由储泥池、污泥脱水机房组成。该工艺的流程见图1。

　　城市污水管网收集到的污水到了进水泵房，在这里大的固体杂质被格栅机过滤掉，然后较稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池，污水由于搅拌机和吸砂机的作用，其中的固体颗粒又被去除。下一道工序是污水先被送到厌氧池，目的是去磷、脱氮，然后流入氧化沟，这里有相应的菌种来分解、净化污水，氧化沟中的污泥细菌生态系统维持存活的主要条件一个是污水中的有机物杂质，另一个就是氧气的供应，所以氧化沟上的曝气转碟的作用是对污水进行充氧。经过氧化沟处理后的污水在二沉池沉淀后然后在接触池加氯达标后可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。

2 自控系统的硬件选择
　　污水处理主要是顺序逻辑控制，这正是PLC控制的优势所在。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的S7-300 PLC系列产品以其较高的性价比成为众多用户的首选。S7-300是模块化的中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用，模块化、无排风扇结构，各种单独的模块之间可进行广泛的组合以用于扩展。接口模块（IM）用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER），S7-300通过分布式的主机架（CR）和二个扩展机架（ER）可以操作多达32个模块。中央处理单元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通讯接口，多点接口（MPI））用于同时连接编程器、PC机和人机界面等。信号模块（SM）用于数字量和模拟量的输入输出。

3 总体控制要求及功能
　　污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围；在公司中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数（水质参数、流量、液位等）、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到公司中控室。功能如下：
1）控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化氧化沟的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。

4 系统构成及其布局
　　如果采用常规PLC集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上，由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架，且现场环境恶劣、其施工难度非常大。鉴于此，采用了PROFIBUS现场总线技术，根据工艺划分，系统共设了两个主站、两个子站、两个操作员站。采用西门子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其带有一个DP通讯口和一个MPI口。子站采用通用性较好的ET200M远程模块，用于现场数据的采集和控制，并借助PROFIBUS（工业现场总线），方便控制网络系统的建立。其自控系统见图2。

控制系统分为三个级别，即现场级、控制级、管理级。

（1）管理级
管理级集中监控各个分站设备的运行状态。管理级现场总线选择PROFIBUS-FMS总线，两台安装组态软件的冗余服务器作为PROFIBUS-FMS现场总线的操作员站，安装在控制室内，可以同时收集现场数据。服务器采用WinCC组态软件，并配有服务器软件包选项。

（2）控制级和现场级
　　控制级主要功能是接收管理层设置的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，将现场状态输送到管理层。根据本厂工艺流程和总平面布置，结合马达控制中心MCC的位置和供配电范围，按照控制对象的区域、设备数量，以就近采集和单元控制为划分区域的原则，在进水泵房、变电所设两座现场主站PLC1、 PLC2。在加氯间、脱水机房设两座现场子站，其中加氯间PLC1-1为进水泵房PLC1的DP从站，脱水机房PLC2-1为变电所PLC2的DP从站。现场主站与现场子站之间采用PROFIBUS-DP现场总线。现场主站PLC1、PLC2分别由电源模块PS 307、CPU315-2 DP模块和通讯模块CP343-5及相应信号模块SM组成。现场子站采用ET200M远程单元，每个ET200M单元均由1个IMl53-2总线接口模块和其它若干数字量、模拟量输入输出模块组成。

　　进水泵房现场主站PLC1监控范围为粗格栅、进水泵房、细格栅、沉砂池等，其主要控制对象为粗细格栅间的粗细格栅及进水电动闸门、进水泵房的污水提升泵、沉砂池的排砂装置和砂水分离等设备，此外，还负责进水水质如pH、SS（浊度测量）等参数的在线检测。其I/O配置为：DI＝144、DO＝48、 A1＝16。

　　加氯间现场子站PLC1-1监控范围为加氯间、接触池，其主要控制对象为加氯消毒等设备，此外其还负责出水水质如：余氯、COD、流量等参数的在线检测。其I/O配置为：D1＝48、DO＝16、AI＝8。

　　变电所现场主站PLC2监控范围为厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、二沉池，主要完成对处理工艺参数的监测控制，如对溶解氧、污泥浓度、pH值、 ORP值等参数的测控。对曝气设备、搅拌设备、排水设备、污泥回流及剩余泵、刮泥机等进行操作控制，以满足对处理出水水质的要求。其I/O配置为：DI＝224、DO＝8O、A1=24。

　　脱水机房现场子站PLC2-1监控范围为脱水机房、储泥池，其主要控制对象为储泥池的搅拌器、电动阀门，脱水机房的进泥泵、输送机、浓缩机、加药系统等设备。其I/O配置为：DI＝48、DO＝16、Al＝8。

5 系统软件
　　计算机操作系统采用Microsoft Windows 2000 Professional中文版操作系统。历史数据库采用Microsoft SQLServer 2000中文版软件。上位机监控软件采用GE公司的iFIX3.5组态软件来实现。

1）操作系统软件Windows 2000 Professional中文版操作系统提供了一个快速、高效的多用户、多任务操作系统环境，是目前使用广泛的工控操作系统。数据库服务器采用Windows2000 server中文版配合Microsoft SQL2000使用，用来保存历史数据。各工作站均采用Windows 2000 Professional中文版操作系统。

2）iFIX3.5监控软件实现了对整个系统的开关量、状态量、电量、模拟量的采集和处理，并显示在主工作站的界面上；对一些污水处理厂重要的物理量如各个进水泵的电流、频率、出口压力等都实时显示在主上作站的主界面上，便于调度员及时掌握系统的运行情况。

3）数据库服务器上安装Microsoft SQL2000中文版数据库软件，用来储存整个污水厂重要的历史数据，通过iFIX3.5与 Microsoft SQL 2000的通讯来读取历史数据。单独设计一个数据库服务器可以避免因为系统局部故障导致历史数据丢失现象的发生。

4）STEP7可以利用IEC-1131标准中八种编程语言中的6种（STL、LAD、FBD、CFC、SFC和SCL）进行编程、本系统利用STEP7对西门子可编程序控制器进行配置、编程。

6 结束语
　　　用西门子S-300 PLC设计的自控系统在该污水处理厂投入使用以来，运行至今系统稳定、可靠。设备具有调试简单、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水处理效果好的特点，提高了劳动生产率，同时由于软硬件均采用模块化结构，方便了工程技术人员的安装、调试和维修。