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1系統(tǒng)描述
我國(guó)是一個(gè)水資源比較貧乏的國(guó)家，在全球人均淡水資源位居110位，為世界平均值的四分之一。在面臨水資源短缺的情況下，加強(qiáng)水資源保護(hù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有限水資源的循環(huán)利用，是保障和支持城市可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。礦區(qū)生活污水處理可以有效減輕礦區(qū)周邊水體環(huán)境污染，處理回用水可循環(huán)使用，如為礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)沖洗，綠化和煤場(chǎng)防塵使用，從而減少地下水資源開采，讓每一噸水都成為企業(yè)生產(chǎn)和生活的可用資源，走循環(huán)經(jīng)濟(jì)，創(chuàng)節(jié)約型企業(yè)。目前礦區(qū)的生活污水處理普遍重視程度不夠，一般就采用化糞池處理后直排。部分小區(qū)建成的生活污水處理系統(tǒng)自動(dòng)化程度不高。生活污水處理控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高低，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的難易有著重要影響。先進(jìn)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于降低污水處理成本，改善我國(guó)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。
2控制要求
“分散控制，集中管理，數(shù)據(jù)共享”是污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，選型要求系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，并且要求整個(gè)系統(tǒng)具有擴(kuò)展性好、運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)、性能價(jià)格價(jià)比高[1]。自控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程自動(dòng)控制、自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)報(bào)警，并且重要設(shè)備、重要參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。污水處理工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)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(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)可直接控制各分站設(shè)備，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，不會(huì)影響各PLC分站的正常工作，此時(shí)PLC分站可獨(dú)立工作或通過就地控制箱對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。上位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，PLC各分站按照工藝要求實(shí)現(xiàn)本站內(nèi)各設(shè)備的自動(dòng)控制[2]。（2）控制過程采用閉環(huán)控制方式，對(duì)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(duì)主要工藝參數(shù)如水質(zhì)、溫度、流量、液位、pH值和各種機(jī)電設(shè)備的工作狀態(tài)，工藝參數(shù)臨界值進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dòng)控制與手動(dòng)控制兩種運(yùn)行方式。一般情況下采用自動(dòng)控制模式，當(dāng)系統(tǒng)不具備自動(dòng)控制模式時(shí)改為手動(dòng)控制模式，手動(dòng)控制模式又細(xì)分為主控室控制與現(xiàn)場(chǎng)控制兩種工作方式。（5）組態(tài)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)要符合系統(tǒng)工藝，符合現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用習(xí)慣，同時(shí)設(shè)定不同的級(jí)別權(quán)限或等級(jí)，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。
3硬件設(shè)計(jì)
3.1控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是一種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，比如價(jià)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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)占有率。本次設(shè)計(jì)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(shí)的可恢復(fù)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(gè)分站布置一臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。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(huì)很快生成新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，邏輯上構(gòu)成的是一個(gè)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。
3.2PLC硬件設(shè)計(jì)
�。�1）PLC選型。針對(duì)污水處理系統(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(jì)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(diǎn)數(shù)多，性能高，配置靈活，擴(kuò)展方便。S7-300PLC各模塊安裝在一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)軌上，通過背板總線相連。（2）控制系統(tǒng)硬件組成。本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)包括一個(gè)主站和兩個(gè)分站。主站位于主控室，包括上位機(jī)和顯示器，打印機(jī)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(jī)，用于輸出故障報(bào)警信息和各種生產(chǎn)報(bào)表。工控機(jī)同時(shí)作為OPC服務(wù)器和OPC客戶機(jī)，用來發(fā)布和上傳報(bào)表。工控機(jī)主站顯示器上可以看到生產(chǎn)過程動(dòng)態(tài)畫面，儀表測(cè)量值、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，鍵盤和鼠標(biāo)可進(jìn)行畫面選擇和生產(chǎn)設(shè)備的控制。在兩個(gè)分站各設(shè)置一套S7-300PLC，組成為一個(gè)電源模塊PS307,一個(gè)CPU模塊CPU315-2DP，若干塊擴(kuò)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(gè)PLC分站中PLC1負(fù)責(zé)格柵池，水解池，A/O池和二沉池所有設(shè)備的控制。PLC2負(fù)責(zé)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(diǎn)數(shù)量如表1所示。
4軟件設(shè)計(jì)
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(jì)以梯形圖為主。
4.1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(jì)系統(tǒng)的流程圖及全部程序流程圖。并以此指導(dǎo)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。
4.2PLC程序的組成及功能
系統(tǒng)的程序包括主程序OB1及8個(gè)功能塊模塊FC1～FC8。主程序?yàn)榻M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(jī)構(gòu)的運(yùn)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(yùn)行控制程序，功能塊FC4是立式回流水泵運(yùn)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(bào)警程序（包括故障報(bào)警、水位超限報(bào)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(jì)
上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)畫面采用西門子WinCC實(shí)現(xiàn)。組態(tài)實(shí)現(xiàn)主要包括建立變量，建立畫面，實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)記錄及報(bào)警等。
5.1創(chuàng)建污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目
[3]（1）建立項(xiàng)目。打開WinCC，新建項(xiàng)目并設(shè)定系統(tǒng)屬性，“系統(tǒng)屬性”中計(jì)算機(jī)名稱一定要與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)定的計(jì)算機(jī)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(biāo)簽）的時(shí)間，也是腳本或動(dòng)態(tài)功能的觸發(fā)訪問時(shí)基。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(gè)變量組存放同一屬性的變量。本設(shè)計(jì)生活污水處理控制系統(tǒng)的變量組分為運(yùn)行信號(hào)變量、故障信號(hào)變量、模擬信號(hào)變量、手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、報(bào)警和液位參數(shù)設(shè)定幾個(gè)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(chǔ)器地址中的數(shù)據(jù)變量一一對(duì)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(jì)要求和PLC控制程序，在相應(yīng)的變量標(biāo)簽組里建立WinCC變量標(biāo)簽。
5.2創(chuàng)建生活污水處理系統(tǒng)過程畫面
通過WinCC“圖形設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shì)頁面等。
6結(jié)束語
現(xiàn)代化的污水處理控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化。控制系統(tǒng)即要保證與現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)接口，也就是具有數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性。本設(shè)計(jì)針對(duì)礦區(qū)生活污水處理的設(shè)計(jì)要求，對(duì)要求所提出的工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)分析，選用先進(jìn)的控制設(shè)備和優(yōu)秀的監(jiān)控組態(tài)軟件，進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行，極大減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)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。
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