引言

對CAST污水處理工藝的研究，以可編程控制器為控制主體，以計算機為系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護、監(jiān)控和管理的一體化平臺，實現(xiàn)了污水處理生產(chǎn)現(xiàn)場與計算機控制系統(tǒng)的集成，建立一套完整的城市污水處理系統(tǒng)。

本文的主要內(nèi)容是在對污水處理工藝分析基礎(chǔ)上，開發(fā)西門子S7-300的城市污水處理控制系統(tǒng)，完成STEP7編程和人機界面地開發(fā)，并進行模擬仿真和現(xiàn)場調(diào)試。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)全集成自動化 (Totally Integrated Automation)的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為管理級、控制級和現(xiàn)場級。

該系統(tǒng)中主要工藝設(shè)備采用三種控制模式，即就地設(shè)備控制箱手動控制、自動控制和遠程PLC控制。現(xiàn)場的泵類和設(shè)備開啟、關(guān)閉等開關(guān)信號、曝氣池的溶解氧和PH等模擬信號，全部經(jīng)過PLC在上位機上顯示?，F(xiàn)場各監(jiān)控點的物理參數(shù)，均通過 Profibus總線與PLC主站相連，PLC通過Profibus總線采樣各個模擬量、數(shù)字量信號；控制信號同樣由PLC輸出，以 Profibus總線送到各控制站控制從站通過各種模塊來控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。

通常PLC上位機與下位機有三種連接方式：MPI通信、MPI卡和以太網(wǎng)卡通信。當(dāng)系統(tǒng)只有一個PLC站點時，采用MPI通信，構(gòu)造簡單、成本較低，缺點是為半雙工通信。當(dāng)系統(tǒng)有多個PLC站點時，可采用MPI卡，在上位機上安裝MPI網(wǎng)卡，下位機安裝通信模塊；也可采用工業(yè)以太網(wǎng)，也需要在上位機上安裝以太網(wǎng)卡，下位機安裝通信模塊。在本系統(tǒng)中只有一個PLC站點，綜合考慮采用MPI通信。所搭建的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制點數(shù)的要求和PLC的基本概述，西門子S7-300 PLC總體配置如下：

• 電源模塊PS307 5A

• 中央處理模塊(CPU)選用CPU315-2DP

• 數(shù)字量輸入模塊（DI）選用SM321(DI16XDC24V)，共16塊（16點/塊），處理16點輸入信號。

• 數(shù)字量輸出模塊（DO）選用SM322(DO16XDC24V/ 0.5A)，共7塊（16點/塊），處理16點輸出信號。

• 模擬量輸入模塊（AI）選用SM331(AI8X12bit)，共5塊（8點/塊），處理8點輸入信號。

• 模擬量輸出模塊（AO）無模擬量輸入信號，因此不選擇AO模塊

按照上面PLC硬件配置搭接控制系統(tǒng)，圖2為PLC硬件。



圖2 PLC硬件

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

STEP7 V5.2編程軟件

STEP7編程軟件用于SIMATIC S7 M7 C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了在個人計算機上使用STEP7，應(yīng)配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，將計算機連接到MPI網(wǎng)絡(luò)來下載和上載PLC的用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。

PLC程序塊有1個OB塊、9個FC塊，分別是FC2塊（格柵機、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池的閥和泵運行和故障狀態(tài)）、FC3塊（格柵機、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池的閥的開關(guān)和泵的啟停）、FC4塊和FC11塊(流量計、液位差、在線PH儀、在線溫度計、在線DO儀、在線硝氨儀、污泥濃度計、余氯測定儀、電極壓力表量程轉(zhuǎn)換)、FC5塊(格柵機、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池運行周期計數(shù)器清零、復(fù)位、數(shù)值轉(zhuǎn)換)、FC6塊(柵機、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池低液位判斷)、FC7塊(CAST池運行周期、進水時間、潷水時間、沉淀時間、曝氣時間、回流泵運行時間、剩余污泥泵運行時間、曝氣生物濾池反沖總時間、降水位時間、氣反沖時間和水反沖時間)、FC9塊(柵機、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池高液位判斷)、FC105塊（模擬量輸入轉(zhuǎn)換模塊）。PLC程序塊如圖3所示。


圖3 PLC程序塊

力控6.0監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計

力控6.0對歷史數(shù)據(jù)庫、人機界面、I/O驅(qū)動調(diào)度等主要核心部分進行了大幅提升與改進，重新設(shè)計了其中的核心構(gòu)件，力控6.0面向NET開發(fā)技術(shù)，開發(fā)過程采用了先進軟件工程方法 ——“測試驅(qū)動開發(fā)”，產(chǎn)品品質(zhì)將得到充分保證。

通過分析該污水處理工藝流程可知，上位機人機界面應(yīng)包括以下內(nèi)容：登陸界面、用戶管理界面、工藝流程總界面、格柵機和調(diào)節(jié)池界面、CAST池A界面、CAST池B界面、CAST池C界面、CAST池D界面、中間水池界面、生物曝氣濾池界面、回用水池界面、參數(shù)設(shè)置界面、幫助說明界面、歷史報表界面、歷史趨勢界面。

在本次設(shè)計中共設(shè)計了13個界面，將整個污水處理中的格柵井、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池全部表達出來。

軟件的運行與調(diào)試

系統(tǒng)搭建完成后，在STEP7和人機界面里分別仿真。

STEP7的模擬仿真

打開STEP7軟件，將所有程序下載到仿真程序中，如圖4、5、6、7所示。


圖4 格柵機的自動運行


圖5 格柵機梯形圖的運行


圖6 調(diào)節(jié)池提升泵A的啟動


圖7 調(diào)節(jié)池提升泵A的梯形圖啟動

人機界面的模擬仿真

運行工程，打開污水處理的人機界面，進入登陸界面后登陸系統(tǒng)，按照污水處理工藝要求，開啟CAST池A/B/C/D的自動按鈕，按下開啟按鈕，系統(tǒng)按照CAST污水處理工藝要求自動運行，人機界面主畫面運行畫面如圖8所示。

圖8中，CAST池A進入曝氣階段，CAST池A進氣電動閥打開。CAST池B正處于進水階段，此時調(diào)節(jié)池中提升泵B打開給CAST池B供水，人機界面CAST池A運行畫面如圖9所示。

圖9中，CAST池A處于進水階段，可觀察到此時運行周期時間為22，副區(qū)攪拌機、主區(qū)攪拌機A/B、回流泵均處于運行狀態(tài)。


圖8 人機界面主畫面運行畫面


圖9 人機界面CAST池A運行畫面

總結(jié)

在這次設(shè)計中，通過理論的學(xué)習(xí)和現(xiàn)場的實踐，對所做的課題基于S7–300PLC的城市污水處理工藝流程控制系統(tǒng)設(shè)計有了一個比較全面且清晰的認識。了解了如何運用STEP7編程軟件、建立系統(tǒng)人機界面，怎樣連接上下位機，現(xiàn)場接線等，通過這次的課題設(shè)計，使我們熟悉了已有知識和了解專業(yè)的前沿動態(tài)，為以后的工作奠定堅實基礎(chǔ)。