PLC-300在污水處理工程應(yīng)用
一、前言
我國目前已建成投入生產(chǎn)運(yùn)行的污水處理廠，自動(dòng)控制監(jiān)測技術(shù)，大致有幾種情況：一種情況是建立中央控制室，中控室雙機(jī)熱備系統(tǒng)通過通信介質(zhì)（如雙絞線、光纖等）連接廠內(nèi)各PLC控制子站，各PLC控制子站控制現(xiàn)場的儀器儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到監(jiān)測控制的目的；第二種情況是在各污水處理廠直接通過各PLC子站控制各現(xiàn)場的儀器儀表；第三種情況是由于建廠時(shí)間較早或經(jīng)費(fèi)投入不足，廠內(nèi)沒有控制系統(tǒng)。無論何種情況，由于采用的設(shè)備和技術(shù)參差不齊，給污水處理廠的生產(chǎn)運(yùn)行、管理受到不同程度的影響，影響出水水質(zhì)，有待于采用新的自動(dòng)控制技術(shù)對污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造、改建、甚至重建，以滿足污水處理廠生產(chǎn)運(yùn)行的需要；同時(shí)國家宏觀經(jīng)濟(jì)建設(shè)政策明確提出，要廣泛推廣科學(xué)技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、通信技術(shù)等高科技技術(shù)，提升改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，朝著生產(chǎn)過程自動(dòng)化、管理信息化、高質(zhì)量、高效率、節(jié)能的方向發(fā)展。污水處理行業(yè)亦不例外，需要采用計(jì)算機(jī)信息、通信、自動(dòng)控制等高科技技術(shù)，結(jié)合污水處理行業(yè)各種處理工藝，提升改造傳統(tǒng)污水處理廠的生產(chǎn)、管理等工作；其次，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、各種傳感器、智能儀器儀表的飛速發(fā)展，也為污水處理行業(yè)生產(chǎn)、管理自動(dòng)化、信息化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)和產(chǎn)品支持。
可編程控制器（PLC）以其高可靠性優(yōu)良的性能價(jià)格比、使用方法等特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等。隨著PLC及其網(wǎng)絡(luò)（PLC網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用已不僅限于現(xiàn)場控制測量級，而且已深入到生產(chǎn)監(jiān)控及生產(chǎn)管理級。西門子公司的S7-200、S7-300系列可編程控制器具有極高的性能價(jià)格比，高可靠性（用戶原程序和預(yù)設(shè)值可儲存在CPU內(nèi)部的EEPROM，保證了數(shù)據(jù)安全性），強(qiáng)勁的通訊能力（支持PPI,MPI,Profibus等多種通訊協(xié)議），符合VDE,UL,CSA、FM標(biāo)準(zhǔn)和船級社船用電氣認(rèn)證，其模塊化的設(shè)計(jì)擴(kuò)展靈活并方便拆卸維修，在水處理控制系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，以下介紹了西門子S7-200,S7-300系列可編程控制器在水處理控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。
二、控制方式
本系統(tǒng)是天津石化對污水處理的一個(gè)新建項(xiàng)目。中水回用系統(tǒng)總處理能力達(dá)400t/d,脫鹽處理384t/d，由微濾、RO反滲透水處理裝置組成。微濾包括6組，每組10個(gè)微濾模塊，共計(jì)60個(gè)模塊。RO反滲透包括加藥、RO膜件、沖冼系統(tǒng)。根據(jù)工藝程控要求及中水處理廠以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及儀表檢測為主，模擬量回路調(diào)節(jié)為輔的特點(diǎn)，在控制方案中采用了Siemen SIMATIC s7-300PLC+PROFIBUS+PC即采用上位設(shè)置監(jiān)控計(jì)算機(jī)、下位控制站為可編程控制器（PLC）并以高速數(shù)據(jù)總線連接的集中監(jiān)視、分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自控系統(tǒng)的控制別設(shè)置為三層：第一層為現(xiàn)場手動(dòng)控制，在各電氣站點(diǎn)設(shè)置現(xiàn)場手動(dòng)控制箱，可單獨(dú)啟停各測試設(shè)備及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第二層為PLC邏輯聯(lián)動(dòng)控制，由PLC根據(jù)現(xiàn)場測試設(shè)備采集的數(shù)椐及系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行邏輯關(guān)系，自動(dòng)控制各站點(diǎn)內(nèi)的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。第三層為中央控制計(jì)算機(jī)監(jiān)測，修改PLC控制參數(shù)，上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)控制圖如下：
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手動(dòng)控制及自動(dòng)控制可以分別通過機(jī)房或中央控制室的”手自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行切換，這樣的控制方式能最大限度地保證污水處理裝置安全操作的需要。
中央控制計(jì)算機(jī)能對整個(gè)系統(tǒng)的污水處理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制，隨時(shí)跟蹤接收PLC的數(shù)據(jù)信號，能對各種類型模擬量進(jìn)行巡回檢測，對主要工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，趨勢分析，制表打印，繪制曲線；對主要數(shù)據(jù)永久性保存，且在CRT上顯示整個(gè)工藝流程或局部環(huán)節(jié)的直觀動(dòng)態(tài)彩色畫面，動(dòng)態(tài)顯示工藝流程各主要部件的運(yùn)行狀態(tài)。
三、系統(tǒng)配置：
SIMATIC S7-300可編程控制器模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使各種獨(dú)立的模塊之間可以進(jìn)行廣泛的組合，易于擴(kuò)展。中央處理單元選用CPU315-2DP 2塊，它具有大型的程序存儲容量，并有PROFIBUS-DP主/從接口，可以配制成分布的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，易于今后的系統(tǒng)擴(kuò)展。智能化的診斷功能連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)工作是否正常，并記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。
接口模塊采用IM153,共8塊，用于多機(jī)架配置中主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架之間的連接，可擴(kuò)展8個(gè)機(jī)架，各機(jī)架之間的最大距離為10米。
信號模塊：數(shù)字量輸入模塊31塊、輸出模塊27塊，模擬量輸入模塊10塊。監(jiān)測各閥門的當(dāng)前狀態(tài)，電機(jī)運(yùn)行情況，控制閥門和電機(jī)的動(dòng)作，檢測微濾總管設(shè)流量,濁度、PH值和各單路產(chǎn)水濁度；RO反滲進(jìn)水電導(dǎo)率和濁水,入口污水流量和出口達(dá)標(biāo)凈水流量等。
本系統(tǒng)采用最先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)（PROFIBUS），它可將現(xiàn)場所有的分布式自動(dòng)化設(shè)備，包括自動(dòng)化智能儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器。傳輸速率高達(dá)12Mbit/S,通過使ET200上的IM153接口模塊與控制器互連，滿足對現(xiàn)場信號的采集、指令的發(fā)送和控制器的通訊。通過公共總線直接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，其最大優(yōu)點(diǎn)是：
1)盡管現(xiàn)場的儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)總數(shù)多至數(shù)百點(diǎn)，也只需要鋪設(shè)一根通訊電纜就能將所有的測點(diǎn)數(shù)據(jù)送到目的地。這就大大地減輕布線工作量，降低線纜成本，便于安裝和便于維修保養(yǎng)。
2）在過程控制中具有更高的可靠性和透明性，更快的數(shù)據(jù)交換速度，即使距離遠(yuǎn)至數(shù)十米，所有信息也能在毫秒級時(shí)間內(nèi)傳送到目的地。
3）實(shí)現(xiàn)開放式現(xiàn)場總線后，系統(tǒng)內(nèi)所有自動(dòng)化設(shè)備(PLC機(jī)、PC機(jī)、人-機(jī)接口系統(tǒng)以及傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu))都可以繹經(jīng)過統(tǒng)一的總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信。
4）、連，多及擴(kuò)展性能超群,可通過SIMATIC網(wǎng)絡(luò)能將企業(yè)管理網(wǎng)，污水處理控制層,現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備天衣縫地集成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，今后如需要增加現(xiàn)場測點(diǎn)或控制點(diǎn),可直接掛接在總線上，也不必更原來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布線框架。
供配電系統(tǒng)：總配電柜（一級供電），微濾子站控制柜（二級供電）,RO子站控制柜（二級供電）,儀表盤，現(xiàn)場控制盤（三級供電）.
四：監(jiān)控軟件
本系統(tǒng)的監(jiān)控軟件是WINCC是基于WINNT/WIN 2000平臺的系統(tǒng)軟件，運(yùn)用WINCC V5.0組態(tài)，主要是對污水處理廠數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集觀察和監(jiān)視的任務(wù)；監(jiān)控生產(chǎn)作業(yè)過程，包括顯示控制過程畫面和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)總體框圖；繪制重要參數(shù)的變化趨勢圖；顯示重要設(shè)備的工作狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和存儲；輔助管理日常生產(chǎn)業(yè)務(wù)，提供決策參考。
圖形系統(tǒng)：用于圖形顯示和操作，在系統(tǒng)中主要控制的系統(tǒng)有微濾系統(tǒng)和反滲透系統(tǒng)，模擬量參數(shù)表、曲線、流量累積。主要控制的功能有泵的操作、電動(dòng)門監(jiān)視操作、連鎖回路監(jiān)視、電動(dòng)執(zhí)行器監(jiān)視操作、參數(shù)顯示。
報(bào)警系統(tǒng)：主要用于過程信號報(bào)警與事件信息的采集和顯示。生產(chǎn)過程中的檢測量超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警顯示，并通過報(bào)警打印機(jī)打印輸出，形成記錄文件；生產(chǎn)過程中的自動(dòng)狀態(tài)下的控制設(shè)備發(fā)出故障信號或失去控制時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警顯示，并通過報(bào)警打印機(jī)打印輸出，形成記錄文件；報(bào)警數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲以備事后分析。
過程歸檔：主要對報(bào)警、測量值和用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔管理，測量值歸檔是對采集的過程值進(jìn)行整理后用于顯示和存檔，用戶可自行定義顯示的數(shù)據(jù)格式。報(bào)警歸檔記錄了報(bào)警信號的時(shí)間、類別、報(bào)警名稱和級別 。
報(bào)表系統(tǒng)：主要是將控制過程中紀(jì)錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印輸出，水網(wǎng)報(bào)表系統(tǒng)可打印報(bào)警信息報(bào)表、測量值歸檔報(bào)表二種類型報(bào)表。報(bào)警信息報(bào)表和測量值紀(jì)錄報(bào)表可隨時(shí)打印，測量值歸檔報(bào)表每天自動(dòng)打印一次。
五、應(yīng)用心得
控制站的冗余配置增加了系統(tǒng)的可靠性，很好的保證了生產(chǎn)過程的連續(xù)運(yùn)行。圖形化的編程方便、直觀提高了編程人員的工作效率。通過對 CFC功能圖的在線監(jiān)測可以很容易判斷出故障點(diǎn)，極大的方便了維護(hù)人員對故障點(diǎn)的查找。WINCC組態(tài)功能強(qiáng)大，可完成生產(chǎn)過程可視化的全部要求。美中不足的是在程序設(shè)計(jì)時(shí)對閥門開度控制的不夠嚴(yán)密，運(yùn)行時(shí)曾發(fā)生過程中斷時(shí)，操作人員發(fā)出復(fù)位指令導(dǎo)致閥門復(fù)不了位，鑒于此，我們修改了程序。由于程序是以反饋信號為基礎(chǔ)的，沖洗時(shí)震動(dòng)較大，閥門的限位開關(guān)反饋信號的準(zhǔn)確度在無人操作時(shí)自己就很需要，查其原因就是震動(dòng)導(dǎo)致閥門運(yùn)行到不了位引起反饋信號丟失所至，所以維護(hù)人員要定期維護(hù)閥門的限位開關(guān)。
六、結(jié)束語
從水廠的運(yùn)行情況來看，設(shè)備的動(dòng)作可靠，自動(dòng)調(diào)節(jié)已經(jīng)全部投入使用，證明了這套控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中具有較強(qiáng)的可用性和較高的安全性，還值的推廣。
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