矿区污水处理自动化控制系统设计

　　控制要求

　　“分散控制，集中管理，数据共享”是污水自动控制系统的设计原则，选型要求系统性能稳定、运行可靠、操作简单、维护方便，并且要求整个系统具有扩展性好、运行成本经济、性能价格价比高[1]。自控化控制系统应实现生产全过程自动控制、自动保护、自动调节和自动报警，并且重要设备、重要参数实时监控。

污水处理工程自动化控制系统的基本设计要求如下：

（1）系统采用分布式结构，采用工业以太网通信方式。主控室上位机通过工业以太网可直接控制各分站设备，当网络故障时，不会影响各PLC分站的正常工作，此时PLC分站可独立工作或通过就地控制箱对设备进行手动控制。上位机系统负责整个系统的监控和管理，PLC各分站按照工艺要求实现本站内各设备的自动控制。

（2）控制过程采用闭环控制方式，对工艺参数采集并反馈到系统中，可极大提高系统的抗冲击性并具有良好的适应性。

（3）对主要工艺参数如水质、温度、流量、液位、pH值和各种机电设备的工作状态，工艺参数临界值进行监控，系统的实时数据保存在数据库中，可通过OPC服务器或者OPC客户端方式在线访问。

（4）控制系统具备自动控制与手动控制两种运行方式。一般情况下采用自动控制模式，当系统不具备自动控制模式时改为手动控制模式，手动控制模式又细分为主控室控制与现场控制两种工作方式。（5）组态监控画面的设计要符合系统工艺，符合现场操作人员使用习惯，同时设定不同的级别权限或等级，确保系统运行安全。

　　硬件设计

　　1控制系统的网络结构

　　当前的工业以太网技术是一种生产现场最受欢迎的通信网络之一，具有多方面的优点，比如价格低、性能稳定可靠、数据传输速率高、软硬件产品线丰富、技术成熟等，目前已经接近现场总线网络的市场占有率。本次设计的矿区生活污水处理控制系统采用工业以太网构成系统网络。为了提高网络在发生故障时的可恢复性能，主干网络使用多模光纤百兆环形网络拓朴结构。见图1。网络采用的是单环结构，即在环网中的每一个分站布置一台工业以太网交换机。本网络架构可抵御一定故障，如网络中某一通道发生故障，网络会很快生成新的网络结构，逻辑上构成的是一个总线型网络结构，能持续保持系统网络的通信畅通。

　　2PLC硬件设计

　　（1）PLC选型。针对污水处理控制系统占地面积较大，控制设备多且分散，环境潮湿、脏、臭等特殊因素。本设计选用西门子公司生产的S7-300系列PLC，S7-300PLC为中型PLC，采用模块化结构，控制点数多，性能高，配置灵活，扩展方便。S7-300PLC各模块安装在一个或多个导轨上，通过背板总线相连。（2）控制系统硬件组成。本设计控制系统包括一个主站和两个分站。主站位于主控室，包括上位机和显示器，打印机等。分站各包含一套西门子S7-300PLC。主站用于监控，配有打印机，用于输出故障报警信息和各种生产报表。工控机同时作为OPC服务器和OPC客户机，用来发布和上传报表。工控机主站显示器上可以看到生产过程动态画面，仪表测量值、生产设备状态，键盘和鼠标可进行画面选择和生产设备的控制。在两个分站各设置一套S7-300PLC，组成为一个电源模块PS307,一个CPU模块CPU315-2DP，若干块扩展模块（DI/DO/AI/AO）和一块以太网通信模块343-1。PLC分站模块构成见图2。两个PLC分站中PLC1负责格栅池，水解池，A/O池和二沉池所有设备的控制。PLC2负责活性炭过滤池、多介质过滤池、清水池及中间水池全部设备的控制。PLC分站的控制点数量如表1所示。

　　软件设计

　　PLC编程语言既可以采用梯形图语言LAD，又可以采用语句表STL编程语言和功能块图FBD，本设计以梯形图为主。

　　1污水处理控制程序流程图

　　根据污水处理工艺及控制要求，应首先设计系统的流程图及全部程序流程图。并以此指导PLC程序的编写。由于篇幅所限只列出系统总流程图。系统总流程图如图3所示。

　　2PLC程序的组成及功能

　　系统的程序包括主程序OB1及8个功能块模块FC1～FC8。主程序为组织块OB1。主要作用为循环调用各功能子程序。功能块FC1～FC4是各执行机构的运行子程序，其中功能块FC1是格栅池控制程序，功能块FC2是调节池控制程序，功能块FC3是立式回用水泵运行控制程序，功能块FC4是立式回流水泵运行控制程序。其它功能块分别是功能块FC5～功能块FC8。其中功能块FC5为报警程序（包括故障报警、水位超限报警等）。功能块FC6是工程量转换程序（用于模拟量输入值转换为工程量）。功能7（FC7）是液位转换程序。功能8（FC8）是DB数据块数据处理程序。

　　5污水处理监控组态画面设计

　　上位机监控组态画面采用西门子WinCC实现。组态实现主要包括建立变量，建立画面，实时和历史数据记录及报警等。

　　1创建污水处理监控系统设计项目

　　（1）建立项目。打开WinCC，新建项目并设定系统属性，“系统属性”中计算机名称一定要与计算机操作系统设定的计算机名称相同。设置刷新周期。系统刷新周期为WinCC数据管理器访问过程数据（过程变量标签）的时间，也是脚本或动态功能的触发访问时基。标准时间范围250ms～1h。（2）创建WinCC变量。在"变量管理"中建立组态连接，并设置组态连接属性，根据硬件连接建立WinCC与PLC接口所需的逻辑连接参数。变量可以采用变量组的形式以方便管理，一般一个变量组存放同一属性的变量。本设计生活污水处理控制系统的变量组分为运行信号变量、故障信号变量、模拟信号变量、手/自动转换、报警和液位参数设定几个变量组。（3）建立系统变量。变量分为外部变量（过程变量）与内部变量。外部变量与PLC的存储器地址中的数据变量一一对应。内部变量与PLC无关，用于存放WinCC中的变量数据。根据系统设计要求和PLC控制程序，在相应的变量标签组里建立WinCC变量标签。

　　2创建生活污水处理系统过程画面

　　通过WinCC“图形设计编辑器”创建系统过程画面。在生活污水处理系统监控项目中创建以下画面：通用模版画面、生产工艺画面、设备状态监控画面、液位棒状图画面、操作记录画面、活性炭过滤器状态画面、多介质过滤器状态画面和趋势页面等。

　　结束语

　　现代化的污水处理控制系统需要实现管理与控制一体化。控制系统即要保证与现场控制设备有良好的接口，而且还应具备与上层的企业信息管理系统提供标准接口，也就是具有数据可扩展性。本设计针对矿区生活污水处理的设计要求，对要求所提出的工艺流程进行了详细分析，选用先进的控制设备和优秀的监控组态软件，进行了细致的设计。本系统实现了污水处理系统的稳定和高效运行，极大减轻了现场操作人员劳动强度，改善了工人的工作环境，极大提高了矿区生活污水处理的现代化管理水平。