PLC在水處理中的應用

PLC在水處理中的應用
可編程控制器（PLC）是以微處理器為核心，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發展起來的一種新型、通用的自動控制裝置。具有結構簡單、性能優越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優點。隨著工業自動化、計算機集成技術的飛速發展，PLC也在向高功能、高速度、大容量發展，PLC系統的的應用范圍和應用規模也將會越來越大。城市污水處理工程的建設正以前所未有的速度發展，大大加快了工業自動化的進程。
PLC的主要特點
由于控制對象得復雜性，使用環境的特殊性和運行工作的連續長期性，使得PLC在設計結構上具有許多其他控制器所無法相比得特點：
①可靠性高，抗干擾能力強②通用性強，使用方便③程序設計簡單、易學、易懂④采用先進的模塊化結構，系統組合靈活方便⑤系統設計周期短⑥安裝簡便，調試方便，維護工作量小⑦對生產工藝改變適應性強，可進行柔性生產
綜合以上特點可見，PLC的諸多特點正是迎合了廣大用戶的需求，彌補了其他控制器的不足。因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領域得到了越來越廣泛的應用。在現代自動化的污水處理廠更是不可缺少。污水處理廠的過程控制都有一個共同的特點，就是開關量多，模擬量少。以邏輯順序控制為主，閉環回路控制為輔，因此，以次見長的可變成邏輯控制器在污水處理中得到了廣泛的應用。
基本組成①CPU PLC的控制中樞，它由控制器和計算器組成，PLC在CPU的控制下使全機有條不紊的協調工作，以實現對現場的各個設備進行控制。②存儲器 PLC系統中的存儲器主要用于存儲系統程序，用戶程序和工作狀態數據。③輸入輸出模塊 生產過程中有許多控制變量，如溫度、壓力等PLC與工業生產過程的聯系是通過I/O模塊實現的。④編程器 PLC的重要外部設備，通過它將用戶編寫的程序送到PLC的用戶程序存儲器，因為它的任務就是：輸入程序、調試程序和監控程序的執行過程。
工作原理PLC的工作方式與微型計算機相比有較大的不同。PLC不是利用微型計算機中的中斷處理方式，而是采用循環掃描的工作方式。CPU按照系統程序所賦予的功能，接收并把用戶程序和數據存在RAM中，系統上電后，它按掃描方式開始工作，從第一條用戶指令開始，逐條掃描并執行直到最后一條用戶指令為止。它不停地進行周期性掃描，沒掃描一次，用戶程序就被執行一次。
系統的硬件組成
　　PLC在現代工業控制領域中早己得到了廣泛的應用。以PLC的控制功能而言，PLC 具有嚴謹、方便、易編程、易安裝、可靠性高等優點。它通用性強，適應面廣,特別在數字量輸入輸出等邏輯控制領域有無可比擬的優點。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應用指令，它提供高質量的硬件、高水平的系統軟件平臺和易學易編程的應用軟件平臺。另外，PLC即有自身的網絡體系又有開放I/0及通訊接口，很容易組建網絡并實現遠程訪問。污水處理主要是順序邏輯控制，這正是PLC控制的優勢所在。 在眾多的PLC生產廠家中，西門子公司的S7—300系列產品以其較高的性價比成為眾多用戶的首選。S7—300是模塊化的小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用。模塊化、無排風扇結構，各種單獨的模塊之間可進行廣泛的組合以用于擴展。接口模塊（IM）用于多機架配置時連接主機架（CR）和擴展機架（ER），S7—300通過分布式的主機架（CR）和二個擴展機架（ER）可以操作多達24個模塊。中央處理單元（CPU）集成有PROFIBUS—DP和MPI通訊接口，多點接口（MPI）用于同時連接編程器、PC機和人機界面等。信號模塊（SM）用于數字量和模擬量的輸入輸出。
　　在設計當中，根據設備的情況和廠方用戶的要求，對主控制器PLC的硬件配置中， CPU模塊采用315—2DP，數字量輸入（DI）采用SM321模塊，數字量輸出（DO） 采用 SM322模塊，模擬量輸入（AI） 采用 SM331模塊，模擬量輸出（AO） 采用 SM332模塊。在現場實際中，數字量輸入輸出（DI/DO），模擬量輸入輸出（AI/AO）都有部分冗余，以備系統臨時擴充需要。由ET200M模塊組成的遠程從站可就近放置在現場，利用 SIEMENS公司工業現場總線PROFIBUS-DP完成主——從通訊。通過設置從站的方法可把地理位置相對分散的設備的控制信號，用一根現場總線送到PLC主站，這樣不但可節約大量的電纜，同時系統的可靠性也有了很大的提高。在本系統中，PLC主站共下設2個 ET200M遠程從站。從站1放置在鼓風機房，實現對鼓風機房的數據采集和控制。從站2放置在污泥泵房，實現對污泥泵房的數據采集和控制。上位機監控系統使用一臺工程師站和一臺操作員站。兩臺工業計算機分別采用SIEMENS公司CP5611網卡通過PROFIBUS-S7數據通訊網絡完成計算機與PLC主站之間的數據通訊。操作員站的畫面組態軟件選用SIEMENS公司的WINCC完成用戶二次軟件的開發。
控制系統的功能實現
　　根據對現場污水處理工藝的了解和操作人員的具體要求和建議 ，以及以往系統的開發經驗，可把系統的控制功能實現分為上位機實現和下位機實現。下面將分別介紹。
1 下位機PLC控制系統的功能實現：手動操作，PLC遠程手動遙控操作，全自動操作三種方式。
　　前兩種方式一般只在設備調試或維修時使用，系統主要以全自動操作方式為主。在這種方式下，各類泵、風機等設備的開、停，各種工況的切換都由可編程控制器按照預先編制的程序自動生成，不需要操作人員干預。每種工況的運行時間及各種測量參數均可以在線或離線調整，每臺設備和每種工況的運行情況也都可以由PLC系統進行監視。現場的泵類、風機、攪拌器等信號通過PLC的控制轉化也在上位機上顯示。這樣，既能對設備開關量，如各類泵、風機、攪拌器等的開停進行控制，又能對現場的模擬量：曝氣池內的溶解氧、消化池的泥溫等進行調節，使全廠的工藝、設備運行得到全面的控制。
2上位機監控系統的功能實現：
① 提供工藝過程參數檢測流程圖，模擬量顯示圖，模擬量棒圖，趨勢圖等動態畫面顯示各主要設備運行時間參數和控制回路參數設置畫面。據此操作人員或工藝員可對整個工藝和設備有一個詳細和形象的了解。
② 系統主要參數和報警信號登錄。登錄數據可供工藝人員和控制系統設計人員參考，以分析設備運行情況，進一步改進控制方案，提高系統的運行效率。并對故障設備及超越儀表設定值閃爍報警，提醒操作人員采取相應措施，確保了生產安全同時給出可能的故障原因和解決辦法。
③ 可通過鍵盤（或鼠標）直接控制現場設備，如啟動或停止各類泵、風機、閥、攪拌器、刮泥橋等。
④ 進入和退出系統的口令保護，以免非工作人員進入系統或隨意中斷運行中的系統。
系統軟件設計
 用戶的軟件設計質量的好壞直接關系到系統的控制質量和人員設備的安全，所以開發一套功能完善、可靠性高的軟件尤顯重要。 根據系統的實際情況，用戶的軟件設計同樣分為上位機軟件設計和下位機軟件設計，下面將分別給予介紹。
1 下位機程序設計
　　PLC主站的用戶程序是在基于SIEMENS公司的SIMATIC STEP7 V5.1軟件平臺上完成硬件組態、地址和站址的分配以及用戶程序的設計開發的，在主程序（OBI）中將各種控制功能和各站點間的通訊數據分別編寫在不同的子程序（功能塊FB、DB FC）中。在本系統中，根據所控制設備的實際情況，可把整個污水處理流程分為若干個分流程，每個分流程對應一個功能（FC）或功能塊（FB）,例如粗隔柵控制（FC1），細隔柵控制（FC3），曝氣沉砂池控制（FC4），生化反應池控制（FB1）等。另外還有一些中間轉換控制模塊，例如從溫度傳感器上通過PLC的模擬量輸入模塊中得到的數據必須通過量程轉換才能變成實際的溫度值，通過編寫單獨的模塊FC8，完成從 WORD到實數的轉換。考慮到傳感器測到的溫度可能由于干擾信號在極短的時間內出現階躍，為避免干擾，采用在10秒內采集5個溫度，平均這5個溫度，從而有效的避免了干擾。
2 上位機程序設計
　　上位機的編程平臺采用SIEMENS公司的SIMATIC WINCC5.1。在工程師站安裝WINCC-RC用于開發，操作員站安裝WINCC-RT用于運行， WINCC運行于 Windows NT V4.0操作系統平臺之上，以增加系統運行安全和穩定性。WINCC通過讀取下位機的DB塊，在上位機顯示對應的狀況，如顯示實際溫度、水泵的開閉狀態等。另外可以把上位機的操作命令傳到下位機的DB塊中，來實現對下位機的在線操作。在本系統中，通過共享數據塊DB1把下位機的工作狀態傳到上位機，通過共享數據塊DB2把上位機的命令傳到下位機。
結束語
　　用PLC設計的自控系統在某污水處理廠投入使用以來，大大降低了操作人員的勞動強度，并改善了操作人員的工作環境。設備具有調試簡單、操作方便、使用安全、運行可靠、效率高、故障率低，污水處理效果好的特點，同時由于軟硬件均采用模塊化結構，方便了工程技術人員的安裝、調試和維修，為我們帶來了很好的社會效益和經濟效益。