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摘 要：黄金在人类社会中占有重要地位，但是黄金尾矿的污水处理问题一直没有得到有效的解决。针对矿井污水处理工作的过程中需要实时动态的进行调整多个参量的需求。吸取了方方面面经验，提出了基于PLC原理，设计了一种基于PLC的控制应用模型，应用PLC、现场总线技术、上位机监控设备等能够组成一个实时、高效、可靠的自动化系统。将其应用于污水处理的自动控制系统，能够处理废水，将带来良好的社会效益和可观的经济效益，对环境保护起到重要作用，值得推广应用。
关键词：PLC混合网络 黄金尾矿 污水处理 应用分析
中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0170-03
人们对黄金的需求量日益增长，所以黄金工业也得到了迅猛发展，中国的黄金产量更是在2012年突破了400 t大关，连续6年位居世界第一[1]。不过黄金尾矿的污水处理一直是制约黄金工业可持续发展的重要原因，黄金尾矿中既含有有害物质，也含有大量的金、铁、银、铜等有价金属和其他可利用资源[2-3]。以往的生产技术水平低下，无法有效解决黄金尾矿的问题，但是采用PLC混合网络可以很好地解决上述问题。PLC（Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器，专门为了在工业环境下应用，是一种采用数字运算操作的电子装置[4]。它的存储器是工业控制的核心部分，其内部存储着各种面向用户的指令，可以执行计数、计时、算术运算、逻辑运算以及顺序运算等操作，并能通过模拟式或者数字式的输入及输出来对各类型的机械或生产过程进行操控。PLC与其外围设备共同组成一个整体，可以更好地扩展其功能。该项目是采用德国SIEMENS公司的S7-400系列的413-2 PLC作为主站，构成ProfiBus-DP总线控制系统，使该污水处理系统按照工艺要求完成自动控制，其上位机的性能稳定，具有较好的抗干扰性能；其工控组态软件为WinCC，可以对上位机监控功能进行组态，监控现场设备。该文就采用西门子PLC组成西门子混合网络，设计一套网络控制系统来处理黄金尾矿污水，取得了很好的效果，现将结果总结如以下几点。
1 工艺流程
污水处理的目的就是通过分离污水中的污染物质或将其转化为无害物质以达到净化污水的目的。一般要先将大块杂物除去，然后再将胶体物质、悬浮固体以及溶解物质等除去，主要分为三级处理[5-7]。一级处理是污水预处理阶段，将黄金尾矿中的大块固形物通过格栅机和筛网等进行拦截，并进行初步沉淀；二级处理是生物处理阶段，通过“厌氧一缺氧一好氧”过程来对污水进行脱氮、除磷处理，向好氧区投加活性菌种，通过凝聚、吸附、氧化、分解、沉淀等过程来将污水中的有机污染物进行净化和分解；三级处理是污泥处理阶段，将处理达标后的污水直接排放，把多余的污泥经由排泥泵送到机房进行脱水处理。
2 系统配置及网络结构
2.1 主站选型
位于中控室的PLC主站，主要负责读取数据、写入数据以及远程监控层通讯。选择德国西门子PLC产品中的S7-400系列，主站为PLC，从站为ProfiBus-DP[8-11]。与之匹配的CPU为CPU412-3H的紧凑型CPU，带有内置接口，特点是组态灵活、数字处理能力强、操作简洁、速度快，其内部定时器多达126个，可以满足工艺控制的时间要求。通讯为西门子的CP443-1，可以以多重协议方式来实现S7路由、S5兼容通讯（发送/接收）以及PG/OP通讯。
2.2 数据传输
主干网采用以太网，以多模四芯光缆作为传输介质，传输速度为10/1OOM；以ProfiBus现场总线作为支网，以SIEMENS的ProfiBus-DP专用电缆作为传输介质，传输速度为1.5 Mbps。该系统具有较高的数据传输效率，在系统和外部设备之间进行通信效果良好[12-15]。
2.3 上位机
中控室设有两台主机服务器，IBM-FINITY以及IBM-PC，在工控行业有多种组态软件可选，选择了SIMATIC的WinCC来完成该项目，可以缩短项目开发周期并提高通讯效率。该系统能够监控设备状态，显示数据和报表曲线以及定时打印，操作方便。
3 网络原理及方案分析
3.1 DP Distributed I/Os网
ProfiBus（欧洲标准EN 50170和德国国家标准DIN 19245）在世较大范围内己经得到了认可，ProfiBus-DP接口的现场设备总线上最多能够挂接127个站点[16-18]。数据最小传输速率为9.6 kbps，最大传输速率为12 Mbps，当传输速率为12 Mbps时最大传输距离为l00 m，当传输速率为1.5 Mbps时最大传输距离为400 m，如果采用中继器，则传输距离可以延长至l0 km。中央控制器对设备的输入信息进行读取并及时发回输出信息，能够有效保证总线循环时间小于控制器的程序循环时间；但是分站没有中央处理单元，各分站之间采用IM153接口模块通过DP总线进行相互连接。
3.2 MPI（Multi Point Interface）
多点接口，是用于PLC之间通讯的一种保密协议，具有简单、经济、多点通信的特点。MPI网络的通信速率为19.2 kbps～12 Mbps，可以连接的节点最多为32个，最大的通讯距离为50 m，而且如果采用中继器，则可以扩展通讯距离，MPI网在内置的S7协议下工作。如果主控单元或其相连的总线发生故障，可以通过MPI网将实现系统的无扰动切换，将当前的系统状态写入备用单元中。在程序初始化时，系统可以判断出自己是否在线主控单元，然后调出公共信息区的数据并传给系统，然后经过扫描又可以把控制过程的状态信号写入公共信息区，经过这样的过程，二者可以动态完成信息交换。 3.3 FMS
即现场总线信息规范，是一种服务于现场通信功能的协议，在完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务中起到重要作用。CPU可以记录现场设备的状态，与负责无线通讯的CPU进行数据交换的就是FMS。
3.4 FDL
即数据链路层，由于网速的原因，MPI往往是在数据量不大、通信速率要求不高、通信数据量不大时才采用，所以可以用FDL来完成该系统的冗余连接，它的通信速率极高，可以达到1.5 Mbaud，只不过网络接口是在CP443-1的接口模块上，所以导致系统必须增加接口模块，费用昂贵，可靠性较差。
3.5 S7网络
这是一种连接操作主机与主控CPU的协议，使两台操作主机访问主控CPU实际上是在同一条物理线路上完成的，适用性强，扩展了通用性，为用户安装带来了较大便利。
4 讨论
水与人类的生活息息相关。我国目前淡水资源的数量不断减少，而且污染现象的发生较为严重。城市居民生活污水的排放是现阶段江河湖泊水域污染的重要原因，是目前制约城市可持续发展的一个非常主要原因之一。我国生活用水系统水资源利用的问题突出。污染严重、耗水量高、重复利用率低等是引起世界各国越来越重视水的再利用以及水处理问题，当务之急是通过各种先进技术进一步提高供水质量，达到提高经济效益的目的，随着自动化水平的不断提高，自动化系统在污水处理中也逐渐发挥出了其强大的优势，在处理厂自动化监控的基础上，对网络化数据监控系统实行全自动化控制管理，不仅具有系统操作与维护的方便性，也可以优化处理效果并节省运行费用。西门子自动化产品得到了越来越广泛的应用，在污水处理行业中更是得到广泛应用[19-21]，包括现场总线、可编程逻辑控制器（PLC）、低压产品和组态软件等。PLC的基本结构与微型计算机类似，包括：（1）中央处理单元（CPU），它是PLC的控制中枢，可以诊断用户程序中的语法错误，检查存储器和电源等的状态；（2）电源，它可以支撑PLC系统正常工作；（3）输入输出接口电路，不同电路具有不同功能，可以通过现场输出接口电路来向现场的执行部件输出相应的控制信号或者起到连接PLC与现场控制的接口界面的作用；（4）存储器，可以用来存放应用软件及系统软件；（5）功能模块，可以起到定位、计数等功能；（6）通信模块。PLC具有很多优点：程序编制简单，指令编制程序形象直观，易于理解；可靠性高，体积小，控制系统组成简单，通用性强，软件包齐全，有较强的负载能力；可靠性高，抗干扰能力强，能适应现场的恶劣环境，并且能够进行故障检测及自诊断程序；易于操作及维护，自诊能力强，可以将故障显示给操作人员；设计、施工、调试周期短，调试快速方便，大大缩短了设计周期和投运周期，节省成本。其功能包括数据处理、通讯、开关量控制、模拟量处理、计数控制、限时控制、步进控制以及联网等。由于组态软件实时多任务、运行可靠、使用灵活、接口开放、功能多样，具有很强的实用价值，所以运用工控组态软件来实现系统的监控任务成为了工业发展中的必然趋势。该项目从控制网络的选择，到监控系统的建立，提出的解决方案都较快且较经济，研究涉及到自动控制、环境工程、电子技术、计算机技术、通信技术、网络和仪器仪表等多学科。总之，采用德国SIEMENS公司的S7-400系列的PLC，可以提高黄金尾矿污水处理工程的自动化水平，提高生产率，稳定出水质量，带来良好的社会效益，值得推广应用。
参考文献
[1] 胡月，丁凤，刘韬，等.黄金矿山尾矿综合利用技术研究与应用新进展[J].安全与环保，2013，34（8）：75-77.
[2] 陈平.中国黄金尾矿综合开发利用的现状和发展趋势[J].黄金，2012，33（10）：49-51.
[3] 王吉青，王苹，赵晓娟，等.黄金尾矿综合利用的研究与应用[J].黄金科学技术，2010（5）：87-89.
[4] 恭明玺.金选矿尾矿综合利用技术及应用研究[J].湖南有色金属，2008，24（2）：5-7.
[5] 易运来.某选金尾矿回收超细绢云母工艺及产品应用研究[J].湖南有色金属，2012，28（4）：18-19.
[6] 倪明江，焦有宙，骆仲泱，等.金属尾矿作水泥混合材活性试验研究[J].环境科学学报，2007，27（5）：868-872.
[7] 于海洋，王玉江.粉煤灰对水泥凝结时间的影响[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2012，22（4）：7-9.
[8] 徐惠忠.黄金尾矿的工艺技术特性及其在建材中的应用研究[J].非金属矿，2007，20（3）：39-40.
[9] 张烨，朱震.基于SLC500 PLC的污水提升泵站自动控制系统设计[J].福建电脑，2010，26（8）：102-103.
[10] 黄云鸿，赵文玉.S7-300 PLC在桂林北区污水厂模拟量闭环控制中的应用[J].电子测量与仪器学报，2008， 22（Z1）：122-123.
[11] 王卫俊，郭庆，刘威，等.基于PLC的数控钻床控制器的研制[J].国外电子测量技术，2013，32（1）：107-108.
[12] 邱利军，王凯，李勇.西门子S7-200系列PLC改造车床电气控制系统[J].国外电子测量技术，2010（11）：63-67.
[13] 翟明戈，薛彬，戈学珍.基于PLC和组态软件的二氧化氯发生器监控系统[J].计算机与现代化，2013（9）：165-166.
[14] 肖佐无，陈小祝，肖爱武.基于PLC的污水净化处理控制系统的设计[J].微计算机信息，2006，22（28）：175-176.
[15] 吕睿，冯连勋.PLC在污水模拟生成控制系统中的应用[J].微计算机信息，2007，23（34）：151-152.
[16] 童颖.PLC在某医院污水处理系统控制中的应用[J].电脑知识与技术，2010，6（33）：158-159.
[17] 祝贵兵，彭永臻.智能控制在城市污水处理系统中的应用与发展[J].哈尔滨工业大学学报，2004，36（3）：328-330.
[18] 马勇，彭永臻.城市污水处理系统实现全厂控制的发展前景[J].中国给水排水，2008，24（8）：175-176.
[19] 严俊泉，仲巍巍，史维忻，等.六圩污水厂生物智能控制系统二期运行及三期设想[J].中国给水排水，2013，29（9）：127-128.
[20] 史雄伟，乔俊飞，苑明哲.基于改进粒子群优化算法的污水处理过程优化控制[J].信息与控制，2011（5）：108-109.
[21] 宫艳梅.城市污水处理系统的影响因素分析[J].黑龙江科技信息，2010（22）：131-132.
关键词：PLC混合网络 黄金尾矿 污水处理 应用分析
中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0170-03
人们对黄金的需求量日益增长，所以黄金工业也得到了迅猛发展，中国的黄金产量更是在2012年突破了400 t大关，连续6年位居世界第一[1]。不过黄金尾矿的污水处理一直是制约黄金工业可持续发展的重要原因，黄金尾矿中既含有有害物质，也含有大量的金、铁、银、铜等有价金属和其他可利用资源[2-3]。以往的生产技术水平低下，无法有效解决黄金尾矿的问题，但是采用PLC混合网络可以很好地解决上述问题。PLC（Programmable Logic Controller），即可编程逻辑控制器，专门为了在工业环境下应用，是一种采用数字运算操作的电子装置[4]。它的存储器是工业控制的核心部分，其内部存储着各种面向用户的指令，可以执行计数、计时、算术运算、逻辑运算以及顺序运算等操作，并能通过模拟式或者数字式的输入及输出来对各类型的机械或生产过程进行操控。PLC与其外围设备共同组成一个整体，可以更好地扩展其功能。该项目是采用德国SIEMENS公司的S7-400系列的413-2 PLC作为主站，构成ProfiBus-DP总线控制系统，使该污水处理系统按照工艺要求完成自动控制，其上位机的性能稳定，具有较好的抗干扰性能；其工控组态软件为WinCC，可以对上位机监控功能进行组态，监控现场设备。该文就采用西门子PLC组成西门子混合网络，设计一套网络控制系统来处理黄金尾矿污水，取得了很好的效果，现将结果总结如以下几点。
1 工艺流程
污水处理的目的就是通过分离污水中的污染物质或将其转化为无害物质以达到净化污水的目的。一般要先将大块杂物除去，然后再将胶体物质、悬浮固体以及溶解物质等除去，主要分为三级处理[5-7]。一级处理是污水预处理阶段，将黄金尾矿中的大块固形物通过格栅机和筛网等进行拦截，并进行初步沉淀；二级处理是生物处理阶段，通过“厌氧一缺氧一好氧”过程来对污水进行脱氮、除磷处理，向好氧区投加活性菌种，通过凝聚、吸附、氧化、分解、沉淀等过程来将污水中的有机污染物进行净化和分解；三级处理是污泥处理阶段，将处理达标后的污水直接排放，把多余的污泥经由排泥泵送到机房进行脱水处理。
2 系统配置及网络结构
2.1 主站选型
位于中控室的PLC主站，主要负责读取数据、写入数据以及远程监控层通讯。选择德国西门子PLC产品中的S7-400系列，主站为PLC，从站为ProfiBus-DP[8-11]。与之匹配的CPU为CPU412-3H的紧凑型CPU，带有内置接口，特点是组态灵活、数字处理能力强、操作简洁、速度快，其内部定时器多达126个，可以满足工艺控制的时间要求。通讯为西门子的CP443-1，可以以多重协议方式来实现S7路由、S5兼容通讯（发送/接收）以及PG/OP通讯。
2.2 数据传输
主干网采用以太网，以多模四芯光缆作为传输介质，传输速度为10/1OOM；以ProfiBus现场总线作为支网，以SIEMENS的ProfiBus-DP专用电缆作为传输介质，传输速度为1.5 Mbps。该系统具有较高的数据传输效率，在系统和外部设备之间进行通信效果良好[12-15]。
2.3 上位机
中控室设有两台主机服务器，IBM-FINITY以及IBM-PC，在工控行业有多种组态软件可选，选择了SIMATIC的WinCC来完成该项目，可以缩短项目开发周期并提高通讯效率。该系统能够监控设备状态，显示数据和报表曲线以及定时打印，操作方便。
3 网络原理及方案分析
3.1 DP Distributed I/Os网
ProfiBus（欧洲标准EN 50170和德国国家标准DIN 19245）在世较大范围内己经得到了认可，ProfiBus-DP接口的现场设备总线上最多能够挂接127个站点[16-18]。数据最小传输速率为9.6 kbps，最大传输速率为12 Mbps，当传输速率为12 Mbps时最大传输距离为l00 m，当传输速率为1.5 Mbps时最大传输距离为400 m，如果采用中继器，则传输距离可以延长至l0 km。中央控制器对设备的输入信息进行读取并及时发回输出信息，能够有效保证总线循环时间小于控制器的程序循环时间；但是分站没有中央处理单元，各分站之间采用IM153接口模块通过DP总线进行相互连接。
3.2 MPI（Multi Point Interface）
多点接口，是用于PLC之间通讯的一种保密协议，具有简单、经济、多点通信的特点。MPI网络的通信速率为19.2 kbps～12 Mbps，可以连接的节点最多为32个，最大的通讯距离为50 m，而且如果采用中继器，则可以扩展通讯距离，MPI网在内置的S7协议下工作。如果主控单元或其相连的总线发生故障，可以通过MPI网将实现系统的无扰动切换，将当前的系统状态写入备用单元中。在程序初始化时，系统可以判断出自己是否在线主控单元，然后调出公共信息区的数据并传给系统，然后经过扫描又可以把控制过程的状态信号写入公共信息区，经过这样的过程，二者可以动态完成信息交换。 3.3 FMS
即现场总线信息规范，是一种服务于现场通信功能的协议，在完成中等传输速度进行的循环和非循环的通信任务中起到重要作用。CPU可以记录现场设备的状态，与负责无线通讯的CPU进行数据交换的就是FMS。
3.4 FDL
即数据链路层，由于网速的原因，MPI往往是在数据量不大、通信速率要求不高、通信数据量不大时才采用，所以可以用FDL来完成该系统的冗余连接，它的通信速率极高，可以达到1.5 Mbaud，只不过网络接口是在CP443-1的接口模块上，所以导致系统必须增加接口模块，费用昂贵，可靠性较差。
3.5 S7网络
这是一种连接操作主机与主控CPU的协议，使两台操作主机访问主控CPU实际上是在同一条物理线路上完成的，适用性强，扩展了通用性，为用户安装带来了较大便利。
4 讨论
水与人类的生活息息相关。我国目前淡水资源的数量不断减少，而且污染现象的发生较为严重。城市居民生活污水的排放是现阶段江河湖泊水域污染的重要原因，是目前制约城市可持续发展的一个非常主要原因之一。我国生活用水系统水资源利用的问题突出。污染严重、耗水量高、重复利用率低等是引起世界各国越来越重视水的再利用以及水处理问题，当务之急是通过各种先进技术进一步提高供水质量，达到提高经济效益的目的，随着自动化水平的不断提高，自动化系统在污水处理中也逐渐发挥出了其强大的优势，在处理厂自动化监控的基础上，对网络化数据监控系统实行全自动化控制管理，不仅具有系统操作与维护的方便性，也可以优化处理效果并节省运行费用。西门子自动化产品得到了越来越广泛的应用，在污水处理行业中更是得到广泛应用[19-21]，包括现场总线、可编程逻辑控制器（PLC）、低压产品和组态软件等。PLC的基本结构与微型计算机类似，包括：（1）中央处理单元（CPU），它是PLC的控制中枢，可以诊断用户程序中的语法错误，检查存储器和电源等的状态；（2）电源，它可以支撑PLC系统正常工作；（3）输入输出接口电路，不同电路具有不同功能，可以通过现场输出接口电路来向现场的执行部件输出相应的控制信号或者起到连接PLC与现场控制的接口界面的作用；（4）存储器，可以用来存放应用软件及系统软件；（5）功能模块，可以起到定位、计数等功能；（6）通信模块。PLC具有很多优点：程序编制简单，指令编制程序形象直观，易于理解；可靠性高，体积小，控制系统组成简单，通用性强，软件包齐全，有较强的负载能力；可靠性高，抗干扰能力强，能适应现场的恶劣环境，并且能够进行故障检测及自诊断程序；易于操作及维护，自诊能力强，可以将故障显示给操作人员；设计、施工、调试周期短，调试快速方便，大大缩短了设计周期和投运周期，节省成本。其功能包括数据处理、通讯、开关量控制、模拟量处理、计数控制、限时控制、步进控制以及联网等。由于组态软件实时多任务、运行可靠、使用灵活、接口开放、功能多样，具有很强的实用价值，所以运用工控组态软件来实现系统的监控任务成为了工业发展中的必然趋势。该项目从控制网络的选择，到监控系统的建立，提出的解决方案都较快且较经济，研究涉及到自动控制、环境工程、电子技术、计算机技术、通信技术、网络和仪器仪表等多学科。总之，采用德国SIEMENS公司的S7-400系列的PLC，可以提高黄金尾矿污水处理工程的自动化水平，提高生产率，稳定出水质量，带来良好的社会效益，值得推广应用。
参考文献
[1] 胡月，丁凤，刘韬，等.黄金矿山尾矿综合利用技术研究与应用新进展[J].安全与环保，2013，34（8）：75-77.
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[6] 倪明江，焦有宙，骆仲泱，等.金属尾矿作水泥混合材活性试验研究[J].环境科学学报，2007，27（5）：868-872.
[7] 于海洋，王玉江.粉煤灰对水泥凝结时间的影响[J].洛阳理工学院学报：自然科学版，2012，22（4）：7-9.
[8] 徐惠忠.黄金尾矿的工艺技术特性及其在建材中的应用研究[J].非金属矿，2007，20（3）：39-40.
[9] 张烨，朱震.基于SLC500 PLC的污水提升泵站自动控制系统设计[J].福建电脑，2010，26（8）：102-103.
[10] 黄云鸿，赵文玉.S7-300 PLC在桂林北区污水厂模拟量闭环控制中的应用[J].电子测量与仪器学报，2008， 22（Z1）：122-123.
[11] 王卫俊，郭庆，刘威，等.基于PLC的数控钻床控制器的研制[J].国外电子测量技术，2013，32（1）：107-108.
[12] 邱利军，王凯，李勇.西门子S7-200系列PLC改造车床电气控制系统[J].国外电子测量技术，2010（11）：63-67.
[13] 翟明戈，薛彬，戈学珍.基于PLC和组态软件的二氧化氯发生器监控系统[J].计算机与现代化，2013（9）：165-166.
[14] 肖佐无，陈小祝，肖爱武.基于PLC的污水净化处理控制系统的设计[J].微计算机信息，2006，22（28）：175-176.
[15] 吕睿，冯连勋.PLC在污水模拟生成控制系统中的应用[J].微计算机信息，2007，23（34）：151-152.
[16] 童颖.PLC在某医院污水处理系统控制中的应用[J].电脑知识与技术，2010，6（33）：158-159.
[17] 祝贵兵，彭永臻.智能控制在城市污水处理系统中的应用与发展[J].哈尔滨工业大学学报，2004，36（3）：328-330.
[18] 马勇，彭永臻.城市污水处理系统实现全厂控制的发展前景[J].中国给水排水，2008，24（8）：175-176.
[19] 严俊泉，仲巍巍，史维忻，等.六圩污水厂生物智能控制系统二期运行及三期设想[J].中国给水排水，2013，29（9）：127-128.
[20] 史雄伟，乔俊飞，苑明哲.基于改进粒子群优化算法的污水处理过程优化控制[J].信息与控制，2011（5）：108-109.
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