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[摘要] 污水处理是控制环境污染的重要措施，具有广泛和深远的意义。为了避免污水给城市环境造成严重污染，根据污水处理工艺的要求设计了自动控制系统，该系统结构主要由可编程逻辑控制器(PLC)与工控机(IPC)构成，在硬件设计中使用了触摸屏便于操作控制，使用了变频器来避免水锤作用，在PLC与IPC间以现场总线形式通信，采用Wincc软件监控，此系统功能齐全，组态灵活，界面友好，宜于扩展，而且技术成熟，性价比高。
[关键词] 污水处理 自动控制 PLC 变频器 Wincc
0.前言
随着科学技术的不断发展，人们的生活水平不断提高，同时也对人们的生存带来了不利因素，大量生产生活污水被排放到人们赖以生存的环境中，这直接影响了人类的生存和发展。为了避免污水给城市环境造成严重污染，污水处理是一项非常重要的工作，各地都在积极建设污水处理厂，以实现城市可支持性发展、美化和治理城市环境，因此先进的污水自动化处理系统的设计也具有深远意义。
1.污水处理工艺
整个系统分进口预处理段提升泵站配水井、水解池和污泥处理、SBR反应池和鼓风机房、变配电系统及脱水机房、井房等几大部分组成[1，2]。
污水处理需要经过水解、除砂、沉淀等工艺，因此这里设计整个系统为7个自动化控制站，包括变电所站、泵房站、水解池站、SBR1#站、SBR2#站，脱水房站和鼓风机站。其中变电所站作为主站，主要负责监测高、低压系统的相关电压、电流、有功和无功等模拟量信号，进行效益核算，其他作为系统子站，子站可相对独立，除正常运行外还可用来实现工艺单元的调试和检修工作。在这些子站中泵房站主要负责进泥阀、出泥阀、粗格栅、细格栅和砂水分离等装置的数据处理。而脱水机房站主要负责处理脱水机房数据的处理，同时也负责集泥池、浓缩池的数据采集和执行命令的信号发布，鼓风机站则是控制鼓风机导叶开度并检测鼓风机的各项重要参数。
2.系统结构及工作原理
在设计污水处理自动控制系统时，将系统划分为三个层次：监控层、管理层、现场执行层。监控层主要由工控机（上位机）、显示设备、输入/输出与打印设备等组成，用于实时监视设备的运行状态和存储相应数据；管理层主要由各站PLC（下位机）组成，采用PLC作为自动控制系统的核心，编写好相应的程序后，PLC能够按照内部程序依次启动和停止有关设备，完成工艺流程；现场执行层包含有液位计、PH计、浊度计等各项数据采集设备和泵、进泥阀、出泥阀、排泥阀、进水闸等各项执行器件。设计控制系统如图1所示。
圖1 污水处理自动控制系统原理
3.硬件设计
上位机选择能够长时间运行的工控机（IPC），上位机软件要实时反映各个工段的具体情况，包括设备的各种状态、各种仪表的数据和工艺的设定参数等等，计算和查询各种参量，例如温度，液位，PH值，泥位值，多普勒流量计等，可以让操作员进行分析并能在上位控制现场的各个设备。上位机选用西门子的工控机，它内置了PCI接口的CP5611卡用于与PLC通讯。
ProfiBus总线有三种形式DP、PA和FMS。PA总线是与智能仪表结合在一起安全性非常高的一种ProfiBus总线形式，造价比较高，常用于石油化工冶金等行业；FMS总线适用于大范围和复杂的通讯系统，旨在解决通用性通讯任务，传速速度中等；DP总线是用于传感器和执行器级的高速数据传速网络，不需要智能仪表配合，安全性略低于PA总线。考虑系统几个控制站和通讯的数据量大，而且各个站之间有一定的距离，该系统采用Profibus-DP和Profibus-FMS 相结合的现场总线形式，既可以保证数据的高速传输，也可以实现大容量数据的完整性[3]。
PLC选用S7-300系列的 CPU315-2DP和S7-200系列的CPU226，其中S7-300作为主站，S7-200作为从站。通讯模块为CP342-5，扩展模块为IM153-1，I/O模块则使用到：数字输入模块选SM321、数字输出为SM322、模拟量输入为SM331。
触摸屏选eView MT5000系列触摸屏，人机界面的使用使得本套系统中机器的配线标准化、简单化，同时也减少了相应PLC的点数。专用组态软件中备有大量的图形库（开关、灯、棒图等）供选择，能够明确的指示并告知操作员机器设备目前状况，界面友好观，易学易用，大大节省产品开发周期。
污水泵在启动或急停时会产生水锤现象[4]，这种惯性引起的力会造成管道松动或破裂，严重时会影响电机的正常使用甚至导致电机损坏，为了减小水锤的影响，一般情况下可以采取必要时开启、关闭阀门的方法来处理，但是这种方法实施起来工作量大，因此在本系统中采用变频器来解决这一问题，一方面变速启动污水泵可以减小水锤作用的影响，一方面可以在水量不大时降低泵的速度，可以节能和延长泵的使用寿命。
4.软件设计
对PLC组成的控制系统进行监控一般有三种方法：组态软件监控、第三方软件编制的监控软件监控、触摸屏监控[5]。污水处理系统中主要包含组态软件监控和触摸屏监控，触摸屏作为分站被组态到系统中，因此在控制方式中是按照现场控制、触摸屏控制、上位机控制的依次优先执行的。
上位机软件可采用的是西门子公司的wincc组态软件组为开发平台，它人机界面技术成熟，包含动态显示，具有网络通讯组件，与西门子PLC通信更简便，并且只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系。
现场总线主要是指从现场控制器或I/O模块到监控系统的通讯网络。在污水处理系统中通信的任务比较简单，但对系统的传输速度有一定要求，因此本系统的采用ProfiBUS－DP总线形式，采用普通双绞作为传输介质，通讯速率可以达到12MBP。
组态的建立：打开SIMATIC NETCOM Profibus，新加一个组态，主站为S7-300，从站是S7-200。主站的地址选择从1到126。从站的地址选择从3到99。然后用该软件对从站进行配置。WinCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WinCC从PLC读入数据，对应存储区的VB8~VB15，Out表示WinCC向PLC写出数据对应VB0~VB7。
5.结论
该污水处理厂自控系统是根据工艺要求在确定的设计原则下进行设计的，实现了实时监控、故障报警、历史数据的存储和查询、报表的显示和打印等多项功能，且用户界面操作良好，易于学习。系统具有良好的通用性、可扩展性和可维护性。通过以上设计可使，大大降低了工人的劳动强度，提高了管理水平。
参考文献：
[1]宋岩，污水处理控制系统设计与建模研究[D]江南大学，2008年：20-47.
[2]张文亮，污水处理厂自动控制系统设计[D]，湖南大学，2007年：23-57.
[3]毛联杰，S7-300系列PLC与组态软件Wincc实现通信的方法[J]国内外机电一体化技术2006年4期.
[4]李南，孙达昕，变频器与PLC控制在自来水厂二级泵站中的应用[J]南昌大学学报(理科版)1999年03期.
[5]王东云，凌德麟，黄建萍;西门子PROFIBUS-DP现场总线及应用[J];航天控制;2002年04期.
作者简介：
祁芳芳（1982-12），女，河北省沧州市人，助教，工学硕士，主要从事机电一体化技术教学与科研。
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[关键词] 污水处理 自动控制 PLC 变频器 Wincc
0.前言
随着科学技术的不断发展，人们的生活水平不断提高，同时也对人们的生存带来了不利因素，大量生产生活污水被排放到人们赖以生存的环境中，这直接影响了人类的生存和发展。为了避免污水给城市环境造成严重污染，污水处理是一项非常重要的工作，各地都在积极建设污水处理厂，以实现城市可支持性发展、美化和治理城市环境，因此先进的污水自动化处理系统的设计也具有深远意义。
1.污水处理工艺
整个系统分进口预处理段提升泵站配水井、水解池和污泥处理、SBR反应池和鼓风机房、变配电系统及脱水机房、井房等几大部分组成[1，2]。
污水处理需要经过水解、除砂、沉淀等工艺，因此这里设计整个系统为7个自动化控制站，包括变电所站、泵房站、水解池站、SBR1#站、SBR2#站，脱水房站和鼓风机站。其中变电所站作为主站，主要负责监测高、低压系统的相关电压、电流、有功和无功等模拟量信号，进行效益核算，其他作为系统子站，子站可相对独立，除正常运行外还可用来实现工艺单元的调试和检修工作。在这些子站中泵房站主要负责进泥阀、出泥阀、粗格栅、细格栅和砂水分离等装置的数据处理。而脱水机房站主要负责处理脱水机房数据的处理，同时也负责集泥池、浓缩池的数据采集和执行命令的信号发布，鼓风机站则是控制鼓风机导叶开度并检测鼓风机的各项重要参数。
2.系统结构及工作原理
在设计污水处理自动控制系统时，将系统划分为三个层次：监控层、管理层、现场执行层。监控层主要由工控机（上位机）、显示设备、输入/输出与打印设备等组成，用于实时监视设备的运行状态和存储相应数据；管理层主要由各站PLC（下位机）组成，采用PLC作为自动控制系统的核心，编写好相应的程序后，PLC能够按照内部程序依次启动和停止有关设备，完成工艺流程；现场执行层包含有液位计、PH计、浊度计等各项数据采集设备和泵、进泥阀、出泥阀、排泥阀、进水闸等各项执行器件。设计控制系统如图1所示。
圖1 污水处理自动控制系统原理
3.硬件设计
上位机选择能够长时间运行的工控机（IPC），上位机软件要实时反映各个工段的具体情况，包括设备的各种状态、各种仪表的数据和工艺的设定参数等等，计算和查询各种参量，例如温度，液位，PH值，泥位值，多普勒流量计等，可以让操作员进行分析并能在上位控制现场的各个设备。上位机选用西门子的工控机，它内置了PCI接口的CP5611卡用于与PLC通讯。
ProfiBus总线有三种形式DP、PA和FMS。PA总线是与智能仪表结合在一起安全性非常高的一种ProfiBus总线形式，造价比较高，常用于石油化工冶金等行业；FMS总线适用于大范围和复杂的通讯系统，旨在解决通用性通讯任务，传速速度中等；DP总线是用于传感器和执行器级的高速数据传速网络，不需要智能仪表配合，安全性略低于PA总线。考虑系统几个控制站和通讯的数据量大，而且各个站之间有一定的距离，该系统采用Profibus-DP和Profibus-FMS 相结合的现场总线形式，既可以保证数据的高速传输，也可以实现大容量数据的完整性[3]。
PLC选用S7-300系列的 CPU315-2DP和S7-200系列的CPU226，其中S7-300作为主站，S7-200作为从站。通讯模块为CP342-5，扩展模块为IM153-1，I/O模块则使用到：数字输入模块选SM321、数字输出为SM322、模拟量输入为SM331。
触摸屏选eView MT5000系列触摸屏，人机界面的使用使得本套系统中机器的配线标准化、简单化，同时也减少了相应PLC的点数。专用组态软件中备有大量的图形库（开关、灯、棒图等）供选择，能够明确的指示并告知操作员机器设备目前状况，界面友好观，易学易用，大大节省产品开发周期。
污水泵在启动或急停时会产生水锤现象[4]，这种惯性引起的力会造成管道松动或破裂，严重时会影响电机的正常使用甚至导致电机损坏，为了减小水锤的影响，一般情况下可以采取必要时开启、关闭阀门的方法来处理，但是这种方法实施起来工作量大，因此在本系统中采用变频器来解决这一问题，一方面变速启动污水泵可以减小水锤作用的影响，一方面可以在水量不大时降低泵的速度，可以节能和延长泵的使用寿命。
4.软件设计
对PLC组成的控制系统进行监控一般有三种方法：组态软件监控、第三方软件编制的监控软件监控、触摸屏监控[5]。污水处理系统中主要包含组态软件监控和触摸屏监控，触摸屏作为分站被组态到系统中，因此在控制方式中是按照现场控制、触摸屏控制、上位机控制的依次优先执行的。
上位机软件可采用的是西门子公司的wincc组态软件组为开发平台，它人机界面技术成熟，包含动态显示，具有网络通讯组件，与西门子PLC通信更简便，并且只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系。
现场总线主要是指从现场控制器或I/O模块到监控系统的通讯网络。在污水处理系统中通信的任务比较简单，但对系统的传输速度有一定要求，因此本系统的采用ProfiBUS－DP总线形式，采用普通双绞作为传输介质，通讯速率可以达到12MBP。
组态的建立：打开SIMATIC NETCOM Profibus，新加一个组态，主站为S7-300，从站是S7-200。主站的地址选择从1到126。从站的地址选择从3到99。然后用该软件对从站进行配置。WinCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WinCC从PLC读入数据，对应存储区的VB8~VB15，Out表示WinCC向PLC写出数据对应VB0~VB7。
5.结论
该污水处理厂自控系统是根据工艺要求在确定的设计原则下进行设计的，实现了实时监控、故障报警、历史数据的存储和查询、报表的显示和打印等多项功能，且用户界面操作良好，易于学习。系统具有良好的通用性、可扩展性和可维护性。通过以上设计可使，大大降低了工人的劳动强度，提高了管理水平。
参考文献：
[1]宋岩，污水处理控制系统设计与建模研究[D]江南大学，2008年：20-47.
[2]张文亮，污水处理厂自动控制系统设计[D]，湖南大学，2007年：23-57.
[3]毛联杰，S7-300系列PLC与组态软件Wincc实现通信的方法[J]国内外机电一体化技术2006年4期.
[4]李南，孙达昕，变频器与PLC控制在自来水厂二级泵站中的应用[J]南昌大学学报(理科版)1999年03期.
[5]王东云，凌德麟，黄建萍;西门子PROFIBUS-DP现场总线及应用[J];航天控制;2002年04期.
作者简介：
祁芳芳（1982-12），女，河北省沧州市人，助教，工学硕士，主要从事机电一体化技术教学与科研。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”