论文部分内容阅读
摘要：PLC自动控制系统在整个污水处理厂自动控制系统中是非常重要的组成部分。本文以光大水务（济南）有限公司一厂为例，介绍了西门子PLC的硬件配置，以及实现进水泵房恒液位控制的PLC自动控制程序。
关键词：西门子PLC 自动控制 硬件配置 进水泵房
Abstract：The PLC automatic control system is an important part of WWTP’s（Waste Water Treatment Plan） control system. Take the NO. 1 plant of Jinan EB（Ever Bright） Water Affairs Company as an example， this essay introduced the SIEMENS PLC hardware configuration ， and the PLC automatic control program which achieve the constant level control of the inlet pump.
一、概述
随着工业化的不断提高， PLC作为企业自动化控制的中心枢纽，在设备自动化方面已经成为不可或缺的组成部分，它具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统；另一方面，污水处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少，以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此PLC在污水处理行业得到了广泛应用。本文以光大水务济南有限公司一厂为例，来说明西门子PLC控制系统在污水处理厂的应用。
光大水务（济南）有限公司一厂经过2008年升级改造，污水处理能力达到30万吨/日，出水达到国家一级A排放标准，一厂共设五座现场PLC控制站，每个分控站均采用SIEMENS的S7-400系列的PLC，分别为PLC1、PLC2、PLC3、PLC4、PLC5。各现场控制站PLC的功能是：对上在中控室上位机的协调下运行，并传送数据至上位机，对下承担本区域的数据采集和自动控制功能，并通过现场总线PROFIBUB DP与本站内成套设备厂家自带的PLC进行通迅和数据交换，即使上位机发生故障，各PLC也能独立运行。
二、PLC控制系统硬件配置
所谓系统的配置，就是根据被控工业对象的要求，确定控制器的型号、控制器应具有的控制功能、相应数量的I/0卡数，以及维持系统正常运行所需的一些特殊模块，附件等，组成一个完整的硬件系统。其硬件主要包括：中央处理单元（CPU）、通讯模板、输入/输出模板、功能模板、电源等。
一厂PLC控制器采用的是SIEMENS S7-400系列的412-2 CPU，通过S7-400系列的以太网卡CP443-1与光纤交换机通迅，进而组成以太网光纤环网，完成CPU与中控室上位机及本PLC的触摸屏的数据交换。
CPU通过PROFIBUS-DP电缆与挂在PROFIBUS-DP网上的各I/O从站及其他品牌系列的CPU从站（为辅助系统设备厂家自带）进行通迅，来完成I/O模块与CPU之间的数据交换，CPU本身也做为PROFIBUS-DP网上的主站。I/O从站又由从站电源PS307、ETM200接口模块IM153-1 、标准I/O模块及可插拔底板组成。I/O模块采用的是S7-300系列的模块，包括SM321（32点开关量输入）模块、SM322（16点开关量输出）模块、SM331（8点模拟量输入）模块、SM332（8点模拟量输出）模块等四种。除SM322（16点开关量输出）模块是通过继电器隔离外，其他模块均是直接通过柜内统一排放的接线端子与现场仪表及设备连接。
1 PLC1站硬件配置及控制范围
控制范围为：1#粗格栅和进水泵房、2#新建粗格栅和进水泵房、1#细格栅和沉沙池、2#细格栅和沉沙池、新建厌氧池、中间提升泵房、污泥回流泵房、紫外消毒渠、MCC1、MCC2。
2 PLC2站硬件配置及控制范围
该PLC2控制站由纤维滤池厂家提供，自成一套独立控制系统，可以将需要的监控信号上传至中控室，控制范围为：高效纤维滤站。
3 PLC3站硬件配置及控制范围
控制范围为：高密度沉淀池、加氯间、加药间。
4 PLC4站硬件配置及控制范围
控制范围为：分配池、1#生物池、2#生物池、鼓风机房、二沉池、污泥脱水机房、MCC3。
5 PLC5站硬件配置
控制范围为：前浓缩单元、污泥消化与加热单元、脱硫单元、后浓缩单元、热交换单元、MCC4、MCC5。
三、进水泵房PLC自动控制
2008年光大水务（济南）有限公司进行了一级A升级改造，升级改造后1#进水泵房仍装有10台进水泵，但将其中2台进水泵改为变频运行。考虑到增加了变频泵的控制，同时控制液位仍然只有50厘米，而济南市由于管网改造等原因，对污水厂进水泵房液位高度提出了更高的要求，所以，重新编写了泵房控制程序。新的控制系统仍然是4种控制方式：现场手动、MCC保护控制、PLC控制、VDU控制。其中现场手动、MCC保护控制与原系统完全一致，VDU控制基本一致，但因为增加了变频进水泵的频率调节控制，PLC控制方式发生了重大改变，其控制方式为：
1、设定水位控制点L0：L0点是水位控制目标（该水位上位机可调），当水位高于该点时，变频泵频率每T秒（该时间上位机可调）减少5赫兹，直到最低频率；当水位低于该点时，变频泵频率每T秒增加5赫兹，直到最高频率。
2、设定高液位H1：当水位高于该点时，系统将每10秒启动一台非变频进水泵，一直到液位低于H1为止。
3、设定低液位L1：当水位低于该点时，变频泵频率每10秒关闭一台非变频进水泵，一直到液位高于L1为止。
4、设定高液位H2：当水位高于该点时，系统将每5秒启动两台非变频进水泵，一直到液位低于H2为止。
5、设定低液位L2：当水位低于该点时，变频泵频率每5秒关闭两台非变频进水泵，一直到液位高于L2为止。
在上位机监控界面上，设置了L0点、H1点、L1点、H2点、L2点、间隔时间T等参数设置界面，以便运行人员根据实际运行情况调整参数，达到运行最佳状态。
改造后进水泵房自动控制系统已经稳定运行3年多，未出现控制不稳定或者液位过高造成管网溢水等事故，并且通过充分利用变频调节，实现了节约能源、降低能耗的作用，缺点是需要至少保证一台变频泵完好运行，否则无法实现恒液位控制。
四、结束语
基于PLC的自动控制在整个污水处理厂自动控制系统中是非常重要的组成部分。PLC是专门为在工业环境下应用而设计的一种专用微机，它的高可靠性和较强适应恶劣工业环境的能力保证了控制系统的高可靠性。由于PLC模块化的功能，软件又采用统一的结构，若加大处理规模，只需增加相应的功能模块，增加适当的软件功能就可在较小的投入下很方便地实现规模扩展，这大大提高了污水处理厂的自动化水平， 降低了劳动强度，对能源和设备的利用更加合理，并实现了节约能源、降低能耗，为促进城市与社会可持续发展发挥着极其重要的作用。
参考文献
[1]SIMATIC 可编程控制器S7-400模块规格参考手册， 2005 年9 月版 ，Siemens Corporation
关键词：西门子PLC 自动控制 硬件配置 进水泵房
Abstract：The PLC automatic control system is an important part of WWTP’s（Waste Water Treatment Plan） control system. Take the NO. 1 plant of Jinan EB（Ever Bright） Water Affairs Company as an example， this essay introduced the SIEMENS PLC hardware configuration ， and the PLC automatic control program which achieve the constant level control of the inlet pump.
一、概述
随着工业化的不断提高， PLC作为企业自动化控制的中心枢纽，在设备自动化方面已经成为不可或缺的组成部分，它具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统；另一方面，污水处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少，以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此PLC在污水处理行业得到了广泛应用。本文以光大水务济南有限公司一厂为例，来说明西门子PLC控制系统在污水处理厂的应用。
光大水务（济南）有限公司一厂经过2008年升级改造，污水处理能力达到30万吨/日，出水达到国家一级A排放标准，一厂共设五座现场PLC控制站，每个分控站均采用SIEMENS的S7-400系列的PLC，分别为PLC1、PLC2、PLC3、PLC4、PLC5。各现场控制站PLC的功能是：对上在中控室上位机的协调下运行，并传送数据至上位机，对下承担本区域的数据采集和自动控制功能，并通过现场总线PROFIBUB DP与本站内成套设备厂家自带的PLC进行通迅和数据交换，即使上位机发生故障，各PLC也能独立运行。
二、PLC控制系统硬件配置
所谓系统的配置，就是根据被控工业对象的要求，确定控制器的型号、控制器应具有的控制功能、相应数量的I/0卡数，以及维持系统正常运行所需的一些特殊模块，附件等，组成一个完整的硬件系统。其硬件主要包括：中央处理单元（CPU）、通讯模板、输入/输出模板、功能模板、电源等。
一厂PLC控制器采用的是SIEMENS S7-400系列的412-2 CPU，通过S7-400系列的以太网卡CP443-1与光纤交换机通迅，进而组成以太网光纤环网，完成CPU与中控室上位机及本PLC的触摸屏的数据交换。
CPU通过PROFIBUS-DP电缆与挂在PROFIBUS-DP网上的各I/O从站及其他品牌系列的CPU从站（为辅助系统设备厂家自带）进行通迅，来完成I/O模块与CPU之间的数据交换，CPU本身也做为PROFIBUS-DP网上的主站。I/O从站又由从站电源PS307、ETM200接口模块IM153-1 、标准I/O模块及可插拔底板组成。I/O模块采用的是S7-300系列的模块，包括SM321（32点开关量输入）模块、SM322（16点开关量输出）模块、SM331（8点模拟量输入）模块、SM332（8点模拟量输出）模块等四种。除SM322（16点开关量输出）模块是通过继电器隔离外，其他模块均是直接通过柜内统一排放的接线端子与现场仪表及设备连接。
1 PLC1站硬件配置及控制范围
控制范围为：1#粗格栅和进水泵房、2#新建粗格栅和进水泵房、1#细格栅和沉沙池、2#细格栅和沉沙池、新建厌氧池、中间提升泵房、污泥回流泵房、紫外消毒渠、MCC1、MCC2。
2 PLC2站硬件配置及控制范围
该PLC2控制站由纤维滤池厂家提供，自成一套独立控制系统，可以将需要的监控信号上传至中控室，控制范围为：高效纤维滤站。
3 PLC3站硬件配置及控制范围
控制范围为：高密度沉淀池、加氯间、加药间。
4 PLC4站硬件配置及控制范围
控制范围为：分配池、1#生物池、2#生物池、鼓风机房、二沉池、污泥脱水机房、MCC3。
5 PLC5站硬件配置
控制范围为：前浓缩单元、污泥消化与加热单元、脱硫单元、后浓缩单元、热交换单元、MCC4、MCC5。
三、进水泵房PLC自动控制
2008年光大水务（济南）有限公司进行了一级A升级改造，升级改造后1#进水泵房仍装有10台进水泵，但将其中2台进水泵改为变频运行。考虑到增加了变频泵的控制，同时控制液位仍然只有50厘米，而济南市由于管网改造等原因，对污水厂进水泵房液位高度提出了更高的要求，所以，重新编写了泵房控制程序。新的控制系统仍然是4种控制方式：现场手动、MCC保护控制、PLC控制、VDU控制。其中现场手动、MCC保护控制与原系统完全一致，VDU控制基本一致，但因为增加了变频进水泵的频率调节控制，PLC控制方式发生了重大改变，其控制方式为：
1、设定水位控制点L0：L0点是水位控制目标（该水位上位机可调），当水位高于该点时，变频泵频率每T秒（该时间上位机可调）减少5赫兹，直到最低频率；当水位低于该点时，变频泵频率每T秒增加5赫兹，直到最高频率。
2、设定高液位H1：当水位高于该点时，系统将每10秒启动一台非变频进水泵，一直到液位低于H1为止。
3、设定低液位L1：当水位低于该点时，变频泵频率每10秒关闭一台非变频进水泵，一直到液位高于L1为止。
4、设定高液位H2：当水位高于该点时，系统将每5秒启动两台非变频进水泵，一直到液位低于H2为止。
5、设定低液位L2：当水位低于该点时，变频泵频率每5秒关闭两台非变频进水泵，一直到液位高于L2为止。
在上位机监控界面上，设置了L0点、H1点、L1点、H2点、L2点、间隔时间T等参数设置界面，以便运行人员根据实际运行情况调整参数，达到运行最佳状态。
改造后进水泵房自动控制系统已经稳定运行3年多，未出现控制不稳定或者液位过高造成管网溢水等事故，并且通过充分利用变频调节，实现了节约能源、降低能耗的作用，缺点是需要至少保证一台变频泵完好运行，否则无法实现恒液位控制。
四、结束语
基于PLC的自动控制在整个污水处理厂自动控制系统中是非常重要的组成部分。PLC是专门为在工业环境下应用而设计的一种专用微机，它的高可靠性和较强适应恶劣工业环境的能力保证了控制系统的高可靠性。由于PLC模块化的功能，软件又采用统一的结构，若加大处理规模，只需增加相应的功能模块，增加适当的软件功能就可在较小的投入下很方便地实现规模扩展，这大大提高了污水处理厂的自动化水平， 降低了劳动强度，对能源和设备的利用更加合理，并实现了节约能源、降低能耗，为促进城市与社会可持续发展发挥着极其重要的作用。
参考文献
[1]SIMATIC 可编程控制器S7-400模块规格参考手册， 2005 年9 月版 ，Siemens Corporation