基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)-進(jìn)水控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)——進(jìn)水控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)摘要：在污水處理行業(yè)，西門子自動化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對某污水處理項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出了一套基于西門子PLC技術(shù)的污水處理自動控制系統(tǒng)，使該污水處理系統(tǒng)中按照工藝要求完成自動控制。關(guān)鍵詞：西門子；PLC；污水處理控制系統(tǒng)

目錄前言 41污水處理的現(xiàn)狀 41.1我國水資源的概況 41.2.污水處理的現(xiàn)狀 51.3城市污水處理的發(fā)展趨勢 61.4污水處理廠的控制系統(tǒng)介紹 61.4.1常見污水處理廠控制系統(tǒng)介紹 61.4.2污水處理廠控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 72西門子PLC及其ProfiBus現(xiàn)場總線 72.1PLC 72.1.1PLC簡介 72.1.2PLC分類 82.1.3PLC的特點(diǎn)及主要功能 82.2西門子PLC的特點(diǎn) 112.3西門子PLC與ProfiBus現(xiàn)場總線 123污水處理工藝流程 124.污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 134.1污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 134.2污水處理廠ProfiBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 144.3設(shè)計(jì)選型 154.3.11#1/0站選型 154.3.22#1/0站選型 194.3.33#1/0站選型 214.4PLC的程序梯形圖 24參考文獻(xiàn) 26前言隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口數(shù)量的持續(xù)增加，對水的需要量也在不斷增大，但是地球上可用的水資源卻在逐漸萎縮，特別是在城市周邊，可以開發(fā)利用的淡水資源由于污染的原因正急劇減少。為了應(yīng)對水體污染，最近幾年越來越多的城市污水處理廠、城市垃圾無害化處理廠正在如火如荼的建設(shè)、投運(yùn)。為了提高污水處理效率和降低運(yùn)行成本，將自動控制新技術(shù)引入污水處理廠，提高其自動化水平是非常關(guān)鍵的。應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC、控制儀表、執(zhí)行裝置、上位機(jī)監(jiān)控設(shè)備等可以組成一個高效、實(shí)時、可靠的網(wǎng)絡(luò)化全集成自動化系統(tǒng)。由于現(xiàn)場總線多項(xiàng)先進(jìn)性，注定了這套系統(tǒng)有較好的維護(hù)性和實(shí)施性。將其應(yīng)用于污水處理廠的自動控制系統(tǒng)，將帶來良好的社會效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。1污水處理的現(xiàn)狀1.1我國水資源的概況水資源是指可以直接被人類利用、能不斷更新的天然淡水，主要是陸地上的地表水和地下水的淺層部分。全球水的總儲量是比較巨大的，約為1.386Xk,但是可供人類使用的淡水資源只占到2.5%，其中絕大多數(shù)分布在高原冰川、兩極冰蓋、冰凍地帶以及750m以下的地層深處，方便取用的河水、湖水以及淺層地下水只占全球總儲量的0.26%。在全球淡水資源的分布也是非常不均衡的，65%以上的淡水集中分布在9?10個國家，如美國、哥倫比亞和加拿大等。占世界人口總數(shù)量的40%以上的80多個國家為水資源缺乏國家，有近30個國家為嚴(yán)重缺水國家。水資源的短缺已經(jīng)成為世界性的問題，我國也同樣面臨水資源短缺的現(xiàn)實(shí)。中國雖然總體上水資源有2.8X，但是人均只有2300，是世界人均占有量的1/4,接近國際公認(rèn)的缺水警戒線，且分布極為不均，開發(fā)利用有相當(dāng)難度，致使許多地區(qū)嚴(yán)重缺水，尤其是三北地區(qū)和沿海城市連年鬧“水荒”。我國的城市缺水現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在300多個大中城市中180個城市缺水，其中50多個城市嚴(yán)重缺水。以北京為例，全市水資源人均占有量僅為全國平均水平的1/6,而年用水量已達(dá)4.2X,每年缺水約108。另外，在時間分布上，我國的水資源也存在不均衡，總的來說是冬春節(jié)干旱少雨，夏秋多雨。有時還連續(xù)出現(xiàn)干旱枯水年和豐水年現(xiàn)象。水資源的分布不均和日益嚴(yán)重的水資源短缺不但嚴(yán)重困擾國民生產(chǎn)，而且成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。我國不僅缺水，而且水資源的現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。在我國經(jīng)濟(jì)快速增長，工業(yè)化和城市化進(jìn)程日益加快的同時，由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資有限和管理不善，加之認(rèn)識所限，江河湖泊及近海海域普遍受到不同程度的污染，盡管部分流域地區(qū)的污染得到了有效控制，但是總體來說仍呈連年加重的趨勢。水資源的短缺與粗放低效利用的狀態(tài)并存，水資源及其安全性已經(jīng)成為中國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，是國家安全的重要支持因素之一。1.2.污水處理的現(xiàn)狀我國的污水處理開始于上世紀(jì)七十年代。那時已經(jīng)開始利用廢棄的河道、沼澤以及城市周邊洼地構(gòu)筑成穩(wěn)定塘，對生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行簡單的處理。據(jù)當(dāng)時的文獻(xiàn)資料介紹，這樣的穩(wěn)定塘共計(jì)38座，日處理生活污水173萬噸。八十年代，國家政策開始向環(huán)保傾斜，推動了一大批城市污水處理設(shè)施的興建，我國第一座大型的城市污水處理廠--日處理26萬噸的天津紀(jì)莊子污水處理廠也于1984年4月投入運(yùn)行?！鞍宋濉逼陂g，隨著城市環(huán)境綜合治理的深化以及各流域水污染治理力度的加大，城市污水處理設(shè)施的建設(shè)經(jīng)歷了一個發(fā)展高潮時期?！熬盼濉逼陂g，我同正式啟動對“河”（淮河、海河和遼河)、“湖”（太湖、巢湖、滇池)流域和“環(huán)渤?！钡貐^(qū)的水污染治理，國家給予相應(yīng)資金和技術(shù)上的支持。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2000年底，全同已建設(shè)城市污水處理廠427座，其中二級處理廠282座，二級處理率約為15%。由此可見，我國的污水處理現(xiàn)狀并不理想，城市污水處理率還很低。2002年之后，國家大力扶持污水處理廠的建設(shè)，特別是山西、河北、河南、陜西等中西部地區(qū)，每年都有數(shù)十座污水處理廠開工建設(shè)。拿陜西省為例，截至2009年底，絕大多數(shù)縣級以上城市都擁有了正常運(yùn)行的污水處理廠，有的城市還建成了中水廠并已投運(yùn)。1.3城市污水處理的發(fā)展趨勢我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對落后.而面對我國日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，國家正加大力度來進(jìn)行污水的治理。而解決城市污水污染的根本措施是建設(shè)以生物處理為主體工藝的二級城市污水處理廠，但是，建設(shè)大批的二級城市污水處理廠需要大量的投資和高額運(yùn)行費(fèi)，這對我國來說是一個沉重的負(fù)擔(dān)。目前我國的污水處理廠建設(shè)工作，則因?yàn)橘Y金的缺乏很難開展，部分已建成的污水處理廠由于運(yùn)行費(fèi)用高昂或者缺乏專業(yè)的運(yùn)行管理人員等原因而一直不能正常運(yùn)行，因此我國的城市污水處理發(fā)展趨勢應(yīng)該圍繞以下兩個方面：第一，未來的城市污水處理必須是高自動化、高可靠性的?，F(xiàn)代污水處理廠采用計(jì)算機(jī)控制日益普遍。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)污水處理工藝的半自動、全自動監(jiān)控，提高污水處理廠的技術(shù)管理水平，合理使用和配置處理設(shè)施，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。第二，未來的城市污水處理必須滿足“三低一高”條件：即基建投資低、運(yùn)行成本低、管理要求低、處理效率高。大力發(fā)展小城鎮(zhèn)是我國城市化過程的必由之路。是具有中國特色的城市化道路的戰(zhàn)略性選擇。而對于小城鎮(zhèn)的污水處理又面臨一系列的問題：小城鎮(zhèn)污水的特點(diǎn)不同于大城市，小城鎮(zhèn)資金短缺；運(yùn)行管理人員缺乏；技術(shù)力量薄弱等。因此，小城鎮(zhèn)的污水處理廠應(yīng)該是基建投資低、運(yùn)行成本低、運(yùn)行管理相對容易，處理效率高的工藝。對高效率、低投入、低運(yùn)行成本、成熟可靠的污水處理工藝的研究是今后的一個重點(diǎn)研究方向。1.4污水處理廠的控制系統(tǒng)介紹1.4.1常見污水處理廠控制系統(tǒng)介紹上世紀(jì)九十年代之前，國內(nèi)的污水處理廠一般采用手動控制或者小范圍的計(jì)算機(jī)自動控制。九十年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理廠的自動化程度也在不斷的提高，PLC、工控機(jī)等也逐漸在新建污水處理廠普及開來。特別是最近幾年，新建成的污水處理廠一半以上采用了計(jì)算機(jī)自動控制技術(shù)。然而，由于資金不足、技術(shù)力量薄弱等原因，還有很多中小型污水處理廠的自動控制水平還很低，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效果不夠穩(wěn)定。1.4.2污水處理廠控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢隨著自動化水平的不斷提高及其在社會各個方面的應(yīng)用越來越廣泛，自動化系統(tǒng)在污水處理這一方面也發(fā)揮了其強(qiáng)大的優(yōu)勢。本文論述了城市污水處理廠自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，以及網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)在處理廠自動化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)處理廠全自動化控制管理。未來的污水處理廠控制系統(tǒng)，應(yīng)是一個低運(yùn)行維護(hù)成本、高集成化、高度自動化的系統(tǒng)。是采用“集中管理，分散控制”模式建立的經(jīng)濟(jì)、可靠的現(xiàn)場檢測、過程控制和計(jì)算機(jī)管理一體化的系統(tǒng)。利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息資源的共享，達(dá)到“現(xiàn)場無人值守，中控一人值班”的目標(biāo)，甚至于通過現(xiàn)有的有線/無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。污水處理自動控制系統(tǒng)不僅要具有良好的安全性、可靠性和穩(wěn)定性等基本特點(diǎn)，還應(yīng)該具有系統(tǒng)操作與維護(hù)的方便性，并能在傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入以優(yōu)化處理效果和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)的優(yōu)化控制。2西門子PLC及其ProfiBus現(xiàn)場總線2.1PLC2.1.1PLC簡介PLC英文全名是Programmablelogiccontroller，即可編程邏輯控制器，指一種面向生產(chǎn)過程控制的數(shù)字電子裝置，包括邏輯運(yùn)算、順序控制、時序、計(jì)數(shù)以及算術(shù)運(yùn)算等程序。它用一串指令形式存放在存儲器中，然后根據(jù)存儲的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬、數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。它具有控制能力強(qiáng)、操作方便靈活、價格便宜、可靠性高等持點(diǎn)。它不僅可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，還可方便的構(gòu)成復(fù)雜的工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器。一套典型的PLC通常包括CPU模塊、電源模塊和一些I/O模塊，這些模塊安裝在一塊背板上。有些配置還可能包括一個操作員面板、通信模塊以及一些可選的特殊功能模塊?？删幊踢壿嬁刂破鞑粌H容易安裝，占用空間小，能源消耗小，大多帶有診斷指示器可以幫助故障診斷，而且可以被重復(fù)使用到其他的項(xiàng)目中去。現(xiàn)在，盡管PLC的功能、數(shù)據(jù)處理能力己經(jīng)獲得了很大的提高，但PLC—直保持了最初設(shè)計(jì)的原則，那就是簡單至上的原則。2.1.2PLC分類（1）按照I/O點(diǎn)數(shù)分類PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)表明PLC可以從外部接收多少個輸入量和向外部輸出多少個輸出量。I/O點(diǎn)數(shù)（總數(shù))在256點(diǎn)以下的稱為小型機(jī)，一般只有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、移位等功能，適用于開關(guān)量的控制和簡單的模擬控制。I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)至1024點(diǎn)之間的，稱為中型機(jī)，它除了具備邏輯運(yùn)算功能，還增加了多路模擬量處理、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通訊等功能，可完成既有開關(guān)量、又有模擬量的復(fù)雜控制。I/O點(diǎn)數(shù)在1024點(diǎn)以上的稱為大型機(jī)，其功能更加完善，具有數(shù)據(jù)處理、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通訊、監(jiān)視、記錄、打印等功能，可以進(jìn)行中斷控制、智能控制、遠(yuǎn)程控制等，可用于大規(guī)模的過程控制，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的集散系統(tǒng)。（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀分類從結(jié)構(gòu)和形狀上看，PLC可分為整體式和模塊式兩種。一般的小型機(jī)多為整體式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的PLC，其電源、CPU、I/O部件等都集中配置在一起，有的甚至全部裝在一塊印刷電路扳上，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低、容易裝配在工業(yè)控制設(shè)備的內(nèi)部，比較適合于生產(chǎn)設(shè)備的單機(jī)控制。整體式PLC的缺點(diǎn)是主機(jī)的I/O點(diǎn)數(shù)固定，使用不夠靈活，維修也不方便。模塊式結(jié)構(gòu)的PLC各部分以單獨(dú)的模塊分開設(shè)置，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊等。這種PLC通常由機(jī)架底板聯(lián)結(jié)各模塊(也有的PLC為串行聯(lián)接，沒有底板)，底板上有若干插座，使用時，各種模塊直接插入機(jī)架底板即可。這種結(jié)構(gòu)的PLC配置靈活、裝配方便、易于擴(kuò)展，可根據(jù)控制要求靈活配置各種模塊，構(gòu)成功能不同的各種控制系統(tǒng)。一般大中型PLC均采用這種結(jié)構(gòu)。模塊式PLC的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，各種插件比較多，造價也比較高。2.1.3PLC的特點(diǎn)及主要功能2.1.3.1PLC的特點(diǎn)雖然PLC的種類不同，規(guī)模不同，生產(chǎn)廠家也不一致，但是它們卻有很多共同的特點(diǎn)：(1)程序編制簡單PLC—般采用易于理解和掌握的梯形圖語言及面向工業(yè)控制的簡單指令編制程序，非常形象直觀。對于小型PLC而言，幾乎不需要任何專門的計(jì)算機(jī)知識，只需要擁有簡單的電路或者邏輯知識即可，特別適合現(xiàn)場工程技術(shù)人員使用。(2)控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng)雖然PLC種類繁多，但由于其產(chǎn)品的系列化和模塊化，且軟件包齊全，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。用戶在硬件設(shè)計(jì)方面，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，不需要諸如繼電器之類的固體電子器件和大量繁雜的硬接線電路。當(dāng)控制要求改變，需要變更控制系統(tǒng)的功能時，只要改變存貯器中的控制程序即可。PLC的輸入、輸出可直接與交流220V、直流24V等相連，并有較強(qiáng)的負(fù)載能力。(3)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高PLC是專為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。在PLC的設(shè)計(jì)和制造過程中，采取了多層次抗干擾及精選元器件等措施，使PLC的平均無故障時間通常在20000小時以上，這是一般的其它電氣設(shè)備做不到的。絕大多數(shù)用戶都將可靠性作為選取控制裝置的首要條件。因此PLC在硬件和軟件方面均采取了一系列的抗干擾措施。在硬件方面，PLC采取的抗干擾措施主要是隔離和濾波技術(shù)。PLC的輸入和輸出電路一般都用光電稱合器傳遞信號，使CPU與外部電路完全切斷電的聯(lián)系，有效地抑制外部干擾源對PLC的影響。在PLC的電源電路和I/O接口中，還設(shè)置了多種濾波電路，以抑制高頻干擾信號。在軟件方面，PLC設(shè)置了故障檢測及自診斷程序，用來檢測系統(tǒng)硬件是否正常。(4)易于操作及維護(hù)PLC的控制程序可通過其專用的編程器輸入到PLC的用戶程序存貯器中。編程器不僅能對PLC控制程序進(jìn)行寫入、讀出、檢測、修改等操作，還能對PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，使得PLC的操作及維護(hù)都很方便。PLC還具有很強(qiáng)的自診斷能力，能隨時檢查出自身的故障，并顯示給操作人員，使操作人員能迅速檢查、判斷故障原因。由于PLC的故障率很低，并且有完善的診斷和顯示能力，當(dāng)PLC或外部的輸入裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，如果是PLC本身的原因，在維修時只需要更換相應(yīng)的插入式模塊及其它易損件即可，既簡單又方便。(5)設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短用PLC完成一項(xiàng)控制工程時，由于其硬、軟件齊全，設(shè)計(jì)和施工可同時進(jìn)行，由于用軟件編程取代了繼電器硬接線，實(shí)現(xiàn)控制功能，使得控制柜的設(shè)計(jì)及安裝接線工作大為減少，縮短了施工周期。同時，由于用戶程序大都可以在實(shí)驗(yàn)室模.擬調(diào)試，調(diào)好后再將PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，使得調(diào)試方便、快速、安全，因此大大縮短了設(shè)計(jì)和投運(yùn)周期。2.1.3．2PLC的主要功能PLC是采用微電子技術(shù)來完成順序控制功能的自動化設(shè)備，可以在現(xiàn)場的輸入信號作用下，按照預(yù)先輸入的程序，控制現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照一定規(guī)律進(jìn)行動作，其主要功能如下：(1)開關(guān)量控制(2)限時控制(3)計(jì)數(shù)控制(4)步進(jìn)控制(5)數(shù)據(jù)處理(6)模擬量處理(7)通訊及聯(lián)網(wǎng)2.1.3.3PLC的編程語言PLC與微機(jī)一樣，是以指令程序的形式進(jìn)行工作的，各種型號的PLC—般均以梯形圖語言為主，同時也兼顧一些其它形式的編程語言。1.梯形圖梯形圖是一種圖形編程語言，是面向控制過程的一種“自然語言”，它延用傳統(tǒng)繼電器的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，同時也增加了一些繼電器控制系統(tǒng)中沒有的特殊符號，以便擴(kuò)充PLC的控制功能。梯形圖語言比較形象、直觀，對于熟悉繼電器表達(dá)方式的電氣技術(shù)人員來說，不需要學(xué)習(xí)更深的計(jì)算機(jī)知識，極易被接受:，因此在PLC編程語g中應(yīng)用最多。2.指令語句表指令語句就是用助記符來表達(dá)PLC的各種控制功能，一般與梯形圖形式一一對應(yīng)。它類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，但比匯編語言通俗易懂，因此也是應(yīng)用很廣泛的一種編程語言。指令語句通常由地址、操作碼和操作數(shù)(器件編號)三部分組成。這種編程語言可使用簡易編程器編程，編程設(shè)備簡單、邏輯緊湊，連接范圍不受限制，但比較抽象，一般與梯形圖語言配合使用，互為補(bǔ)充。目前，大多數(shù)PLC都支持指令語句編程。3.邏輯功能圖這種編程語言基本上沿用了半導(dǎo)體邏輯電路的邏輯方塊圖形式。對于每一種功能都使用一個運(yùn)算方塊，其運(yùn)算功能由方塊內(nèi)的符號確定。常用“與”、一或”、“非”等邏輯功能表達(dá)控制邏輯。與功能方塊有關(guān)的指令均畫在方塊的左邊，輸出畫在方塊的右邊。采用這種編程語言對于熟悉邏輯電路和具有邏輯代數(shù)基礎(chǔ)的技術(shù)人員來說，是非常方便的。4.流程圖流程圖編程方式采用畫工藝流程圖的方法編程，只要在每一個工藝方框的輸入和輸出端標(biāo)上特定的符號即可。對于在工廠中搞工藝的人來說，用這種方法編程，不需要很多的電氣知識，非常簡單。5.高級語言部分PLC支持高級語言編程，類似與C或者Pascal語言，這對于那些有著豐富的高級語言編程經(jīng)歷的開發(fā)人員非常的方便。2.2西門子PLC的特點(diǎn)德國的西門子公司在過程自動化領(lǐng)域有極高的知名度，PLC及其相關(guān)設(shè)備的產(chǎn)銷量都很高。據(jù)估算，在2007年該公司的PLC相關(guān)產(chǎn)品在國內(nèi)銷量約占同類產(chǎn)品的一半以上。西門子的PLC除了具有上述的五個特點(diǎn)之外，還具有如下的特點(diǎn)：1.產(chǎn)品豐富，涉及面寬首先，西門子公司擁有不同的產(chǎn)品系列，可以適用于不同規(guī)模的應(yīng)用：簡單的Logo,可以算得上是最簡單的PLC產(chǎn)品，或者說是界定與傳統(tǒng)的繼電器與PLC之間的一類，既具有繼電器簡單易用的特點(diǎn)，又具有PLC集成度高、功能強(qiáng)、方便快捷的優(yōu)勢；S7-200系列PLC，是一種小型PLC，適用于對性能要求不高的場合；S3-300系列，是模塊式中小型PLC，在一個系統(tǒng)中最多可擴(kuò)展32個不同的應(yīng)用模塊，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用場合，甚至能完成軟冗余：S7-400是大型的PLC，可以掛接300多個模塊，H系列和HF可以完成硬件冗余，具有極高的處理速度和卓越的通訊性能，可以應(yīng)用與一些特殊要求的領(lǐng)域。其次，西門子公司同樣的產(chǎn)品系列還有不同應(yīng)用條件的產(chǎn)品，可以滿足擴(kuò)展溫度范圍、防爆、高粉塵、高有毒有害和腐蝕性氣體污染等多種不同的應(yīng)用場合。另外，西門子公司不僅有，傳統(tǒng)的PLC，還有多個系列的PLC擴(kuò)展產(chǎn)品：S7系列是傳統(tǒng)意義上的PLC，除此之外的M7-300/400系列，采用與S7-300/400相同的結(jié)構(gòu)，它可以作為CPU或功能模塊使用，具有AT兼容計(jì)算機(jī)的功能，可以用C，C++或CFC等語言來編程；C7系列由S7-300PLC，HMI(人機(jī)接口）操作面板、I/O、通信和過程監(jiān)控系統(tǒng)組成，應(yīng)用于集成化要求較高的場合；最后是WinAC,它基于Windows和標(biāo)準(zhǔn)的接口（ActiveX，0PC)，提供軟件PLC或插槽PLC。2.高度的集成化西門子PLC的高度集成化，不僅表現(xiàn)在I/O的集成，還表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)模塊的集成和功能的集成方面：上面講到的C7系列便是功能集成的例子，網(wǎng)絡(luò)模塊的集成更是常見，如非常常用的315-2DP、317-2DP。2.3西門子PLC與ProfiBus現(xiàn)場總線從ProfiBus現(xiàn)場總線的起源得知，西門子公司是ProfiBus主要的發(fā)起人，那么當(dāng)ProfiBus成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)之后，我認(rèn)為西門子公司作為主要的PLC生產(chǎn)大廠，一定會推出與之相結(jié)合的PLC產(chǎn)品。實(shí)踐證明后來的6ES7315-2AF03-0AB0，6ES7315-2AG00-0AB0和6ES7315-2AJ00-0AB0，都是非常經(jīng)典的產(chǎn)品。ProfiBus現(xiàn)場總線發(fā)展到今天，西門子相關(guān)的產(chǎn)品更是層出不窮，除了多款緊湊型的SIMATICPLC，還有SIMATICWinAC控制器、支持主站功能的通訊處理器、IE/PB鏈路模塊、ET200S/ET200X的主站模塊、ET200系列分布式I/O、總線部件、總線連接器、中繼器、耦合器、鏈路、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器一串行通信、以太網(wǎng)、AS_i等。所以我認(rèn)為，要選擇ProfiBus,—定要選擇Siemens的PLC。3污水處理工藝流程污水處理就是利用各種不同的方法，將污水中所含的污染物質(zhì)分離或者將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而使污水得到凈化的過程。污水處理是系統(tǒng)工程的組合，一般是遵循先易后難、先簡后繁的規(guī)律。即首先去除大塊的雜物，然后再依次去除懸浮固體、膠體物質(zhì)和溶解物質(zhì)。先采用物理方法，然后再使用化學(xué)方法和生物法。典型的一、二、三級處理工藝流程圖見圖3.1、圖3.2和圖3.3:圖3.1—級處理工藝流程圖圖3.2二級處理工藝流程圖圖3.3三級處理工藝流程圖在一般的城市污水的三級處理體制中，一級是預(yù)處理，二級是主體，三級是精制。在各種處理方法中，目前生物處理方法仍是整個城市污水處理的主流。這是因?yàn)?，從整個城市污水處理的發(fā)展來看，一級處理技術(shù)最老，已經(jīng)相對定型，三級處理雖然處于發(fā)展階段，但是所用的技術(shù)費(fèi)用較高，只有生物法這一部分，近百年來始終發(fā)展變化不止，至今仍方興未艾。4.污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述本系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制層、集中控制層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層?，F(xiàn)場控制層包括工藝設(shè)備的現(xiàn)場控制箱、按扭箱，儀表設(shè)備的探頭、傳感器和變送器，一體執(zhí)行設(shè)備等?，F(xiàn)場控制層直接面向工藝設(shè)備和生產(chǎn)過程，是是最底層、優(yōu)先級最高的控制層?，F(xiàn)場控制層負(fù)責(zé)采集工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，儀表的檢測信號一級執(zhí)行器的狀態(tài)，并傳送給集中控制層，然后接收集中控制層的指令，對現(xiàn)場設(shè)備和執(zhí)行裝置進(jìn)行控制。4.2污水處理廠ProfiBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在上世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的以太網(wǎng)，主要應(yīng)用于辦公自動化(0A)領(lǐng)域。從實(shí)時控制角度來講，以太網(wǎng)有許多缺點(diǎn)，其中最主要的是以太網(wǎng)采用的CSMA/CD協(xié)議是一種非確定性(Non-Determinism)的通訊方式，網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)一起爭搶總線控制權(quán)發(fā)送信息，這樣就無法保證一串重要信息，在確定的時間內(nèi)能送達(dá)到指定設(shè)備。但由于其技術(shù)完全公開，很快地被大家所接受，通過不斷改進(jìn)、提升，并進(jìn)行應(yīng)用優(yōu)化，市場占有率越來越大，而成本也越來越低，成為主流。工業(yè)以太網(wǎng)遵循的IEEE802.3國際標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放式的、多供應(yīng)商、高性能區(qū)域和單元級網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)中可以采用三同軸網(wǎng)絡(luò)、雙絞線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)采用雙絞線網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)最大可擴(kuò)展1400米，兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的最大距離為100米。ProfiBus(德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170)在較大范圍內(nèi)己經(jīng)取得了用戶和制造商的認(rèn)可。由于ProfiBus-DP的開放性，它能連接不同制造廠商的標(biāo)準(zhǔn)部件。EN50170標(biāo)準(zhǔn)保證投資在現(xiàn)在和將來都能得到保護(hù)。在世界范圍內(nèi)，已有多于500家制造廠商能夠提供種類繁多的帶ProfiBus-DP接口的現(xiàn)場設(shè)備?？偩€上最多可掛接127個站點(diǎn)，傳輸速率為9.6kbps-12Mbps，其最大傳輸距離在12Mbps時為100m，1.5Mbps時為400m，可用中繼器延長至10km。傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜，可實(shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。MPI、工業(yè)以太網(wǎng)和ProfiBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的性能價格比見圖4.1。從圖中可以看出，現(xiàn)階段控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選擇ProfiBus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到較高的性能價格比。而且采用以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)后，非常容易使整個系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)IntraNET和廣域網(wǎng)（如InterNet)相連，從而可以實(shí)現(xiàn)管控一體化。MPI、ProfiBUS和工業(yè)以太網(wǎng)的性價比經(jīng)過綜合比較，又根據(jù)污水處理廠實(shí)際應(yīng)用需要，選用“現(xiàn)場總線+工業(yè)以太網(wǎng)”的方案更為合理。主干網(wǎng)為工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為多模四芯光纜，傳輸距離約為400m，傳輸速度10/100M。支網(wǎng)采用ProfiBus現(xiàn)場總線，傳輸介質(zhì)為SIEMENS的ProfiBus-DP專用電纜，傳輸速度L5Mbps。4.3設(shè)計(jì)選型4.3.11#1/0站選型1#1/〇站負(fù)責(zé)進(jìn)水預(yù)處理部分設(shè)備的信號采集和過程控制，受控設(shè)備和輸入輸出點(diǎn)描述見表4.1:表4.11W/0站I/O點(diǎn)描述表設(shè)備名稱控制點(diǎn)信號描述AIA0DID01#粗格柵前閘門閘門開啟/關(guān)閉指令2閘門開/關(guān)到位反饋2閘門故障反饋1閘門開啟/關(guān)閉反饋2閘門控制狀態(tài)反饋11#粗格柵后閘門同1#粗格柵前閘門622#粗格柵前閘門同1#粗格柵前閘門622#粗格柵后閘門同1#粗格柵前閘門621#粗格柵1#粗格柵運(yùn)行指令11#粗格柵故障反饋11#粗格柵手動自動狀態(tài)反饋11#粗格柵運(yùn)行反饋12#粗格柵同1#粗格柵31粗格柵輸送壓榨器輸送器運(yùn)行指令1輸送器故障反饋1輸送器手動自動狀態(tài)反饋1輸送器運(yùn)行反饋11#細(xì)格柵1#細(xì)格柵運(yùn)行指令11#細(xì)格柵故障反饋11#細(xì)格柵手動自動狀態(tài)反饋11#細(xì)格柵運(yùn)行反饋12#細(xì)格柵同1#細(xì)格柵31細(xì)格柵輸送器同粗格柵輸送壓榨器311#進(jìn)水提升泵1#進(jìn)水泵運(yùn)行指令11#進(jìn)水泵故障反饋11#進(jìn)水泵手動自動狀態(tài)反饋11#進(jìn)水泵運(yùn)行反饋12#進(jìn)水提升泵同1#進(jìn)水提升泵313#進(jìn)水提升泵同1#進(jìn)水提升泵311#旋流除砂器1#旋流除砂器運(yùn)行指令11#旋流除砂器故障反饋11#旋流除砂器手自動狀態(tài)反饋11#旋流除砂器運(yùn)行反饋1加旋流除砂器同1#旋流除砂器311#吸砂泵1#吸砂泵運(yùn)行指令11#吸砂泵故障反饋11#吸砂泵手A動狀態(tài)反饋11#吸砂泵運(yùn)行反饋12#吸砂泵同1#吸砂泵31砂水分離器砂水分離器運(yùn)行指令1砂水分離器故障反饋1砂水分離器手自動狀態(tài)反饋1砂水分離器運(yùn)行反饋1階段出水閘門閘門開啟/關(guān)閉指令2閘門開/關(guān)到位反饋2閘門故障反饋1閘門開啟/關(guān)閉反饋2閘門控制狀態(tài)反饋1超聲波液位差計(jì)1#粗格柵前后液位差1超聲波液位差計(jì)2#粗格柵前后液位差1超聲波液位差計(jì)3#粗格柵前后液位差1浮球液位開關(guān)污水提升泵最低液位(浮球）1PH/T傳感變送器進(jìn)水PH(酸度）1PH/T傳感變送器進(jìn)水溫度1污泥濃度計(jì)進(jìn)水濁度1超升明渠流量計(jì)進(jìn)水流量1合計(jì)87324設(shè)備實(shí)際需求AI(模擬量輸入）為8通道，DI(數(shù)字量輸入）為73通道，D(J(數(shù)字量輸出）為24通道，考慮約20%的備用通道后，結(jié)合實(shí)際的模板型號，選擇AI模板2塊，DI模板3塊，DO模板2塊?？傆?jì)模板數(shù)量為7塊，滿足機(jī)架對模板第四章基于ProfiBus的污水處理廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)<8的要求，詳見表4.2：表4.21#1/0站設(shè)備選型設(shè)備名稱設(shè)備型號數(shù)量簡單描述模擬輸入6ES7331-7KF02-0AB02AI模板，每塊內(nèi)建8通道數(shù)字輸入6ES7321-1BL00-0AA03DI模板，每塊內(nèi)建32通道數(shù)字輸出6ES7322-1BH00-0AA02D0模板，每塊內(nèi)建16通道電源模板6ES7307-1BA00-0AA01西門子PLC電源模板，10A24V遠(yuǎn)程I/O接頭6ES7153-1AA03-0XB01西門子分布1/0，ET200M熱插拔底板6ES7195-7HA00-0XA01安裝ET200M的熱插拔底板熱插拔底板6ES7195-7HA00-0XA04安裝I/O模板的熱插拔底板20針前連接器6ES7392-1AJ00-0AA02用于D0模板的接線裝置40針前連接器6ES7392-1AM00-0AA05用于AI和DI模板的接線裝置在此要特殊說明的是，數(shù)字輸出模板有內(nèi)建32通道的6ES7322-1BL00—OAAO和內(nèi)建16通道的6ES7322-1BH00-0AA0，在此處選擇了內(nèi)建16通道的6ES7322-1BH00—OAAO原因是因?yàn)閮?nèi)建32通道的6ES7322-1BL00-0AA0當(dāng)全部通道接通時的發(fā)熱量較大，不太適應(yīng)現(xiàn)場的工藝條件，而現(xiàn)場的機(jī)架上的模板槽還有空位。提升泵房水泵主要用來將粗格柵渠流出的污水提升到細(xì)格柵渠。在提升泵房，需要測量和控制的是三臺提升泵的運(yùn)行狀態(tài)以及它們的啟停。提升泵控制原理三臺提升泵通過切換開關(guān)既可手動控制也可自動控制，自動控制過程大體如下：首先通過上位機(jī)設(shè)定每一臺提升泵的啟動液位，一般情況下，若液位比較低就只啟用一臺提升泵，即可使水位維持在中水位，當(dāng)水位上漲到第二臺設(shè)定啟動液位時則再啟用第二臺提升泵，若此時水位仍然繼續(xù)上漲，超過第三臺設(shè)定的啟動液位則啟用第三臺提升泵。還可以設(shè)定高/低液位報警，當(dāng)液位超低或超高時都會報警。圖4.2提升泵控制原理圖為檢測提升泵水位，在提升泵房前安裝超聲波液位計(jì)，它的檢測水位范圍是0?10米，輸出4?20mA模擬電流信號，送入PLC經(jīng)過進(jìn)一步處理運(yùn)算后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街锌厥也⒃谏衔粰C(jī)上監(jiān)視。超聲波液位計(jì)采用時間行程原理，由傳感器向物體表面發(fā)射超聲波，物體反射回波并能被傳感器接收，液位計(jì)算出脈沖傳送與接收時間T，再用聲速C計(jì)算出探頭到液位表面的距離，公式為：D二C.T/2。根據(jù)用戶輸入的水池深度E得到液位L二E—D。除此之外，還裝有H2S和COD檢測儀，用于檢測進(jìn)水H2S和COD值。4.3.22#1/0站選型2#1/0站負(fù)責(zé)水處理核心部分一氧化溝設(shè)備的信號采集和過程控制，受控設(shè)備和輸入輸出點(diǎn)描述見表4.3:表4.32W/0站I/O點(diǎn)描述表設(shè)備名稱控制點(diǎn)信號描述AIA0DID01#溝1#轉(zhuǎn)碟轉(zhuǎn)碟運(yùn)行指令給定1轉(zhuǎn)碟手自動狀態(tài)反饋11#溝2#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾3#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾4#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾5#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾6#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾7#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟311財(cái)勾8#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝1#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝2#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝3#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝4#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝5#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝6#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝7#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟312#溝8#轉(zhuǎn)碟同1#溝1#轉(zhuǎn)碟31ms1#氧化溝污泥濃度信號反饋12#SS2#氧化溝污泥濃度信號反饋11#0RP1#氧化溝0RP信號反饋12#0RP2#氧化溝0RP信號反饋11#T1#氧化溝溫度信號反饋12#T2#氧化溝溫度信號反饋1溶解氧1#氧化溝溶解氧濃度反饋112#溶解氧1#氧化溝溶解氧濃度反饋213#溶解氧2#氧化溝溶解氧濃度反饋114#溶解氧2#氧化溝溶解氧濃度反饋21合計(jì)104816設(shè)備實(shí)際需求AI為10通道，D1為48通道，DO為24通道，考慮約20%的備用通道后，結(jié)合實(shí)際的模板型號，選擇AI模板2塊，DI模板2塊，D0模板2塊?？傆?jì)模板數(shù)量為6塊，滿足機(jī)架對模板數(shù)<8的要求，詳見表4.4:表4.42W/0站設(shè)備選型設(shè)備名稱設(shè)備型號數(shù)量簡單描述模擬輸入6ES7331-7KF02-0AB02AI模板，每塊內(nèi)建8通道數(shù)字輸入6ES7321-1BL00-0AA02DI模板，每塊內(nèi)建32通道數(shù)字輸出6ES7322-1BH00-0AA02D0模板，每塊內(nèi)建16通道電源模板6ES7307-1BA00-0AA01西門子PLC電源模板，10A24V遠(yuǎn)程I/O接頭6ES7153-1AA03-0XB01西門子分布1/0，ET200M熱插拔底板6ES7195-7HA00-0XA01安裝ET200M的熱插拔底板熱插拔底板6ES7195-7HA00-0XA03安裝I/O模板的熱插拔底板20針前連接器6ES7392-1AJ00-0AA02用于D0模板的接線裝置40針前連接器6ES7392-1AM00-0AA04用于AI和DI模板的接線裝置4.3.33#1/0站選型3#1/0站負(fù)責(zé)二沉池、污泥回流泵、加氯等設(shè)備的信號采集和過程控制，受控設(shè)備和輸入輸出點(diǎn)描述見表4.5:表4.533#1/0站I/O點(diǎn)描述表設(shè)備名稱控制點(diǎn)信號描述AIA0DID01#超聲波液位計(jì)1#二沉池液位反饋12#超聲波液位計(jì)2#—沉池液位反饋13#超聲波液位計(jì)貯泥池液位信號1C0D在線監(jiān)測儀接觸池C01)濃度信號11#回流污泥流量1#2#回流污泥泵流量12#回流污泥流量3#4#回流污泥泵流量11#回流污泥泵水泵運(yùn)行指令1水泵故障反饋1水泵手動自動狀態(tài)反饋1水泵運(yùn)行反饋1加回流污泥泵同1#回流污泥泵313#回流污泥泵同1#回流污泥泵314#回流污泥泵同1#回流污泥泵311#剩余污泥泵同1#回流污泥泵312#剩余污泥泵同1#回流污泥泵311#回流污泥閘門閘門開啟指令1閘門關(guān)閉指令1閘門開到位反饋1閘門關(guān)到位反饋1閘門故障反饋1閘門開啟反饋1閘門關(guān)閉反饋1閘門控制狀態(tài)反饋12#回流污泥閘門同1#回流污泥閘門621#二沉池配水堰同1#回流污泥閘門622#二沉池配水堰同1#回流污泥閘門621#二沉池吸泥機(jī)設(shè)備運(yùn)行指令1設(shè)備故障反饋1設(shè)備手動自動狀態(tài)反饋1設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋12#二沉池吸泥機(jī)同1#二沉池吸泥機(jī)31加氯間設(shè)備卸酸泵運(yùn)行指令1反沖洗泵運(yùn)行指令11#加藥泵運(yùn)行指令1加加藥泵運(yùn)行指令1系統(tǒng)手自動狀態(tài)反饋1系統(tǒng)保護(hù)狀態(tài)反饋1卸酸泵運(yùn)行反饋1反沖洗泵運(yùn)行反饋11#加藥泵運(yùn)行反饋1加加藥泵運(yùn)行反饋1卸酸泵故障反饋1反沖洗泵故障反饋11#加藥泵故障反饋12#加藥泵故障反饋1合計(jì)65820（4）PIC主站選型PLC主站位于變配電間，負(fù)責(zé)讀取和寫入從站數(shù)據(jù)，并和遠(yuǎn)程監(jiān)控層通訊。根據(jù)廠區(qū)的處理規(guī)模和控制要求，選擇德國西門子中型PLC產(chǎn)品S7-300系列。由于用PLC做主站，掛接ProfiBus-DP從站，盡可能選擇集成DP接口的產(chǎn)品，所以選擇了315-2AG10的緊湊型CPU，該型PLC的CUP數(shù)字處理能力強(qiáng)，帶有內(nèi)部集成的ProfiBus-DP接口，其特點(diǎn)是組態(tài)靈活、速度快、操作簡潔。由于要連接S7-300和工業(yè)以太網(wǎng)，通訊模板選擇了西門子的CP343-1，該模塊有其自身的處理器，符合國際標(biāo)準(zhǔn)的1至4層協(xié)議并以多重協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)PG/0P通訊、S7路由、S5兼容通訊(發(fā)送/接收）。由于部分開關(guān)柜的儀表設(shè)備要求RS485通訊，故又為其專門配備了一