控制系统 文章编号: 1001-9944(2008)06-0033-04 污水处理控制系统设计 陈进东, 潘 丰 ( 江南大学 通信与控制工程学院, 无锡 214122 ) 摘 要: 针对 “厌 氧+好 氧 ”生 物 处 理 工 艺 的 污 水 处 理 过 程 自 控 系 统 的 要 求, 开 发 设 计 了 一 套 基于工业以太网和 Profibus 总线的污水处理自控系统。控制系统的设计分为 3 个部分: 电 气部分、PLC 程序的开发、上位机监控软件 WinCC 的开发。介绍了系统各组成部分的软、硬 件构成及其特性, 分析了系统工作的基本原理和主要过程。该系统实现了污水厂的全自动 控制, 实际运行效果良好。 关键词: 污水处理; Wi nCC; S7- 300 ; Pr of i bus 现场总线 中图分类号: TP393 文献标志码: A Design the Contr ol System of Waste Water Tr eatment CHEN Jin- dong, PAN Feng ( School of Communication and Control Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China) Abstract: The application of the automatic control system for the “Anaerobic+ Aerobic”waste water treatment tech- nics is introduced,designing a automatic control system for waste water treatment based on industrial ethernet and Profibus. The control system has three parts: electrical part, PLC program, development of the customer software with WinCC.the software,hardware and some features of the system portion are presented;the system working principles and process are analyzed.This system implements the whole automatic control,with a good outcome. Key words:waste water treatment process; WinCC; S7- 300; Profibus 随着我国经济的高速发展, 环境保护已经是一 个突出的问题。污水处理在环境保护中是一个最重 要的环节, 同时随着计算机技术和我国污水处理工 程迅速发展, 利用先进的控制技术和设备对污水处 理过程进行监控是非常必要的。针对某污水处理项 目, 设计了一套由上位机+PLC+远程 I/O 子站构成 的污水处理系统, 较好地解决了以往污水处理系统 中存在的自动化程度低、可靠性低、大时滞性等问 题, 是一套先进、可靠、操作简单的控制系统[7]。 1 污水处理过程流程 污水处理工艺的主要流程如图 1。 污水处理系统的进水主要为工厂排放的两股生 产污水, 分别为透析废水和冲洗废水。其中, 冲洗废 水污染物浓度较低, 透析废水的污染物浓度较高, 为 高浓度的有机废水。 废水处理工艺的选择主要取决于原水水质特性 和对处理后出水的排放要求[8]。在选择处理工艺时, 收稿日期: 2007- 08- 23; 修订日期: 2008- 02- 22 基金项目: 国家科技攻关计划资助项目(2001BA204B01- 03) 作者简介: 陈进东( 1983- ) , 男, 硕士研究生, 主要 研 究 方 向 为 生 产 过 程 建 模 、优 化 与 控 制; 潘 丰( 1963- ) , 男, 博 士, 教 授, 主 要研究方向为化工过程控制、智能控制、计算机应用。 自动化与仪表 2008(6) 33 

控制系统 图 1 污水处理工艺流程图 Fig.1 Process of waste water treatment 废 水 中 所 含 主 要 污 染 物 的 特 性 起 着 十 分 重 要 的 作 用。 根据废水水质的特点以及国内外对该类废水 的工程实践选择技 术 先 进 、成 熟 、可 靠 的 “厌 氧+好 氧”生物处理工艺作为该工程的主处理工艺[6]。在主 处理工艺后, 增加一个混凝气浮的物化处理单元, 主 要目的是化学除磷, 确保排放废水磷的指标达到业 主提出的标准和要求。选择这样一套废水处理工艺 流程, 具有处理效果好、工程投资合理、能耗和运行 成本低、运行管理简单方便的特点。 2 控制系统网络结构 根据污水处理过程的流程和现场设备的要求, 本系统为集散型计算机控制系统 ( distribution con- trol system) 。整个污水处理站控制部分由中央控制 室、风机房、污泥处理房构成。中央控制室里面设置 中央控制的 PLC 和装有 WinCC 组态软件的上位机 以及电气控制柜。风机房里面设置一个远程 I/O 控 制站和风机部分的电气柜。污泥房设置一个远程 I/ O 控制站和污泥机的电气控制柜。 系统采用以太网和现场总线混合型结构, 现场 层 的 通 信 采 用 Profibus- DP 主 /从 协 议 [5], 使 用 屏 蔽 双绞线作为传输介质, 不同的子网和不同介质之间 可通过耦合器或接口模块连接。过程监控层使用以 太网协议, 通过带有双网卡的 PLC 进行通信协议的 转换, 一块网卡为 Profibus- DP 网卡( 自带) , 另一块 为以太网卡( CP343- 1) 。因此, PLC 作为现场总线中 的一个站, 又作为以太网上的一个站点, 而操作员 站、计算机和工程师站计算机不作为现场总线网络 中的站点, 只作为以太网中的节点, 此网上的各站点 相互之间的数据交换通过以太网进行, 而现场的信 息也通过以太网从 PLC 的寄存器中读取, 控制现场 的参数也由以太网送到 DP 主站 PLC 的寄存器中, 再通过主 /从协议传送到现场总线中的各从站, 如图 2 所示。 中央控制室由一台操作站兼工程师站以及一台 打印机组成。过程 PLC 控 制 系 统 主 要 选 用 西 门 子 中央控制室 S7- 300 风机房 ET- 200 污泥机房 ET- 200 图 2 系统通信网络图 Fig.2 Network chart of system communication S7- 300 的产品。PLC 的 CPU 选用 CPU315- 2DP, 其 本身集成了 Profibus- DP 总线的端口[4], 利用这个口 实现和远程的两个 ET200 通信。在 PLC 上还配 置 一块 CP343- 1 的工业 以 太 网 卡, 还 配 置 一 台 以 太 网 交 换 机 OSM 实 现 与 装 有 WinCC 的 操 作 站 以 及 公司级的装有 PI 软件的监视计算机通信。工程师 站 使 用 研 华 ( Advantech) 工 控 机 , 配 西 门 子 的 以 太 网卡 CP1613, 以 WinCC6.0 中文版组态软件为开发 平 台 组 态 的 控 制 系 统 显 示 画 面 。 采 用 基 于 TCP/IP 协 议 的 工 业 以 太 网 实 现 上 、下 位 机 的 通 讯, 并 与 公 司局域网 PI 软件相连, 从而实现整个公司的管、控 一体化。 功 能 模 块 的 选 择 根 据 工 艺 的 需 要 和 控 制 要 求, 本系统需要数字输入量 196 点, 数字输出量 56 点, 模拟输入量 27 点。考虑到系统的余量, 选用西门 子 的 SM321 的 32 点 DI32*24V 数 字 量 输 入 模 块 6 块 , SM321 的 16 点 数 字 量 DI16*24V 输 入 模 块 1 块 ; 选 用 SM322 的 D032*24V 数 字 输 出 量 模 块 1 块 , SM322 的 DI16*24V 数 字 量 输 出 模 块 2 块 ; SM331 的 8 点 AI8*12Bit 模 拟 量 输 入 模 块 4 块 ; SM332 的 2 点 AO2*12Bit 模 拟 量 输 出 模 块 1 块 ; ET200 远程 I/O 模块 2 块。 现场仪表的选择 选用了 9 台日本横河公司的 电磁流量计, 3 台梅特勒的在线 pH 计, 选用了一只 上海仪表厂的热电阻, 选用了 3 台梅特勒的在线溶 解氧仪, 选用了 1 台沼气压力探测仪及火焰探测仪, 选用了 3 套在线液位计。 外围设备的选择 所选 CRT 为 19 英寸彩色液 晶显示器; 键盘采用工业用防水键盘; 鼠标采用高灵 敏度 3D 鼠标。选用一台彩色喷墨打印机放置在中 控室, 用来打印所要报表、资料及任一 CRT 画面。 媒体备份介质 提供 3 种类型的磁盘驱动装置 34 Automation & Instrumentation 2008(6) 

存储系统数据, 即硬盘、光盘和软盘驱动器。 2.1 电气部分设计 本工程的电气部分按照工艺单体分为预处理部 分、生物处理部分、污泥处理部分和鼓风曝气等。由 于污水处理工程是一个连续的非常重要的项目, 如 果在正常生产中有电源中断, 那样会引起工艺状态 混乱, 需要很长时间才能恢复。所以供电负荷要求为 二级, 供电电源为两个。这个在公司的总配电室实 现, 污水处理工程的供电电压为 0.4kV。 本工程的主要用电负荷为鼓风机、提升泵和污 泥脱水机等。根据工艺要求, 污水站的一期装机总容 量为 245.5kW, 计算容量为 154.4kW。设备有功功率 的计算是以每个单元的装机容量以及该设备在 24 小时内实际运行的时间, 折合成一天 24 小时运行的 有功功率。 整个污水站设有 3 个 MCC 控制中心, MCC1 设 在管理用房的中控室, 在中控室内还设有一个 PLC 柜。MCC2 设在风机机房内, MCC3 设在脱水机机房 内。总的低压配电中心 MCC1 负责向 MCC2、MCC3 以及辅助生产设施单路供电, MCC1 还对提升泵、风 机、刮泥机、加药泵等进行控制; MCC2 实 现 对 电 动 阀的控制; MCC3 实现对脱水机的控制。 电机实现手动/自动( PLC) 两种控制方式, 手动 方式下实现 MCC 和就地控制, 正常运行情况下 PLC 控制为主。当电机容量大于 15kW 时采用软启动方 式启动, 本污水站的最大电机容量为风机 37kW, 三 台都用变频运行。 2.2 P LC 程序设计 2.2.1 S7- 300PLC 的硬件组态 整个控制系统硬件组态包括一个作为控制系统 核心的 S7- 300PLC 站, 一个作为主控操作站的 PC 机和一个作为公司监控站的 PC 机[2]。 控 制 系 统 的 通 信 网 络 包 括 两 个 网 络 : 一 个 是 Profibus- DP 网络, 由 S7- 300PLC 和两个远程 I/O 点 ET200M 模块 构 成; 另 一 个 网 络 是 工 业 以 态 网, 由 S7- 300PLC、主控操作站和公司监控站构成。 在主控操作站的 PLC 有两个导轨: 一块上面安 装 PS307 5A 的电源模块 1 块, CPU315- 2DP 模块 1 块, IM360 接口模块 1 块, CP 343- 1 以 太 网 通 信 模 块 1 块, SM321 的 DI32*24V 输 入 模 块 4 块, SM321 的 DI16*24V 输入模 块 1 块, SM322 的 DO32*24 输 出模块 1 块; 另一块导轨上面安装有 IM361 接口模 控制系统 块 1 块, SM331 的 AI8*12Bit 输 出 模 块 2 块, SM332 的 AO2*12Bit 输出模块 1 块。 风机房的 ET200M 上安装 IM153- 2 接口模板 1 块 , SM321 的 DI32*24V 输 入 模 块 1 块 , SM322 的 DO16*24 输出模块 1 块。 污 泥 机 房 的 ET200M 上 安 装 IM153- 2 接 口 模 板 1 块, SM321 的 DI32*24V 输入模块 1 块, SM322 的 DO16*24 输出模块 1 块。 2.2.2 S7- 300PLC 的部分典型控制流程及程序设计 在整个控制系统中, 自动控制部分主要有调节 池 的 pH、温 度 、液 位 的 自 动 控 制 , 事 故 池 的 液 位 控 制 , 还 有 UASB 部 分 、一 级 A2O 处 理 池 、二 级 A2O 处理池等一些流量控制。监测参量部分有各个池的 液位、温度、pH 值以及管道的流量值。下面以调节池 的液位控制为例说明具体的程序设计过程[3]。 由于本工艺的进水部分有一个综合调节池, 它 是废水进入生化反应前最重要的一道处理工序, 在 这里面进行温度、pH 调节以及水池的水位调节。有 事故池、冲洗废水、透析废水向综合调节池排放。 为了使这个池的水位稳定在一定的水位, 而且 不浪费能源的情况下, 在这个调节池中设置了水位 自动控制功能。当调节池的水位通过西门子的超声 波液位仪 L201 采集标准的 ( 4～20) mA 的信号送到 PLC 的模拟量输入模块 SM331, 再在 PLC 内部和通 过上位机设定的液位值进行比较, 当超过设定水位, P201A 或者 P201B 必须有一台泵启动。 综 合 调 节 池 中 有 两 台 提 升 泵 P201A 和 P201B 之间是互为备用, 一般的互为备用是当其中一台泵 发生故障时, 另一台泵自动启动。在前面的那种设计 情况下, 当主备泵都出现故障的时候, 那样会出现两 台泵来回切换的情况, 这样使得接触器一直是吸放 的过程, 这样会损坏接触器甚至使电气的故障进一 步加大。在这个项目中进行了一些改进, 如果在 30s 内, 两台泵启停动作超过 2 次, 将产生一个不同于普 通一台提升泵故障的报警信号, 必须在消除了这个 报警信号后, 水泵才能启动。 为防止鼠标的误动作, 使电动机频繁的启停, 这 里设计了一个当电动机启动后至少运行 10s 以上才 可以停机, 电机在停止后至少在 10s 后电机才可以 重新启动。在污水处理的过程中, 这种启动停止切换 的时间间隔至少 10s, 不会对工艺产生影响。P201A/ B 泵 PLC 程序的符号表见表 1。 自动化与仪表 2008(6) 35 

控制系统 表 1 P201A/B 泵的 PLC 程序符号表 Tab.1 Symbols of P201A/B PLC program 计时间用 计算时间循环用 A/B 泵故障报警复位 两台泵都故障 启动次数 启动次数 1 P201A/B 是否 30s 内动作数 P201A 泵自控 P201A 泵故障 P201A 泵启动按钮 P201A 泵输出 P201B 泵自控 P201B 泵故障确认 P201B 泵故障输出 P201B 泵启动按钮 P201B 泵输出 P201B 故障 T201 调节池水位测量值 T201 调节池水位设定值 T201 水位过高 M M I M C MW T I I I Q I M M I Q I MW IW M 5.0 7.0 24.0 6.0 2 510 0 2.2 2.4 2.3 28.6 2.5 8.1 8.0 2.6 28.7 2.7 500 400 400.0 BOOL BOOL BOOL BOOL COUNTER INT TIMER BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL INT INT BOOL 在本工程调节池的 PLC 控制系统中, 温度控制 部分的工作原理是: 通过 PT100 的热电阻 TEMP201 的 温 度 采 集, 使 用 PID 调 节 模 块, 并 通 过 模 拟 量 输 出 模 块 来 控 制 调 节 阀 TF201 开 度 来 控 制 蒸 汽 流 量 的大小, 从而达到控制温度的作用。pH 控制系统的 工作原理是: 通过梅特勒公司生产的 pH 在线检测 仪表 PH201 检测 pH 值, 在 PLC 中与设定值比较运 算出结果, 通过开关阀 P601 控制从酸储罐 T 流出 酸的管道通断以及通过开关阀 P602 控制从碱储罐 流出碱的管道通断, 从而达到控制 pH 值的目的。其 他部分的参数控制类似于上面的控制原理。 2.3 WinCC 程序设计 上位机采用 WinCC 作为软件平台开发 了 上 位 机监控界面[1], 主要完成温度、压力、流量、液位等运 行参数的监视、故障报警、报表打印、电气远程启停、 参数设置、趋势分析等, 其主要界面包括启动初始画 面、工艺流程总览画面、A2O 总览画面、设备运行状 态总览画面、PLC 输出点监控画面、报警画面、液位 控制画面、水泵控制画面等, 整个系统界面友好、直 观, 操纵方便。 当在各个流程图中点击相应的电机或者液位测 控位置, 则可以弹出液位控制和水泵控制的画面。把 所 有 单 点 设 备 的 状 态 和 操 作 按 钮 集 中 在 三 个 画 面 中, 可以进行集中控制, 如设备运行状态总览画面。 为了调试和维修的方便, 还把 PLC 各个输出点集中 在单独的画面上显示每个点的状态, 图 PLC 输出点 监控画面。 3 结语 以本方案为基础设计的污水处理工程自动控制 系统, 利用了当前先进的硬件、先进的控制系统软 件、先进的网络总线技术, 经应用开发形成了一套先 进、可靠、可利用性高、实时性好、操作简单、控制品 质高、经济实用的控制系统。通过半年的实际运行, 达到了环保部门要求的市政管网的排放标准, 体现 了良好的社会效益。 参考文献: [1] WinCC V6 手册[Z]. 西门子( 中国) 有限公司,2004. [2] S7- 300 和 S7- 400 梯 形 逻 辑 编 程[Z]. 西 门 子 ( 中 国 ) 有 限 公 司, 2004. [3] STEP7 V5.0 编程手册[Z]. 西门子( 中国) 有限公司,2001. [4] 冯地斌,吴波.Profibus 现场总线技术[J].自动化与仪器仪表, 2002 (2):1- 4. [5] 于 浩 洋.Profibus 现 场 总 线 概 述[J].自 动 化 与 仪 表,2002,17(2):18- 21. [6] 杜 树 新. 污 水 生 化 处 理 过 程 建 模 与 控 制 [J]. 控 制 理 论 与 应 用, 2002,19(5):660- 665. [7] 商 敏 儿,杜 树 新,等. 活 性 污 泥 法 污 水 处 理 过 程 自 动 控 制 的 研 究 现状[J]. 环境污染治理技术与设备,2002,3(1): 83- 87. [8] 何世钧,王化祥,等. 城市污水处理系统溶解氧的控制[J]. 化工仪 表及自动化, 2003, 30(1):36- 38. ■ """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 力控科技“广州”培训班圆满结束 日前, 力控科技广州办事 处 举办 了 为 期 2 天 的 力 控软 件 技术培训班。此次培训活动受到 客户 的 一 致好 评, 并 期待 力 控 科 技 在 广 州 地 区 能 继 续 开 展 更 多 精 彩 的 产 品 培 训 与 市 场 活动。 功 能 , 提 高 用 户 使 用 力 控 软 件 开 发 应 用 系 统 的 效 率 , 而 且 也 是力控与用户之间增进理解、共拓工控市场的良好契机。 在双方融洽的氛围中, 此次广州地区培训班圆满结束。7 月, 广 州 办 事 处 将 继 续 举 办 力 控 软 件 技 术 培 训 班 , 我 们 期 待 在全国各地举办的力控软件技 术 培 训活 动, 不 仅使 力 控 您的加入。 用 户 进 一 步 了 解 到 相 关 产 品 的 使 用 技 巧 与 最 新 版 本 的 新 增 更多信息请访问: www.sunwayland.com.cn 36 Automation & Instrumentation 2008(6)