引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展,我國境內(nèi)一半以上的河流都受到了較為嚴(yán)重的污染,而城市化則加快了這一進(jìn)程。目前,城市水域的污染已經(jīng)超過90%,且水污染的趨勢仍在不斷加快,原來只是地表水污染,現(xiàn)在污染也加速往地下滲透[1]。傳統(tǒng)的污水處理廠以繼電器控制為主,但繼電器控制系統(tǒng)存在體積大、能耗高、費用高、可移植性差等缺點,一旦改變系統(tǒng)設(shè)計,就必須對控制器進(jìn)行重新設(shè)計,大大增加了人力、物力的消耗。而可編程控制器(PLC)能很好地實現(xiàn)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及靈活性[2-3],因而現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計目標(biāo)

　　1.1主要組成

　　整個自動化控制系統(tǒng)包括可編程控制器、計算機(jī)、監(jiān)控端及現(xiàn)場的各類儀器儀表,其中可編程控制器是整個控制系統(tǒng)的核心,它與計算機(jī)設(shè)定的控制程序確定了系統(tǒng)運行的相關(guān)程序、工藝標(biāo)準(zhǔn)等,同時可以根據(jù)實際需求,自動或手動控制相關(guān)設(shè)備運行。現(xiàn)場的相關(guān)設(shè)備在運行過程中,將數(shù)據(jù)實時反饋到可編程控制器、相關(guān)計算機(jī)設(shè)備中進(jìn)行顯示及控制。

　　1.2工作原理

　　根據(jù)城市污水處理的需求,將整個控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場控制系統(tǒng)及監(jiān)控室控制系統(tǒng)兩部分,二者均能實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制,包括開啟格柵機(jī),實現(xiàn)對污水中垃圾的攔截;調(diào)節(jié)池污水水位監(jiān)測,即系統(tǒng)根據(jù)水位情況,給出一個或兩個控制信號,控制一個或兩個水泵的運行,從而降低調(diào)節(jié)池中水位高度,確保水位運行在安全線內(nèi)。污泥池污泥提升泵、事故池提升泵等也是通過采集相關(guān)浮球信息,根據(jù)浮球信號實現(xiàn)自動控制,也可以根據(jù)用戶給出的指令來控制設(shè)備的運行。其他設(shè)備如吸附風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、混合液回流泵等可以根據(jù)用戶發(fā)出的指令控制其運行開始/結(jié)束時間、運行時長等。

　　另外,系統(tǒng)需要采集現(xiàn)場余氯、水位、流量等傳感器信息,在各操作界面上實時顯示傳感器收集到的信息,同時顯示污水處理現(xiàn)場各設(shè)備運行參數(shù)信息,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障報警時,能實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警并在各程序上記錄報警信息,包括設(shè)備信息、故障或警報時間等,從而保障設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。

　　2硬件設(shè)備

　　本系統(tǒng)的核心器件選用西門子S7-200 SMART PLC,它具有以太網(wǎng)口,用戶可直接通過網(wǎng)線讓計算機(jī)與PLC連接,方便用戶下載調(diào)試程序,同時,通過網(wǎng)線它還能夠快速和其他HMI、計算機(jī)等進(jìn)行通信,且它集成了部分庫文件,在編程過程中可以直接調(diào)用。在電控柜表面嵌入觸摸屏顯示相關(guān)參數(shù)信息并控制設(shè)備,用戶只需點擊屏幕上的文字或圖標(biāo)就能進(jìn)行操作,這是一種非常方便的人機(jī)交互模式。它支持以太網(wǎng)通信,也支持RS232/422/485通信,可以實現(xiàn)HMI與HMI、HMI與PLC之間的通信,用戶可以根據(jù)需求選擇通信方式。另外,因需帶動大型電機(jī)設(shè)備,所以要配備變頻器,變頻器可根據(jù)實際工作設(shè)備、工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)置,能夠降低電機(jī)功耗,還能對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,可以設(shè)置電機(jī)的軟啟動及軟停止,也就是在啟動與停止時,頻率、電流、電壓平穩(wěn)變化,電機(jī)不至于直接承受大電流的直接沖擊,這將大大降低電機(jī)等設(shè)備的維修維護(hù)成本。主要材料清單如表1所示,系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

　　3程序設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)是整個PLC系統(tǒng)設(shè)計的核心,它與觸摸屏軟件、計算機(jī)組態(tài)系統(tǒng)聯(lián)動,共同監(jiān)控各種設(shè)備的運行。根據(jù)實際需求,整個系統(tǒng)中,需要控制的設(shè)備包括機(jī)械格柵、污水提升泵、潛水?dāng)嚢铏C(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、混合液回流泵、污泥提升泵、疊螺脫水機(jī)、二氧化氯發(fā)生器、污水消毒系統(tǒng)、事故提升泵、變頻器等,并需實現(xiàn)余氯在線檢測、水位檢測以及流量檢測。

　　3.1各設(shè)備的工作模式

　　在格柵井中配備機(jī)械格柵,對污水中的雜物進(jìn)行過濾,防止垃圾堵塞水泵,用戶可以通過觸摸屏、計算機(jī)組態(tài)端設(shè)定機(jī)械格柵的自動啟動和關(guān)閉時間。

　　調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)兩個污水提升泵,通過內(nèi)部兩個浮球的得失電來控制污水提升泵的工作,為了保護(hù)設(shè)備,每次低浮球得電,兩個污水提升泵輪換工作。若高浮球浮起接通得電,則意味著調(diào)節(jié)池水位很高,此時需要同時啟動兩個污水提升泵以便盡快排出污水。如果兩個污水提升泵同時工作超過設(shè)定時間后,高浮球仍然是得電狀態(tài),則表明進(jìn)水量過大或設(shè)備出現(xiàn)故障,此時系統(tǒng)進(jìn)行報警提示,提醒用戶到現(xiàn)場排除故障,若無問題則取消報警。

　　厭氧池中有兩臺潛水?dāng)嚢铏C(jī),它們與污泥池中污泥提升泵聯(lián)動工作,當(dāng)污泥提升泵運行時,對應(yīng)的潛水?dāng)嚢铏C(jī)也工作,直至系統(tǒng)設(shè)定時間結(jié)束后自動關(guān)閉。

　　接觸氧化池包含鼓風(fēng)機(jī)和混合液回流泵。池中配鼓風(fēng)機(jī)兩臺,該設(shè)備需長期運行,運行時,一臺鼓風(fēng)機(jī)工作一定時長后就切換到另一臺繼續(xù)工作,做到一備一用,防止設(shè)備因持續(xù)工作導(dǎo)致故障?；旌弦夯亓鞅脛t是根據(jù)污水提升泵的工作情況自動運行,當(dāng)污水提升泵運行時,混合液回流泵自動運行,設(shè)定時間結(jié)束后自動關(guān)閉。

　　沉淀池中,因污泥提升泵功率過高,采用PLC控制變頻器啟停,再由變頻器外接污泥提升泵,用戶在觸摸屏或計算機(jī)組態(tài)程序中可以設(shè)定運行時間,也可以直接通過設(shè)置變頻器工作狀態(tài)控制其運行,將污泥從沉淀池抽至污泥池。

　　污泥池中,配備兩臺用于排放污泥的提升泵,每次污泥池浮球得電時,兩臺提升泵切換工作,若一臺污泥提升泵運行10 min后浮球仍然得電,則將另一臺污泥提升泵一起打開,若兩臺污泥提升泵同時工作一定時間后仍然得電,則表明進(jìn)污泥量過大或者設(shè)備出現(xiàn)故障,系統(tǒng)發(fā)出報警提示,提醒用戶到現(xiàn)場排除故障,若無問題則取消報警。污泥提升泵浮球得電時,疊螺脫水機(jī)也同步運行。

　　接觸消毒池中,主要有臭氣引風(fēng)機(jī)、二氧化氯發(fā)生器、活性炭吸附塔以及相關(guān)加藥泵等設(shè)備。當(dāng)污泥提升泵工作時,打開污水消毒系統(tǒng),關(guān)閉時,延時關(guān)閉污水消毒系統(tǒng)。二氧化氯發(fā)生器在污水提升泵工作一定時間后啟動,當(dāng)污水提升泵關(guān)閉時,二氧化氯發(fā)生器也同步關(guān)閉。

　　事故池提升泵則在池中浮球得電且調(diào)節(jié)池中低浮球不得電時打開,當(dāng)高浮球得電或事故池浮球掉電時,關(guān)閉事故池提升泵。

　　吸附風(fēng)機(jī)也通過系統(tǒng)設(shè)置運行時間,將內(nèi)部異味氣體吸附進(jìn)管道,經(jīng)活性炭吸附塔后排出。系統(tǒng)還要對余氯濃度、水位高度以及水流量進(jìn)行監(jiān)測。

　　3.2 PLC軟件編程

　　PLC模塊由CPU主機(jī)為SR20的PLC、一個16路輸出的數(shù)字量輸出模塊EM QT16、一個4路輸入的模擬量輸入模塊EM AE04組成。在創(chuàng)建工程后,需要對PLC信息進(jìn)行配置,在最左側(cè)的工具列表里選中系統(tǒng)塊開始配置系統(tǒng)信息,包括CPU的選擇、數(shù)字量輸出、模擬量輸入輸出模塊等,最后對以太網(wǎng)端口進(jìn)行配對。系統(tǒng)如圖2所示。

　　因為本系統(tǒng)較大,若采用單一程序設(shè)計難度較大,所以采用模塊化編程方式,將整個系統(tǒng)根據(jù)功能不同分割成不同的模塊,每個模塊做成子程序。每個子程序均可由主程序控制,這樣操作利于整個程序的控制、修改以及維護(hù)。

　　主程序直接控制各功能模塊,急停按鈕通過I0.0接入,各設(shè)備正常工作,當(dāng)拍下急停按鈕時,系統(tǒng)掉電,所有程序塊停止工作,進(jìn)而達(dá)到設(shè)備急停的目的。

　　需要設(shè)計的程序塊包括“時鐘子程序”“定時啟動子程序”“數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序”“自動子程序”以及“變頻器子程序”。

　　“時鐘子程序”用于系統(tǒng)時間的讀取。在整個系統(tǒng)中,部分污水處理設(shè)備需要在某個固定的時間啟動或停止,這時就要對PLC的時鐘進(jìn)行設(shè)置,讓其與計算機(jī)進(jìn)行通信,從而讀取計算機(jī)中的時間。

　　“定時啟動子程序”用于設(shè)備的定時啟動和關(guān)閉,當(dāng)設(shè)置的時間到達(dá)時,系統(tǒng)自動開啟設(shè)備,運行一段時間后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時間自動關(guān)閉設(shè)備,機(jī)械格柵、沉淀池中污泥提升泵、吸附風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備都是通過定時啟動子模塊進(jìn)行設(shè)置的。

　　“數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序”用于進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換,因為觸摸屏、計算機(jī)組態(tài)王等組態(tài)設(shè)備輸入時間只能顯示到分鐘,而PLC中的定時器無法直接計算分鐘,故而需要對其進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換,將組態(tài)設(shè)備輸入的時間數(shù)值進(jìn)行放大后變成PLC可識別的數(shù)據(jù)。

　　“自動子程序”則是根據(jù)系統(tǒng)中的各外部信號進(jìn)行自動控制,包括污水泵、潛水?dāng)嚢铏C(jī)、污泥提升泵、疊螺脫水機(jī)等設(shè)備都是根據(jù)浮球以及其他設(shè)備的運行情況進(jìn)行自動控制。

　　“變頻器子程序”則是用于PLC與變頻器之間的通信程序,它們之間采用Modbus RTU通信協(xié)議。初始設(shè)置時,需要給其定義3個位地址作為變頻器的啟動、停止、頻率設(shè)置選項,再進(jìn)行程序的編寫。

　　3.3觸摸屏組態(tài)設(shè)計

　　觸摸屏采用集成化的顯控觸摸屏,它自帶組態(tài)開發(fā)軟件,方便用戶直接進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計完后可以通過網(wǎng)絡(luò)或USB接口直接將項目下載到觸摸屏內(nèi)部。根據(jù)實際運行需求,需要對觸摸屏進(jìn)行頁面設(shè)置,分別設(shè)計進(jìn)入頁面、主頁面、參數(shù)頁面、警報頁面以及高高壓電源的效率。

　　變頻控制頁面。設(shè)計完所有頁面,保存后可以進(jìn)行離線模擬,測試部分設(shè)備、畫面按鈕的功能。

　　3.4組態(tài)王軟件設(shè)計

　　計算機(jī)端組態(tài)王軟件設(shè)計即上位機(jī)程序的設(shè)計,通過該設(shè)計,用戶不用出現(xiàn)在污水處理現(xiàn)場,在監(jiān)控室就可以通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。特別需要注意的是,在新建工程后需要對地址進(jìn)行設(shè)置,該地址必須和PLC中的地址一致。在完成端口設(shè)置及數(shù)據(jù)詞典設(shè)置后,即可進(jìn)行頁面設(shè)置,設(shè)置頁面與觸摸屏中的一致,包括進(jìn)入頁面、主頁面、參數(shù)頁面、警報頁面以及變頻控制頁面。

　　4調(diào)試及總結(jié)

　　硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)搭建好后,需要先對每個子系統(tǒng)進(jìn)行測試,整個系統(tǒng)需整合后進(jìn)行聯(lián)調(diào),從而驗證其能否高效、平穩(wěn)、安全地運行。分別測試各設(shè)備通過觸摸屏和組態(tài)王軟件設(shè)置時間后的定時啟動、停止功能,均能正常啟停,污水泵、污泥提升泵等設(shè)備也都能根據(jù)浮球情況正常運行,變頻器運行正

　　常,設(shè)備也能根據(jù)實際情況實現(xiàn)報警功能,各模塊軟硬件均符合預(yù)期設(shè)計要求,達(dá)到了控制效果。

　　自動化系統(tǒng)的設(shè)計運行為污水處理廠的運營帶來了極大的方便,用戶不需要一天24 h都在設(shè)備房中,在監(jiān)控室等場所就能掌握污水處理站運行狀況,既提高了監(jiān)控效率,同時也大大降低了生產(chǎn)成本。