引言
隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,我國境內一半以上的河流都受到了較為嚴重的污染,而城市化則加快了這一進程。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)設計,就必須對控制器進行重新設計,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)濟性以及靈活性[2-3],因而現(xiàn)在被廣泛應用于自動化控制系統(tǒng)中。
1系統(tǒng)總體設計目標
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、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,它與計算機設定的控制程序確定了系統(tǒng)運行的相關程序、工藝標準等,同時可以根據(jù)實際需求,自動或手動控制相關設備運行。現(xiàn)場的相關設備在運行過程中,將數(shù)據(jù)實時反饋到可編程控制器、相關計算機設備中進行顯示及控制。
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)場設備的控制,包括開啟格柵機,實現(xiàn)對污水中垃圾的攔截;調節(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,從而降低調節(jié)池中水位高度,確保水位運行在安全線內。污泥池污泥提升泵、事故池提升泵等也是通過采集相關浮球信息,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備的運行。其他設備如吸附風機、鼓風機、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)場各設備運行參數(shù)信息,當設備出現(xiàn)故障報警時,能實現(xiàn)遠程報警并在各程序上記錄報警信息,包括設備信息、故障或警報時間等,從而保障設備的正常運轉。
2硬件設備
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)線讓計算機與PLC連接,方便用戶下載調試程序,同時,通過網(wǎng)線它還能夠快速和其他HMI、計算機等進行通信,且它集成了部分庫文件,在編程過程中可以直接調用。在電控柜表面嵌入觸摸屏顯示相關參數(shù)信息并控制設備,用戶只需點擊屏幕上的文字或圖標就能進行操作,這是一種非常方便的人機交互模式。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,因需帶動大型電機設備,所以要配備變頻器,變頻器可根據(jù)實際工作設備、工作環(huán)境進行設置,能夠降低電機功耗,還能對電機進行調速,可以設置電機的軟啟動及軟停止,也就是在啟動與停止時,頻率、電流、電壓平穩(wěn)變化,電機不至于直接承受大電流的直接沖擊,這將大大降低電機等設備的維修維護成本。主要材料清單如表1所示,系統(tǒng)整體構架如圖1所示。
3程序設計
軟件系統(tǒng)是整個PLC系統(tǒng)設計的核心,它與觸摸屏軟件、計算機組態(tài)系統(tǒng)聯(lián)動,共同監(jiān)控各種設備的運行。根據(jù)實際需求,整個系統(tǒng)中,需要控制的設備包括機械格柵、污水提升泵、潛水攪拌機、鼓風機、混合液回流泵、污泥提升泵、疊螺脫水機、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各設備的工作模式
在格柵井中配備機械格柵,對污水中的雜物進行過濾,防止垃圾堵塞水泵,用戶可以通過觸摸屏、計算機組態(tài)端設定機械格柵的自動啟動和關閉時間。
調節(jié)池內設兩個污水提升泵,通過內部兩個浮球的得失電來控制污水提升泵的工作,為了保護設備,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定時間后,高浮球仍然是得電狀態(tài),則表明進水量過大或設備出現(xiàn)故障,此時系統(tǒng)進行報警提示,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攪拌機,它們與污泥池中污泥提升泵聯(lián)動工作,當污泥提升泵運行時,對應的潛水攪拌機也工作,直至系統(tǒng)設定時間結束后自動關閉。
接觸氧化池包含鼓風機和混合液回流泵。池中配鼓風機兩臺,該設備需長期運行,運行時,一臺鼓風機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,防止設備因持續(xù)工作導致故障?；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,當污水提升泵運行時,混合液回流泵自動運行,設定時間結束后自動關閉。
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組態(tài)程序中可以設定運行時間,也可以直接通過設置變頻器工作狀態(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,則表明進污泥量過大或者設備出現(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,疊螺脫水機也同步運行。
接觸消毒池中,主要有臭氣引風機、二氧化氯發(fā)生器、活性炭吸附塔以及相關加藥泵等設備。當污泥提升泵工作時,打開污水消毒系統(tǒng),關閉時,延時關閉污水消毒系統(tǒng)。二氧化氯發(fā)生器在污水提升泵工作一定時間后啟動,當污水提升泵關閉時,二氧化氯發(fā)生器也同步關閉。
事故池提升泵則在池中浮球得電且調節(jié)池中低浮球不得電時打開,當高浮球得電或事故池浮球掉電時,關閉事故池提升泵。
吸附風機也通過系統(tǒng)設置運行時間,將內部異味氣體吸附進管道,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行監(jiān)測。
3.2 PLC軟件編程
PLC模塊由CPU主機為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信息進行配置,在最左側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。
主程序直接控制各功能模塊,急停按鈕通過I0.0接入,各設備正常工作,當拍下急停按鈕時,系統(tǒng)掉電,所有程序塊停止工作,進而達到設備急停的目的。
需要設計的程序塊包括“時鐘子程序”“定時啟動子程序”“數(shù)值轉換子程序”“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的時鐘進行設置,讓其與計算機進行通信,從而讀取計算機中的時間。
“定時啟動子程序”用于設備的定時啟動和關閉,當設置的時間到達時,系統(tǒng)自動開啟設備,運行一段時間后根據(jù)系統(tǒng)設定時間自動關閉設備,機械格柵、沉淀池中污泥提升泵、吸附風機、鼓風機等設備都是通過定時啟動子模塊進行設置的。
“數(shù)值轉換子程序”用于進行數(shù)值轉換,因為觸摸屏、計算機組態(tài)王等組態(tài)設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,故而需要對其進行數(shù)值轉換,將組態(tài)設備輸入的時間數(shù)值進行放大后變成PLC可識別的數(shù)據(jù)。
“自動子程序”則是根據(jù)系統(tǒng)中的各外部信號進行自動控制,包括污水泵、潛水攪拌機、污泥提升泵、疊螺脫水機等設備都是根據(jù)浮球以及其他設備的運行情況進行自動控制。
“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、頻率設置選項,再進行程序的編寫。
3.3觸摸屏組態(tài)設計
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,方便用戶直接進行設計,設計完后可以通過網(wǎng)絡或USB接口直接將項目下載到觸摸屏內部。根據(jù)實際運行需求,需要對觸摸屏進行頁面設置,分別設計進入頁面、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。設計完所有頁面,保存后可以進行離線模擬,測試部分設備、畫面按鈕的功能。
3.4組態(tài)王軟件設計
計算機端組態(tài)王軟件設計即上位機程序的設計,通過該設計,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行設置,該地址必須和PLC中的地址一致。在完成端口設置及數(shù)據(jù)詞典設置后,即可進行頁面設置,設置頁面與觸摸屏中的一致,包括進入頁面、主頁面、參數(shù)頁面、警報頁面以及變頻控制頁面。
4調試及總結
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)進行測試,整個系統(tǒng)需整合后進行聯(lián)調,從而驗證其能否高效、平穩(wěn)、安全地運行。分別測試各設備通過觸摸屏和組態(tài)王軟件設置時間后的定時啟動、停止功能,均能正常啟停,污水泵、污泥提升泵等設備也都能根據(jù)浮球情況正常運行,變頻器運行正
常,設備也能根據(jù)實際情況實現(xiàn)報警功能,各模塊軟硬件均符合預期設計要求,達到了控制效果。
自動化系統(tǒng)的設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。
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