基于S7-300PLC的城市污水處理工藝流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

對(duì)CAST污水處理工藝的研究，以可編程控制器為控制主體，以計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)編程、組態(tài)、維護(hù)、監(jiān)控和管理的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了污水處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的集成，建立一套完整的城市污水處理系統(tǒng)。

本文的主要內(nèi)容是在對(duì)污水處理工藝分析基礎(chǔ)上，開發(fā)西門子S7-300的城市污水處理控制系統(tǒng)，完成STEP7編程和人機(jī)界面地開發(fā)，并進(jìn)行模擬仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)全集成自動(dòng)化 (Totally Integrated Automation)的思想，將污水廠控制系統(tǒng)分為管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。

該系統(tǒng)中主要工藝設(shè)備采用三種控制模式，即就地設(shè)備控制箱手動(dòng)控制、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程PLC控制?，F(xiàn)場(chǎng)的泵類和設(shè)備開啟、關(guān)閉等開關(guān)信號(hào)、曝氣池的溶解氧和PH等模擬信號(hào)，全部經(jīng)過(guò)PLC在上位機(jī)上顯示?，F(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)控點(diǎn)的物理參數(shù)，均通過(guò) Profibus總線與PLC主站相連，PLC通過(guò)Profibus總線采樣各個(gè)模擬量、數(shù)字量信號(hào)；控制信號(hào)同樣由PLC輸出，以 Profibus總線送到各控制站控制從站通過(guò)各種模塊來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

通常PLC上位機(jī)與下位機(jī)有三種連接方式：MPI通信、MPI卡和以太網(wǎng)卡通信。當(dāng)系統(tǒng)只有一個(gè)PLC站點(diǎn)時(shí)，采用MPI通信，構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是為半雙工通信。當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)PLC站點(diǎn)時(shí)，可采用MPI卡，在上位機(jī)上安裝MPI網(wǎng)卡，下位機(jī)安裝通信模塊；也可采用工業(yè)以太網(wǎng)，也需要在上位機(jī)上安裝以太網(wǎng)卡，下位機(jī)安裝通信模塊。在本系統(tǒng)中只有一個(gè)PLC站點(diǎn)，綜合考慮采用MPI通信。所搭建的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架圖

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件配置

根據(jù)系統(tǒng)工藝控制點(diǎn)數(shù)的要求和PLC的基本概述，西門子S7-300 PLC總體配置如下：

• 電源模塊PS307 5A

• 中央處理模塊(CPU)選用CPU315-2DP

• 數(shù)字量輸入模塊（DI）選用SM321(DI16XDC24V)，共16塊（16點(diǎn)/塊），處理16點(diǎn)輸入信號(hào)。

• 數(shù)字量輸出模塊（DO）選用SM322(DO16XDC24V/ 0.5A)，共7塊（16點(diǎn)/塊），處理16點(diǎn)輸出信號(hào)。

• 模擬量輸入模塊（AI）選用SM331(AI8X12bit)，共5塊（8點(diǎn)/塊），處理8點(diǎn)輸入信號(hào)。

• 模擬量輸出模塊（AO）無(wú)模擬量輸入信號(hào)，因此不選擇AO模塊

按照上面PLC硬件配置搭接控制系統(tǒng)，圖2為PLC硬件。



圖2 PLC硬件

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STEP7 V5.2編程軟件

STEP7編程軟件用于SIMATIC S7 M7 C7和基于PC的WINAC，是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。為了在個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用STEP7，應(yīng)配置MPI通信卡或PC/MPI通信適配器，將計(jì)算機(jī)連接到MPI網(wǎng)絡(luò)來(lái)下載和上載PLC的用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。

PLC程序塊有1個(gè)OB塊、9個(gè)FC塊，分別是FC2塊（格柵機(jī)、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池的閥和泵運(yùn)行和故障狀態(tài)）、FC3塊（格柵機(jī)、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池的閥的開關(guān)和泵的啟停）、FC4塊和FC11塊(流量計(jì)、液位差、在線PH儀、在線溫度計(jì)、在線DO儀、在線硝氨儀、污泥濃度計(jì)、余氯測(cè)定儀、電極壓力表量程轉(zhuǎn)換)、FC5塊(格柵機(jī)、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池運(yùn)行周期計(jì)數(shù)器清零、復(fù)位、數(shù)值轉(zhuǎn)換)、FC6塊(柵機(jī)、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池低液位判斷)、FC7塊(CAST池運(yùn)行周期、進(jìn)水時(shí)間、潷水時(shí)間、沉淀時(shí)間、曝氣時(shí)間、回流泵運(yùn)行時(shí)間、剩余污泥泵運(yùn)行時(shí)間、曝氣生物濾池反沖總時(shí)間、降水位時(shí)間、氣反沖時(shí)間和水反沖時(shí)間)、FC9塊(柵機(jī)、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池高液位判斷)、FC105塊（模擬量輸入轉(zhuǎn)換模塊）。PLC程序塊如圖3所示。


圖3 PLC程序塊

力控6.0監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

力控6.0對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)界面、I/O驅(qū)動(dòng)調(diào)度等主要核心部分進(jìn)行了大幅提升與改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了其中的核心構(gòu)件，力控6.0面向NET開發(fā)技術(shù)，開發(fā)過(guò)程采用了先進(jìn)軟件工程方法 ——“測(cè)試驅(qū)動(dòng)開發(fā)”，產(chǎn)品品質(zhì)將得到充分保證。

通過(guò)分析該污水處理工藝流程可知，上位機(jī)人機(jī)界面應(yīng)包括以下內(nèi)容：登陸界面、用戶管理界面、工藝流程總界面、格柵機(jī)和調(diào)節(jié)池界面、CAST池A界面、CAST池B界面、CAST池C界面、CAST池D界面、中間水池界面、生物曝氣濾池界面、回用水池界面、參數(shù)設(shè)置界面、幫助說(shuō)明界面、歷史報(bào)表界面、歷史趨勢(shì)界面。

在本次設(shè)計(jì)中共設(shè)計(jì)了13個(gè)界面，將整個(gè)污水處理中的格柵井、調(diào)節(jié)池、CAST池、中間水池、生物曝氣池、回用水池全部表達(dá)出來(lái)。

軟件的運(yùn)行與調(diào)試

系統(tǒng)搭建完成后，在STEP7和人機(jī)界面里分別仿真。

STEP7的模擬仿真

打開STEP7軟件，將所有程序下載到仿真程序中，如圖4、5、6、7所示。


圖4 格柵機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行


圖5 格柵機(jī)梯形圖的運(yùn)行


圖6 調(diào)節(jié)池提升泵A的啟動(dòng)


圖7 調(diào)節(jié)池提升泵A的梯形圖啟動(dòng)

人機(jī)界面的模擬仿真

運(yùn)行工程，打開污水處理的人機(jī)界面，進(jìn)入登陸界面后登陸系統(tǒng)，按照污水處理工藝要求，開啟CAST池A/B/C/D的自動(dòng)按鈕，按下開啟按鈕，系統(tǒng)按照CAST污水處理工藝要求自動(dòng)運(yùn)行，人機(jī)界面主畫面運(yùn)行畫面如圖8所示。

圖8中，CAST池A進(jìn)入曝氣階段，CAST池A進(jìn)氣電動(dòng)閥打開。CAST池B正處于進(jìn)水階段，此時(shí)調(diào)節(jié)池中提升泵B打開給CAST池B供水，人機(jī)界面CAST池A運(yùn)行畫面如圖9所示。

圖9中，CAST池A處于進(jìn)水階段，可觀察到此時(shí)運(yùn)行周期時(shí)間為22，副區(qū)攪拌機(jī)、主區(qū)攪拌機(jī)A/B、回流泵均處于運(yùn)行狀態(tài)。


圖8 人機(jī)界面主畫面運(yùn)行畫面


圖9 人機(jī)界面CAST池A運(yùn)行畫面

總結(jié)

在這次設(shè)計(jì)中，通過(guò)理論的學(xué)習(xí)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐，對(duì)所做的課題基于S7–300PLC的城市污水處理工藝流程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一個(gè)比較全面且清晰的認(rèn)識(shí)。了解了如何運(yùn)用STEP7編程軟件、建立系統(tǒng)人機(jī)界面，怎樣連接上下位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)接線等，通過(guò)這次的課題設(shè)計(jì)，使我們熟悉了已有知識(shí)和了解專業(yè)的前沿動(dòng)態(tài)，為以后的工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。