基于S7-300PLC的城市污水处理工艺流程控制系统设计

引言

对CAST污水处理工艺的研究，以可编程控制器为控制主体，以计算机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化平台，实现了污水处理生产现场与计算机控制系统的集成，建立一套完整的城市污水处理系统。

本文的主要内容是在对污水处理工艺分析基础上，开发西门子S7-300的城市污水处理控制系统，完成STEP7编程和人机界面地开发，并进行模拟仿真和现场调试。

控制系统的结构

根据全集成自动化 (Totally Integrated Automation)的思想，将污水厂控制系统分为管理级、控制级和现场级。

该系统中主要工艺设备采用三种控制模式，即就地设备控制箱手动控制、自动控制和远程PLC控制。现场的泵类和设备开启、关闭等开关信号、曝气池的溶解氧和PH等模拟信号，全部经过PLC在上位机上显示。现场各监控点的物理参数，均通过 Profibus总线与PLC主站相连，PLC通过Profibus总线采样各个模拟量、数字量信号；控制信号同样由PLC输出，以 Profibus总线送到各控制站控制从站通过各种模块来控制执行机构的动作。

通常PLC上位机与下位机有三种连接方式：MPI通信、MPI卡和以太网卡通信。当系统只有一个PLC站点时，采用MPI通信，构造简单、成本较低，缺点是为半双工通信。当系统有多个PLC站点时，可采用MPI卡，在上位机上安装MPI网卡，下位机安装通信模块；也可采用工业以太网，也需要在上位机上安装以太网卡，下位机安装通信模块。在本系统中只有一个PLC站点，综合考虑采用MPI通信。所搭建的控制系统结构如图1所示。

图1 控制系统框架图

控制系统硬件设计

硬件配置

根据系统工艺控制点数的要求和PLC的基本概述，西门子S7-300 PLC总体配置如下：

• 电源模块PS307 5A

• 中央处理模块(CPU)选用CPU315-2DP

• 数字量输入模块（DI）选用SM321(DI16XDC24V)，共16块（16点/块），处理16点输入信号。

• 数字量输出模块（DO）选用SM322(DO16XDC24V/ 0.5A)，共7块（16点/块），处理16点输出信号。

• 模拟量输入模块（AI）选用SM331(AI8X12bit)，共5块（8点/块），处理8点输入信号。

• 模拟量输出模块（AO）无模拟量输入信号，因此不选择AO模块

按照上面PLC硬件配置搭接控制系统，图2为PLC硬件。



图2 PLC硬件

控制系统软件设计

STEP7 V5.2编程软件

STEP7编程软件用于SIMATIC S7 M7 C7和基于PC的WINAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。为了在个人计算机上使用STEP7，应配置MPI通信卡或PC/MPI通信适配器，将计算机连接到MPI网络来下载和上载PLC的用户程序和组态数据。STEP7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

PLC程序块有1个OB块、9个FC块，分别是FC2块（格栅机、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池的阀和泵运行和故障状态）、FC3块（格栅机、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池的阀的开关和泵的启停）、FC4块和FC11块(流量计、液位差、在线PH仪、在线温度计、在线DO仪、在线硝氨仪、污泥浓度计、余氯测定仪、电极压力表量程转换)、FC5块(格栅机、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池运行周期计数器清零、复位、数值转换)、FC6块(栅机、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池低液位判断)、FC7块(CAST池运行周期、进水时间、滗水时间、沉淀时间、曝气时间、回流泵运行时间、剩余污泥泵运行时间、曝气生物滤池反冲总时间、降水位时间、气反冲时间和水反冲时间)、FC9块(栅机、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池高液位判断)、FC105块（模拟量输入转换模块）。PLC程序块如图3所示。


图3 PLC程序块

力控6.0监控组态软件设计

力控6.0对历史数据库、人机界面、I/O驱动调度等主要核心部分进行了大幅提升与改进，重新设计了其中的核心构件，力控6.0面向NET开发技术，开发过程采用了先进软件工程方法 ——“测试驱动开发”，产品品质将得到充分保证。

通过分析该污水处理工艺流程可知，上位机人机界面应包括以下内容：登陆界面、用户管理界面、工艺流程总界面、格栅机和调节池界面、CAST池A界面、CAST池B界面、CAST池C界面、CAST池D界面、中间水池界面、生物曝气滤池界面、回用水池界面、参数设置界面、帮助说明界面、历史报表界面、历史趋势界面。

在本次设计中共设计了13个界面，将整个污水处理中的格栅井、调节池、CAST池、中间水池、生物曝气池、回用水池全部表达出来。

软件的运行与调试

系统搭建完成后，在STEP7和人机界面里分别仿真。

STEP7的模拟仿真

打开STEP7软件，将所有程序下载到仿真程序中，如图4、5、6、7所示。


图4 格栅机的自动运行


图5 格栅机梯形图的运行


图6 调节池提升泵A的启动


图7 调节池提升泵A的梯形图启动

人机界面的模拟仿真

运行工程，打开污水处理的人机界面，进入登陆界面后登陆系统，按照污水处理工艺要求，开启CAST池A/B/C/D的自动按钮，按下开启按钮，系统按照CAST污水处理工艺要求自动运行，人机界面主画面运行画面如图8所示。

图8中，CAST池A进入曝气阶段，CAST池A进气电动阀打开。CAST池B正处于进水阶段，此时调节池中提升泵B打开给CAST池B供水，人机界面CAST池A运行画面如图9所示。

图9中，CAST池A处于进水阶段，可观察到此时运行周期时间为22，副区搅拌机、主区搅拌机A/B、回流泵均处于运行状态。


图8 人机界面主画面运行画面


图9 人机界面CAST池A运行画面

总结

在这次设计中，通过理论的学习和现场的实践，对所做的课题基于S7–300PLC的城市污水处理工艺流程控制系统设计有了一个比较全面且清晰的认识。了解了如何运用STEP7编程软件、建立系统人机界面，怎样连接上下位机，现场接线等，通过这次的课题设计，使我们熟悉了已有知识和了解专业的前沿动态，为以后的工作奠定坚实基础。