自动化控制系统应用研究

梁斌伦

摘 要 本文介绍了西门子SIMATIC S7-300 PLC控制系统在六安市东城区污水处理厂自动化控制系统的构成，以及STEP7 5.5编程软件和SIMATIC WinCC V6.2 SP2监控软件的应用。

关键词 污水处理厂；SIMATIC S7-300 ；ET200远程I/O； A2/O生物反应池；人机界面

前言

2013年，我公司承担了六安市东城区污水处理厂自动化控制系统工程的调试工作。本工程要求系统自动化程度高，操作性强，可靠性高，同时要求能降低劳动生产率低、提高产量，降低企业生产成本。

1 工艺系统组成（见图1）

污水处理工艺为：强化一级处理工艺+脱氮除磷二级处理工艺+深度处理。污泥处理工艺为：浓缩+脱水。

2 系统配置

2.1 系统应用软件配置

监控软件采用基于中文WindowsXP软件平台的德国SIMATIC公司WinCC V6.2 SP2监控软件包、编程软件采用西门子公司的STEP7 5.5

2.2 系统硬件配置

六安市东城区污水处理厂自动化控制系统包括电气仪表两部分自动控制项目，直接面向生产工序，完成整个生产过程电控部分的顺序控制、相互联锁和准确定位以及仪控部分的数据采集及调节控制，操作人员通过MMI可以进行人机对话，设定及修改过程参数，改变设备的运行状态，监视整个生产过程，并对生产中出现的异常情况进行实时报警和记录，保证在过程系统未投入或离线的情况下生产的正常进行。

六安市东城区污水处理厂自动化控制系统采用电仪一体化的可编程序控制器PLC进行控制。污水处理厂设置2套PLC和2套HMI操作站。操作站及PLC采用工业以太网通讯，PLC主站与分站间采用PROFIBUS-DP总线通讯，分站为分布式ET200远程I/O。PLC、HMI之间将通过以太网相连，该网同时与二级计算机（预留）相连接口。PLC与变频器传动装置之间将采用硬接线相连。

PLC采用西门子公司的S7-300系列产品， MMI硬件选用的2台防尘式研华工业型计算机（处理器Intel Core2 Duo 2.2.8G，250G硬盘，2G内存，21寸液晶显示器），配备HP激光打印机一台（最大纸幅：A3）。监控软件采用基于中文WindowsXP软件平台的德国SIMATIC公司WinCC V6.2 SP2监控软件包。

数字量输入/输出选用24VDC模块；模拟量输入/输出选用4～20mA信号模块；PLC输出通过继电器隔离；数字量输出设熔断器保护；I/O模块单独设置电源开关；模拟量信号通过隔离器隔离。PLC输入/输出的备用量不小于总量的10%。

六安市东城区污水处理厂自动化控制系统硬件配置：（见图2）

2.3 需要注意的问题

（1）ET 200分布式I/O设备和SIMATIC S7-300必須安装在机柜或金属外壳中。最小的保护等级是IP 54。环境温度范围0～60°C。

（2）为防止干扰，应采取的干扰抑制措施有：在导轨中需要使用保护性导线；将S7-300控制器安装在接地的机柜中和控制箱中；在供电线路中使用滤波器。

（3）现场DP总线电缆敷设时应全程穿钢管，钢管连接处可靠接地。

（4）PLC系统应单独接地，接地电阻应≤4Ω。所有PLC柜之间接地铜排就近和其他PLC柜串行连接。如果要将PLC系统连接到公共网络，接地电阻应≤1Ω。

3 系统软件编程

STEP 7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，用于SIMATIC S7-200上的简化版单机、SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-00/M7-00以及SIMATIC C7上PLC系统程序，具有更广泛的功能。STEP7 5.5编程软件提供了多种编程语言，适用于多方面、多层次的编程人员，易学、易懂、好用，系统有丰富的功能块用户可直接调用。基于西门子在自动化软件领域的丰富经验而开发，综合了现有其他软件各自的优点及长处，同时也提供了许多新的功能，以加速应用程序的开发。具有标准化、可重用性等特点，可提高应用的质量。完全开放的架构，更利于数据交换和定制。

污水处理厂控制系统以顺序控制和过程控制为主。顺序控制集中在进水泵房、粗格栅、细格栅、沉砂池、鼓风机房、生物池、配水井、二沉池、混凝沉淀池、V型滤池系统，因此设备之间的顺序启动/停止以及连锁关系也比较多且很重要。过程控制主要是泵池水位自动跟踪闭环控制、污泥浓度二元流量参数的双闭环比值控制和溶解氧基于模糊自整定PID算法控制，主要参数有液位（LI）、污泥浓度（MLSS）、溶解氧（DO）。

3.1 水泵自动轮换及备用泵自动投入

通过大量研究考察资料及检测数据，确定该地区的不同季节昼夜进水量趋势，以及水质情况表。根据该表编写在不同季节里投运泵的数量（自动比较各台泵的总运行时间，自动轮换、切换、投运），和自动调节泵运行频率，当某台泵出现故障时，能够自动投入运行备用泵，从而保证处理厂的连续运行，提高泵使用寿命、节约能源及降低运营成本等，带来非常大的经济效益和社会效益。

3.2 提升泵池水位的自动跟踪闭环控制

针对提升泵池液位的控制对象，以超声波液位测量系统为反馈值，构成误差的比例积分作用，从而修正变频器的频率给定，进行泵的调速控制，改变出水量，完成液位闭环控制，达到液位的稳定。

水泵自动轮换及备用泵自动投入和提升泵池水位控制的主要参数：（见图3）

4 监控画面设计

操作系统采用Windows XP，监控软件采用功能强大的WinCC V6.2 SP2，画面通过以太网与控制站通信。用户可在操作站方便地获得实时过程信息，进行交互操作，并做出快而有效的决策。六安市东城区污水处理厂监控画面主要由如下几部分组成：主菜单及工艺流程画面、进水泵房、粗细格栅子系统画面、水解酸化池、生物池子系统画面、鼓风机房、加药间子系统画面、二沉池、混凝沉淀池子系统画面、V型滤池、反冲洗泵房子系统画面、脱水机房子系统、实时/历史趋势画面、报警画面等，画面能显示各设备操作方式、运行状态、故障信号及模拟量数值和各种历史数据。主画面中相应设备可弹出小操作画面，完成设备手/自动操作。画面编制遵循简单明了原则。

5 控制系统方式

控制系统设计有机旁电气联锁控制和远程计算机集中控制两种方式。机旁控制是现场设备旁装设有按钮和信号灯等设备的就地操作箱，可以就地启停设备。计算机控制通过软件编程，由装设在变电所控制室的PLC控制器读写I/O启停设备，并通过中控室计算机画面实现集中监视和操作管理。综合楼中控室内设有两台PC操作员站，在过程控制画面上可以实现全厂设备的集中监控，实现其功能的画面主要有工艺流程、设备状态、参数设置、报警、趋势、操作面板等组成

6 结束语

西门子S7-300PLC和远程I/O（ET200）是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

该系统采用S7-300PLC系列主控制器和ET200远程I/O输入输出模块，大大降低了投资成本。自投入以来故障率较低，运行稳定、可靠，使六安市东城区污水处理厂迅速达产，稳产。相信S7-300系列PLC和ET200远程I/O模块在工控领域会得到更为广泛的使用。