《控制與傳動》2012年第2期 供稿
1引言
本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案、各個分布式控制站的設(shè)計、上位監(jiān)控畫面的制作以及重難點控制策略的研究。文中著重講述了PLC、軟啟動器與變頻、PID等技術(shù)在污水處理中的典型應(yīng)用。在該污水處理中，為了達到控制溶解氧（DO）含量、配水井液位等在一定得范圍內(nèi)的目的，我們采用PID控制、變頻調(diào)速等技術(shù)來實現(xiàn)對風機和水泵的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。同時根據(jù)液位不同對使用設(shè)備的臺數(shù)進行控制。為了解決污水處理中大功率設(shè)備啟動所帶來的問題，該系統(tǒng)采用了軟啟動器拖動電動機。同時為了解決設(shè)備長期運行帶來的問題，采用輪換使用幾臺泵或風機。本文以實際系統(tǒng)為例，介紹污水處理廠自動控制的方法與策略，具有一定實踐指導(dǎo)意義。
2污水處理工藝流程介紹
2.1污水處理的基本工藝方法
污水處理就是采用各種技術(shù)與手段，將污水中所含的污染物質(zhì)分離去除、回收利用，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，使水得到凈化。
現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按處理程度劃分，一般分為三級處理：
一級處理，又稱物理處理，主要是去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過一級處理后的污水，可去除50%左右的懸浮物，BOD一般只能去除30%左右，達不到排放標準。
二級處理，又稱生化處理，它是城市污水處理廠的核心，主要去除水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物。經(jīng)二級處理后，BOD的去除率可達90%以上，污水中BOD值可降至20-30mg/L，有機污染物達到國家規(guī)定的排放標準。
三級處理，又稱深度處理，其目的在于進一步去除二級處理未能去除的污染物質(zhì)，其中包括微生物未能降解的有機物和氮、磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機物質(zhì)。
生物法具有凈化能力強、費用低廉、運行可靠性好等優(yōu)點，是污水處理的主要方法，在污水處理領(lǐng)域中占有重要地位。我國現(xiàn)階段的城市污水處理以生物法為主，以物理法和化學法為輔。以生物法為主的處理工藝主要有活性污泥法、A/O法、A2/O法、SBR法、MSBR法、UNITANK法、氧化溝等，它們均具有同步降解BOD5和脫氮除磷的作用。
2.2本系統(tǒng)采用的工藝介紹
根據(jù)實際情況，并綜合考慮各種工藝的優(yōu)缺點，該污水處理廠采用A2/C氧化溝工藝。
2.2.1A2/C氧化溝工藝簡介
圖2.1A2/C氧化溝工藝流程圖
設(shè)置厭氧、缺氧段的Carrousel氧化溝(文中簡稱：A2/C氧化溝)具有生物脫氮除磷功能，是目前城市生活污水處理的主流工藝之一。它是在Carrousel2000氧化溝的基礎(chǔ)上增加前置的厭氧段形成的。在污水脫氮除磷的工藝設(shè)計中必須具備厭氧、缺氧、好氧3個基本條件，但是在實施過程中由于所需的處理構(gòu)筑物多、
污泥回流量大，從而造成投資大、能耗多、運行管理復(fù)雜。A2/C氧化溝將厭氧、缺氧、好氧三個過程集中在一個池內(nèi)完成，各部分用隔墻分開自成體系，但彼此又有聯(lián)系。該工藝充分利用污水在氧化溝內(nèi)循環(huán)流動的特性，把好氧區(qū)和缺氧區(qū)有機結(jié)合起來，實現(xiàn)無動力回流，節(jié)省了去除硝酸鹽氮所需混合液回流的能量消耗。
圖2.2A2/C氧化溝平面布置圖
該污水處理系統(tǒng)為兩個A2/C氧化溝并行運行。經(jīng)配水井分配后的污水進入氧化溝前段的厭氧池，與來自污泥泵房的回流污泥混合，在厭氧條件下，除磷菌可將儲存在菌體內(nèi)的聚磷分解，將磷酸鹽釋放到水中。厭氧池分為3格，每格都設(shè)有水下攪拌器以防止污泥沉淀。經(jīng)厭氧釋磷后的污水進入缺氧段進行反硝化脫氮，缺氧段設(shè)計成環(huán)流形式，強化脫氮效果，反硝化后的污水通過設(shè)置在一側(cè)的渠道進入氧化溝。氧化溝的充氧機械采用倒傘形曝氣機，可根據(jù)池內(nèi)DO測定值控制調(diào)節(jié)堰門出水、改變曝氣機轉(zhuǎn)速以達到調(diào)節(jié)溶解氧的目的。在氧化溝內(nèi)，污水進一步去除有機物并將NH3-N氧化成NO2和NO3。同時聚磷菌在好氧條件下過量攝取污水中的磷，強化出水水質(zhì)。而且在好氧段末設(shè)置內(nèi)回流渠，經(jīng)過好氧硝化的污水進入缺氧段，由于末端的溶解氧減少到最低程度，有效的防止缺氧池氧過量的問題，可以取得最好的反硝化效果。經(jīng)過處理后的污水經(jīng)過出水口進入二沉池進行沉淀處理。
2.2.2本系統(tǒng)工藝流程
桂陽縣污水處理廠包括污水處理和污泥處理兩個系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)包括進水井、粗格柵間、提升泵房、細格柵間、曝氣沉砂池、鼓風機房、氧化溝、二沉池、紫外線消毒渠、出水渠等，污泥處理系統(tǒng)包括污泥回流泵房、脫水機房等幾部分。
污水經(jīng)污水排放管進入進水井，由進水井流經(jīng)粗格柵，濾除大塊固體懸浮物后，再由提升泵將污水提升到細格柵，濾除細小的漂浮物和浮渣，然后經(jīng)計量渠流入曝氣沉砂池，進行砂水分離，去除水中密度較大的無機顆粒，以保護后續(xù)處理設(shè)備的正常運行。然后污水進入氧化溝，進行生化處理。經(jīng)生化處理后的污水進入二沉池進行污泥沉淀，經(jīng)過污泥沉淀后的污水經(jīng)紫外線消毒后到出水渠，最后排放。二沉池分離的一部分生物活性污泥回流到生化反應(yīng)池，另一部分剩余污
泥流經(jīng)污泥泵房進入污泥處理系統(tǒng)，剩余污泥進入污泥貯池，最后經(jīng)進污泥泵進入脫水機房進行脫水處理并外運。
圖2.3韶陽縣污水處理廠總體工藝流程圖
3控制系統(tǒng)方案設(shè)計
3.1設(shè)計原則
1.系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠。
2.操作簡單，維護方便
3.運行經(jīng)濟節(jié)能，維護費用低。
4.易于擴展
5.性能價格比高
3.2設(shè)計思想
本系統(tǒng)采用工控機+可編程序控制器（PLC）+現(xiàn)場儀表的控制方式。現(xiàn)場儀表將現(xiàn)場的信號采集并傳輸至PLC中，PLC作為主要的現(xiàn)場控制單元，工控機用于監(jiān)視和控制PLC及現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)。各個設(shè)備均能實現(xiàn)現(xiàn)地、遠程、遠程手動三種控制方式。
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
整個控制系統(tǒng)由中控室、PLC控制站、現(xiàn)場儀表及現(xiàn)場的控制柜構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示：
圖3.1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.4控制系統(tǒng)各部分功能
3.4.1現(xiàn)場電控柜
現(xiàn)場控制柜的主要作用是完成現(xiàn)場控制功能和與PLC連接。各個現(xiàn)場控制柜能夠完成手動控制設(shè)備啟停的功能，是典型的繼電器控制。現(xiàn)場控制相對于PLC自動控制和中央監(jiān)控室控制具有最高的優(yōu)先級。只有將選擇開關(guān)撥到遠程控制之后，PLC控制和中央監(jiān)控室的上位控制才起作用。所以在進行自動控制調(diào)試前，首先要完成對現(xiàn)場各控制柜的調(diào)試，在保證現(xiàn)場設(shè)備安全的前提下才能進行遠程控制。
3.4.2PLC控制站
該污水處理廠的自動化監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè)兩個PLC控制站。氧化溝單獨一個控制站，其余部分用一個控制站。PLC站的主要作用是采集現(xiàn)場的信號并控制設(shè)備的運行。現(xiàn)場的信號包括液位、流量、溫度等工藝信號和設(shè)備的運行狀態(tài)。當現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選擇到“遠程”時，操作人員不能使用現(xiàn)場控制柜上的啟停按鈕來控制設(shè)備的運行。這時，PLC會根據(jù)程序自動或者根據(jù)上位監(jiān)控系統(tǒng)給出的信號控制設(shè)備的運行。
3.4.3上位監(jiān)控系統(tǒng)
該污水處理廠的自動化監(jiān)控系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)包括一個工程師站和一個操作員站。工程師站既能完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等，又能完成對整個污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，報表及打印等功能；操作員站主要完成對整個污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等功能。在系統(tǒng)正常工作時，工程師站可兼作操作員站，方便了監(jiān)視與操作，并提高了系統(tǒng)的可靠性。污水處理的各個工段的工藝數(shù)據(jù)以及各個設(shè)備的運行狀態(tài)通過PLC采集并在上位機監(jiān)控畫面上顯示，操作人員可以查看全廠各個設(shè)備的運行情況。同時可以對報表存檔打印，顯示實時報警和歷史報警等，方便操作人員進行工藝分析和查找故障。當現(xiàn)場控制柜的模式選擇開關(guān)選到“自動”時，在上位機監(jiān)控畫面中可以選擇設(shè)備為“手動”運行狀態(tài)，然后手動控制設(shè)備的運行。
4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1PLC1站設(shè)計
PLC1站主要負責粗格柵、提升泵、細格柵、曝氣沉沙池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠程監(jiān)控。
4.1.1PLC1實現(xiàn)的功能
在粗格柵間共設(shè)有2個粗格柵，粗格柵的主要作用是去除污水中大塊漂浮物。粗格柵能夠根據(jù)PLC程序或上位機設(shè)定的時間實現(xiàn)輪流自動啟停。與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機負責將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎。在控制時，為確保設(shè)備安全，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機聯(lián)動，以防止螺旋壓榨機空轉(zhuǎn)。聯(lián)動順序為：螺旋壓榨機→粗格柵，關(guān)機順序相反。螺旋壓榨機在粗格柵停止之后再運行30-60s。螺旋壓榨機故障時，粗格柵停止運行。
提升泵房水泵主要用來將粗格柵間流出的污水提升到細格柵間。在提升泵房，需要測量和控制的是四臺提升泵的運行狀態(tài)以及它們的啟停。提升泵房有四臺提升泵，其中三臺軟啟動泵，一臺變頻調(diào)速泵，由變頻器來控制。
設(shè)置細格柵的目的，在于攔截污水中的大量細小的漂浮物。對于細格柵的控制，可通過現(xiàn)場控制柜實現(xiàn)手動控制，也可對細格柵進行遠程控制啟、停。細格柵的控制也要和輸送機實現(xiàn)聯(lián)動，以保證設(shè)備安全。其控制的方法與粗格柵相同。
沉砂池的作用是為了避免砂粒對處理工藝和設(shè)備帶來的不利影響。砂粒進入生化池內(nèi)會使污泥刮板過度磨損，縮短更換周期。沉砂池內(nèi)部有一臺橋式吸砂機、兩臺吸砂泵和一臺沙水分離器，其主要作用是將砂粒吸走，需要對其進行監(jiān)測和控制。吸砂機和吸砂泵的啟停，可由現(xiàn)場控制柜手動控制，也可以由中央控制室的上位機進行遠程控制。吸砂泵與砂水分離器聯(lián)動運行。聯(lián)動順序：沙水分離器→吸砂泵，關(guān)機順序相反。羅茨給曝氣池鼓風，羅茨風機由PLC根據(jù)時間控制啟停，自動輪換。
4.1.2控制柜設(shè)計
PLC1站采用CPU315-2DP。根據(jù)控制要求，PLC1共需數(shù)字量輸入150點，數(shù)字量輸出40點，模擬量輸入26路，模擬量輸出10路，另外預(yù)留20%的I/O點備用。PLC1站需要6塊32點DI，2塊32路DO，4塊8通道AI，2塊8通道AO。由于一個機架最多安裝8個信號模塊，因此需要設(shè)置一個擴展機架。在這里采用IM365近程擴展一個機架。
4.2PLC2站設(shè)計
PLC2站主要負責A2/C氧化溝處儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備的遠程監(jiān)控。由于厭氧池、缺氧池、氧化溝內(nèi)的需要采集的數(shù)據(jù)和控制的設(shè)備比較多，所以單獨設(shè)置一個PLC控制站。
4.2.1PLC2實現(xiàn)的功能
PLC2主要實現(xiàn)對氧化溝內(nèi)的曝氣機、閘門啟閉機、潛水推流器、電動調(diào)節(jié)堰門、內(nèi)回流旋轉(zhuǎn)門等設(shè)備進行控制。在這里對曝氣機的控制室通過變頻器實現(xiàn)的。在PLC內(nèi)部對溶解氧含量進行PID運算，輸出4-20mA到變頻器的模擬量控制端子，調(diào)節(jié)曝氣機轉(zhuǎn)速，從而達到控制溶解氧含量的目的。
4.2.2控制柜設(shè)計
在PLC站2也采用S7300PLC。PLC站2需要根據(jù)溶解氧的濃度通過PID運算來調(diào)節(jié)曝氣機轉(zhuǎn)速，同時需要控制潛水推流器等眾多設(shè)備，為了滿足要求采用浮點數(shù)運算速度較高的315-2DPCPU。根據(jù)控制要求，PLC2共需數(shù)字量輸入156點，數(shù)字量輸出38點，模擬量輸入20路，模擬量輸出12路，另外預(yù)留20%的I/O點備用。PLC1站需要6塊32點DI，2塊32點DO，4塊8通道AI，2塊8通道AO。由于一個機架最多安裝8個信號模塊，因此需要設(shè)置一個擴展機架。在這里采用IM365近程擴展一個機架。
5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
該污水處理廠自動化監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計包含PLC程序開發(fā)和上位監(jiān)控界面的開發(fā)。
5.1PLC編程
在該系統(tǒng)中我們通過在工控機上安裝STEP7編程軟件進行程序的編制和調(diào)試工作。并通過在PC機中插入CP5611板卡，連接PLC下載程序并監(jiān)視程序的運行及查找故障。
5.1.1編程軟件介紹
STEP7編程軟件用于西門子系列工控產(chǎn)品包括SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它們編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標準工具，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP7具有以下功能：硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等[7]。
5.1.2設(shè)計過程
首先，創(chuàng)建工程。STEP7安裝成功后，將在Windows桌面上出現(xiàn)SIMATICManager（SIMATIC管理器）圖標，雙擊該圖標后，進入STEP7的項目管理器。然后點擊“文件”>“新建”，選擇創(chuàng)建一個新項目，輸入sewerage作為新項目的名稱并選擇項目文件的存放位置，然后點擊OK。
然后，進行硬件組態(tài)。進入STEP7的項目管理器之后，在瀏覽窗口中右擊項目名稱，在快捷菜單中選擇“InsertNewObject”>“SIMATIC300Station”，并選擇“Rename”，給站1更名為“others”。同樣的插入第二個站“yanghuagou”。
下面我們以PLC1站為例看一下站內(nèi)硬件組態(tài)的過程。在SIMATICManager的瀏覽窗口中鼠標左鍵單擊站名“others”，在右邊的顯示窗口中會出現(xiàn)Hardware（硬件組態(tài)）圖標。雙擊該圖標進入硬件組態(tài)的界面，如圖5.1所示：
圖5.1硬件組態(tài)圖
在STEP7中，可以通過簡單的拖放操作來完成主機架的配置。在配置過程中，添加到主機架中的模塊的定貨號應(yīng)該與實際的硬件一致。在硬件目錄中選中一個模塊，目錄下方的窗口會顯示模塊的定貨號和對模塊的描述。插入主機架后，分別向機架中的1號插槽添加電源、2號插槽添加CPU。硬件目錄中的某些CPU型號有多種操作系統(tǒng)（Firmware）版本，在添加CPU時，CPU的型號和操作系統(tǒng)版本都要與實際的硬件一致。在這里我們電源選擇PS3075A，CPU選擇CPU315-2DP。在添加CPU時會出現(xiàn)對話框選擇CPU的站地址，在這里我們用選擇2。4—11號槽中可以添加信號模塊、功能模塊、通訊處理器等，上述模塊分別在硬件目錄的SM-300、FM-300和CP-300中。如圖我們添加了6個32點的數(shù)字量輸入模塊和2個32點的數(shù)字量輸出模塊。硬件組態(tài)的模塊的訂貨號以及位置必須與實際的硬件是一致的。
在主機架的3號插槽插入IM365用于本地擴展。插入另外一個機架，并在3號槽插入IM365。這時該擴展機架上的IM365會與主機架上的IM365自動連接。在擴展機架上插入4個8路的模擬量輸入模塊和2個8路的模擬量輸出模塊。在硬件組態(tài)窗口的下面有詳細信息窗口，其中顯示了相應(yīng)的模塊的地址。各模塊是自動編址的，我們也可以修改各個模塊的地址。方法是雙擊想要修改的模塊，在對話框中選擇Address標簽頁，然后輸入相應(yīng)的地址即可。
在配置過程中，STEP7可以自動檢查配置的正確性。當硬件目錄中的一個模塊被選中時，機架中允許插入該模塊的槽會變成綠色，而不允許該模塊插入的槽顏色無變化。將選中的模塊拖到不能插入該模塊的槽時，會提示不能插入的原因。硬件組態(tài)完成后，進行存盤并編譯。這時硬件組態(tài)的參數(shù)將會保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊（SDB）中。這時系統(tǒng)硬件組態(tài)完成了，可以將選擇的組態(tài)下載到PLC中。
完成硬件組態(tài)后，就可以進行程序的編制。西門子S7系列PLC采用的是“塊式程序結(jié)構(gòu)”，用“塊”的形式來管理用戶編寫的程序及程序運行所需要的數(shù)據(jù)，組成完整的PLC應(yīng)用程序系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)）。“塊”分為數(shù)據(jù)塊和邏輯塊，它們都存放在Blocks目錄下[8]。這些塊主要包括組織塊(OB)、數(shù)據(jù)塊(DB)、功能(FC)、功能塊(FB)和背景數(shù)據(jù)塊(DI)。我們選擇的程序語言是梯形圖(LAD)。
程序編制完成后需要對程序進行下載和調(diào)試。
5.1.3典型程序介紹
該程序段主要實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化以及傳感器故障報警。在污水處理過程中，需要實時的采集和顯示溫度、流量、液位等模擬量信號。該程序的目的就是將采集的信號轉(zhuǎn)化為原始的工程量進行顯示。由于在污水處理的現(xiàn)場存在信號干擾，所以將內(nèi)碼值在+200和-200之間的輸入視為干擾，不進行處理。然后將該內(nèi)碼值送給FC105處理。FC105SCALE功能是接收一個整型值(INT)，并將其轉(zhuǎn)換為以工程單位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之間的實型值。
該程序檢測溫度傳感器是否故障。當一個溫度模擬量對應(yīng)的整數(shù)值在-1000-2000范圍之外，我們視為傳感器故障。為了防止干擾引發(fā)的誤判斷，我們對故障時間進行計時。只有當時當該時間超過1000秒時，我們才對其進行報警處理。當時間未到，出現(xiàn)了正常信號時，需要對計時清零。
5.2上位組態(tài)畫面
本系統(tǒng)采用SIMATICWinCC組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行監(jiān)控。用戶登陸系統(tǒng)后看到主畫面顯示整個污水處理廠的工藝流程。通過主畫面上的幾個按鈕可以進入各個分畫面。分畫面包括工藝流程的各個部分以及報警、趨勢畫面。監(jiān)控畫面包括系統(tǒng)中的各個開關(guān)量和模擬量。監(jiān)控系統(tǒng)還可以完成實時報警顯示和報表打印。
5.2.1WinCC簡介
西門子公司的WinCC是WindowsControlCenter（視窗控制中心）的簡稱。它集成了SCADA、組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等先進技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化（TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進和無縫集成的特點。WinCC運行于個人計算機環(huán)境，可以于多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需要的操作畫面、控制畫面、監(jiān)視畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。
5.2.2設(shè)計思路
程序運行時首先進入主畫面。主畫面顯示污水處理的整個工藝流程，同時在主畫面中顯示各個流程關(guān)鍵的開關(guān)量和模擬量的狀態(tài)，如設(shè)備的狀態(tài)、閘門前后液位、流量等。如果想了解現(xiàn)場更加詳細的狀態(tài)以及對設(shè)備進行遠程控制需要進入工藝流程的分畫面。分畫面中可以顯示實時報警、趨勢曲線。同時對重要模擬量進行歸檔，以便形成歷史趨勢曲線，便于以后進行查看和分析。如果用戶想對畫面進行操作，如設(shè)備控制、參數(shù)更改等，必須輸入用戶名和密碼進行登陸，以防止其他人員的誤操作。在登陸狀態(tài)下，不同的用戶具有不同的權(quán)限。在中央監(jiān)控室可以對現(xiàn)場的設(shè)備進行操作，參數(shù)采集以及現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)顯示。
5.2.3設(shè)計步驟
一、啟動WinCC并新建項目
啟動WinCC，單擊“開始”>SIMATIC>WinCC>WindowsControlCenter6.0。選擇“文件”>新建，此時會出現(xiàn)項目類型選擇對話框。選擇單用戶項目，輸入項目名稱，在這里輸入“sewerage”，并選擇項目的存儲位置。
二、安裝通訊驅(qū)動程序
添加一個通訊驅(qū)動程序，鼠標右擊工程瀏覽器中瀏覽窗口中的“變量管理”，選擇“添加新的驅(qū)動程序”。在“添加新的驅(qū)動程序”對話框中選擇SIMATICS7ProtocolSuite.chn。單擊驅(qū)動程序前面的“+”，將會顯示當前驅(qū)動程序所有可用的通道單元。右擊MPI通道單元，在快捷菜單中選擇新的“驅(qū)動程序的連接”菜單項。在隨后顯示的連接屬性對話框中輸入PLCstation作為邏輯連接名，單擊“確定”按鈕。
三、定義變量
單擊“變量管理”>SIMATICS7ProtocolSuite>MPI前面的“+”，展開各自節(jié)點，鼠標右擊節(jié)點PLCstation，在快捷菜單中選擇“新建變量組”，輸入DI作為變量組名，同樣的建立DO、AI和AO變量組。建立變量組的目的是為了更好的管理這些變量。如果在一個項目中因處理大量的數(shù)據(jù)而需要很多的變量時，建議將變量組織為變量組。只有這樣才能在大型的項目中始終注意各種事件。一般可將完成同一功能的變量或?qū)儆谕辉O(shè)備的變量歸結(jié)為一個組。在新建的幾個變量組中添加多個“標簽”，這些“標簽”，這些標簽對應(yīng)PLC中的地址，數(shù)據(jù)類型也要和PLC中的數(shù)據(jù)類型保持一致。這樣，當我們運行項目時，PLC的數(shù)據(jù)就被采集到計算機中。這些數(shù)據(jù)用于在監(jiān)控畫面中顯示、歸檔、報表打印等。
四、創(chuàng)建過程畫面
1.設(shè)計主畫面
圖5.4上位機主畫面
主畫面顯示污水處理的整個工藝流程，包括顯示重要的模擬量輸入信號。在工藝流程主畫面的下方是一排按鈕，“主畫面”用于回到工藝流程主畫面；“工藝流程圖”用于進入各個工藝流程分畫面；“報表曲線”用于進入報表和趨勢曲線畫面；報警窗口用于顯示實時報警和歷史報警；“登陸”和“退出系統(tǒng)”用于用戶登陸和退出監(jiān)控系統(tǒng)。在監(jiān)控系統(tǒng)運行時按“Ctrl+L”，可以進入登陸狀態(tài)，用戶可以在登錄對話框中輸入用戶名和密碼進行登陸。當用戶點擊“退出系統(tǒng)”時會顯示退出登陸對話框，可以進行確認退出和取消退出，這樣可以防止用戶誤點擊退出系統(tǒng)。同時在畫面中始終顯示系統(tǒng)時間。
2.設(shè)計工藝流程分畫面
圖5.5格柵間畫面
在工藝流程分畫面的最上面有一排按鈕，用于在不同的工藝流程段分畫面之間切換包括。包括“格柵間”、“曝氣塵沙池”、“鼓風機房”、“生化反應(yīng)池”、“二沉池”、“紫外線消毒”幾個按鈕。下面以格柵間為例看一下工藝流程分畫面的創(chuàng)建過程。選擇菜單“查看”>“庫”或單擊工具欄上的圖標，顯示對象庫中的對象中的目錄。雙擊“全局庫”后顯示全局庫中的目錄樹。單擊對象庫工具欄上的圖標，可以預(yù)覽對象庫中的圖形。選擇相應(yīng)的對象，并將其托至畫面區(qū)中。拖動對象周圍的黑色方塊，改變對象的大小。同時在“標準對象”中選擇靜態(tài)文本以及“智能對象”中的輸入輸出對象放置在畫面中。
3.趨勢曲線畫面
要在運行系統(tǒng)中顯示趨勢曲線和表格畫面，首先需要進行過程值歸檔。過程值歸檔的目的是采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)。以這種方法獲得的過程數(shù)據(jù)可用于獲取與設(shè)備的操作狀態(tài)有關(guān)的管理和技術(shù)標準。在運行系統(tǒng)中，可以以表格或趨勢曲線的形式輸出當前過程值或已歸檔的過程值，也可以將所歸檔的過程值作為記錄打印輸出。WinCC使用“變量記錄”組件來組態(tài)過程值歸檔，可以選擇組態(tài)過程值歸檔和壓縮歸檔，定義采集和歸檔周期，并選擇想要歸檔的過程值。在一個歸檔中可以定義要歸檔變量的不同采集類型。可以是非周期、連續(xù)周期、可選擇周期以及一旦改變。
WinCC的圖形系統(tǒng)提供兩個ActiveX控件用于顯示過程值歸檔。在WinCC的畫面中插入WinCCOnlineTrendControl控件，以及WinCCOnlineTableControl控件。在控件的選項卡中設(shè)置標題、變量、字體等。
4.組態(tài)報警畫面
在WinCC中，報警記錄編輯器負責消息的采集和歸檔，包擴過程、預(yù)加工、表達式以及歸檔等消息的采集功能。消息系統(tǒng)給操作員提供了關(guān)于操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息。他們將臨界狀態(tài)提早通知操作員，并幫助消除空閑時間。系統(tǒng)可以通過畫面和聲音的形式報告記錄消息時間，還可以用電子和書面的形式歸檔。報警可以通知操作員在生產(chǎn)過程中發(fā)生的故障和錯誤消息，用于及早警告臨界狀態(tài)或縮短停機時間。
WinCCAlarmControl作為顯示消息時間的消息視圖使用。用戶在組態(tài)時就可獲得高度的靈活性，因為希望顯示的消息視圖、消息行和消息塊均可在圖形編輯器中進行組態(tài)。在WinCC運行系統(tǒng)中，報警事件將以表格的形式在畫面中。在WinCC報警畫面中，添加WinCCAlarmControl控件，然后雙擊該控件，打開屬性對話框中的消息行選項卡，對在控件中顯示的項目進行設(shè)置，能夠顯示報警日期、時間、消息文本和錯誤點。
第6章控制策略研究
6.1PID算法
6.1.1PID算法介紹
按偏差的比例、微分、積分進行控制（簡稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，是在長期的工程實踐中總結(jié)出來的一套控制方法。在工業(yè)控制中由于難以建立精確的數(shù)學模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，所以人們往往采用PID控制技術(shù)，根據(jù)經(jīng)驗進行在線調(diào)整，從而得到滿意的控制效果。
6.1.2PID算法在PLC中的實現(xiàn)
考慮到PLC的運算速度，需要對PID算法進行一下轉(zhuǎn)化，特別是積分項的計算。由PID的離散形式方程可知，積分項包括第一次采樣到當前采樣時刻的所有誤差；微分項由本次和上次的采樣值決定；而比例項只由本次的采樣值決定。在PLC中要存儲所有的采樣的誤差時不實際的，也是不必要的。因為自第一個采樣時刻開始，每次采樣獲得一個誤差，要由PLC計算一次輸出，所以只需要將上一次的誤差和上一次的積分項存儲。利用數(shù)字計算機的迭代運算，可將PID算式化為遞推形式[3]。簡化形式如下：
在該污水處理系統(tǒng)中，在提升泵、曝氣機、羅茨風機、污泥回流泵等多處用到PID控制。所以在S7300PLC中將PID控制程序編制為一個程序塊（FB），為每個需要PID程序控制的設(shè)備建立一個背景數(shù)據(jù)塊（DI），這樣每次PID運算之后的MX將會被保存。PID運算的輸出通過模擬量輸出模塊（AO）輸出到變頻器的控制端，從而實現(xiàn)程序自動控制電動機轉(zhuǎn)速。下面是PID功能塊的程序：
6.2軟起動器一拖三控制
提升泵房有4臺提升泵，其中的三臺采用施耐德ATS4837KW軟起動器，工作在接觸器旁路工作模式，實現(xiàn)一拖三控制。在一拖三級聯(lián)控制系統(tǒng)中，ATS48的運行信號RUN，停止信號STOP和級聯(lián)信號LIC由PLC的繼電器輸出給定。同時，將ATS48的輸出繼電器R1設(shè)置為“r1I（隔離繼電器）”，把邏輯輸入LI3設(shè)置為“LIC（級聯(lián)控制）”。電機主回路控制圖如下圖所示。
圖6.1電機主回路控制圖
圖中1KM1、2KM1、3KM1為電機1#、2#、3#的主接觸器，1KM2、2KM2、3KM2為電機1#、2#、3#的旁路接觸器。下面以電機1為例說明電機的啟動停止過程。
啟動時，按下啟動按鈕，經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于100ms，小于1000ms）的脈沖啟動信號給ATS48的RUN端，軟啟動器被允許啟動，由于產(chǎn)生運行信號，ATS48內(nèi)部繼電器R1吸合，于是主接觸器1KM1合上，ATS48按照設(shè)置的啟動時間啟動；啟動結(jié)束后，ATS48內(nèi)部繼電器R2合上，于是旁路接觸器1KM2合上，此時1KM1和1KM2同時吸合；在較短的一段時間（由ATS48決定）之后，R2在R1之后失電，1KM1斷開，電機繼續(xù)由1KM2供電，完成整個啟動過程。同理可以啟動2#電機和3#電機。
停止時，按下停止按鈕，經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于200ms）的脈沖信號給ATS48的LI3端，軟啟動器級聯(lián)控制被激活，ATS48內(nèi)部繼電器R1、R2吸合（R2為脈沖信號，R1保持閉合直到電機完全停下來），于是主接觸器1KM1吸合，ATS48與正在運行的電機接上；LI3脈沖信號的下降沿經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于100ms）的負脈沖信號給ATS48的STOP端，ATS48的內(nèi)部繼電器R2斷開，于是旁路接觸器1KM2斷開，ATS48軟啟動器按已設(shè)置的停車時間使電機停車，停車完成后，ATS48內(nèi)部繼電器R1斷開，于是主接觸器1KM1斷開，完成整個停車過程。同理可以停止2#電機和3#電機。
在PLC內(nèi)部，我們設(shè)置一個字節(jié)的變量作為啟動狀態(tài)的標志，分別標識軟起準備好、軟起中、軟起完成、完成延時斷開、停止等。同時，對啟動器運行的時間進行計時。如果軟起開始運行后經(jīng)過設(shè)定的時間PLC還沒有收到軟起完成的信號，則認為是軟起動器故障。
7結(jié)束語
污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到水處理、自動控制、計算機技術(shù)、儀器儀表、電力電子等眾多學科，是一個復(fù)雜的綜合性領(lǐng)域。本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。講述了利用STEP7軟件編程、利用WinCC軟件完成組態(tài)的具體過程。同時，對在污水處理中的控制策略進行了介紹，包括PID算法在PLC中的實現(xiàn)以及一臺軟啟動器拖動三臺電動機的具體實現(xiàn)。
