摘要：介紹了AC500系列PLC控制系統(tǒng)及基于其的三級分布式污水處理自控系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)構(gòu)成、功能、主要特點(diǎn),同時(shí)論述了該系統(tǒng)在SBR污水處理中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：可編程控制器 控制系統(tǒng) 污水處理
一 引言
ABB公司在收購了貝利（Bailey）公司后，將它旗下的多款控制系統(tǒng)整合到了以工業(yè)IT為基礎(chǔ)，針對目標(biāo)技術(shù)的800XA系列控制系統(tǒng)中。在繼續(xù)為國內(nèi)的電力，冶金，石化，造紙等行業(yè)提供整體的解決方案以外，已將它旗下的一款已有十幾年發(fā)展歷史的中小型控制系統(tǒng)AC31作為產(chǎn)品引入中國。目前在此基礎(chǔ)上推出更為現(xiàn)進(jìn)的AC500系列，可為國內(nèi)的系統(tǒng)集成和OEM等應(yīng)用提供更多的選擇。本文將介紹此系統(tǒng)及其在污水處理中的應(yīng)用。
二 AC500控制系統(tǒng)介紹
AC500系統(tǒng)由CPU，通訊模塊，CPU底板，I/O模塊和端子板，F(xiàn)BP接口模塊和端子板，CPU底板等組成,如圖1所示。
CPU
CPU有PM571、PM581 和PM591三個(gè)不同的等級。均帶有：LCD顯示、操作按鍵、一個(gè)SD卡的擴(kuò)展口和兩個(gè)集成的串行通訊口。 CPU可直接插在CPU底板上，底板可選擇集成以太網(wǎng)或者ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口。此外，保留的CS31的通訊接口是考慮到了和AC31等ABB公司其他系列PLC的兼容性。
通訊模塊
除了CPU上集成的通訊接口外，每一個(gè)CPU上還可最多擴(kuò)展4個(gè)通訊接口。這4個(gè)通訊接口可擴(kuò)展為任意的標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議。CPU上集成的兩個(gè) Modbus通訊接口和可選集成的以太網(wǎng)或ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口外，通過通訊擴(kuò)展接口還能擴(kuò)展 : ProfibusDP-V1、DeviceNet、 CANopen和以太網(wǎng)等總線接口。
I/O 模塊
輸入/輸出模塊有模擬量和開關(guān)量兩大種類。每個(gè)輸入/輸出模塊均可直接插到端子板上，CPU本地和通過FBP分布式擴(kuò)展的子站，可最大擴(kuò)展到7個(gè)輸入/輸出模塊。AC500還可以提供每一點(diǎn)都可以根據(jù)用戶的需求及可設(shè)置為輸入又可設(shè)置為輸出的開關(guān)量模塊。
FBP 的接口模塊
這種模塊集成了一定數(shù)量的開關(guān)量輸入/輸出，并且通過它實(shí)現(xiàn)和CPU 的通訊和分布I/O。這個(gè)分布模塊后面又可最大擴(kuò)展7個(gè)輸入/輸出模塊。
AC500 Control Builder 編程
AC500 Control Builder 編程是一套可對所有系列AC500 CPU進(jìn)行編程的工程工具，這套編程軟件符合IEC61131-3的國際標(biāo)準(zhǔn)，可支持五種不同的編程語言：
－功能塊（FBD）
－語句表（IL）
－梯形圖（LD）
－結(jié)構(gòu)文本（ST）
－順控圖（SFC）
這套軟件可完成AC500系統(tǒng)的全部設(shè)置，包括所有的總線接口，而且還有全面的自診斷功能、報(bào)警處理、可視化調(diào)試工具和開放的數(shù)據(jù)接口。此外還可以提供離線仿真,變量跟蹤功能,配方管理和監(jiān)視列表,可視化的調(diào)試工具,通訊接口的設(shè)置,開放的數(shù)據(jù)接口,工程接口.
三 SBR污水處理工藝介紹
序批式活性污泥法簡稱SBR （Sequence Batch Reactor）法，是早期充排式反應(yīng)器的一種改進(jìn)。隨著自動控制水平的提高，SBR法引起人們的重新重視，并對他進(jìn)行了更加深入的研究與改進(jìn)，自1985年我國第一座SBR處理設(shè)備在的投產(chǎn)，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)污水和城市污水的處理中 。
SBR工藝的基本操作流程由進(jìn)水，反應(yīng)，沉淀，出水和閑置等五個(gè)基本過程組成，從污水流入到閑置結(jié)束構(gòu)成一個(gè)周期，在每個(gè)周期里上述過程都是在一個(gè)設(shè)有曝氣或攪拌裝置的反應(yīng)器內(nèi)依次進(jìn)行的。
SBR工藝系統(tǒng)組成簡單（如圖2），不設(shè)二沉池，曝氣池兼具二沉池的功能，無污泥回流設(shè)備。SBR具有效率高，脫氫除磷效果好，防止污泥膨脹性能強(qiáng)，耐沖擊負(fù)荷和處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
四 AC500在SBR控制中的具體實(shí)現(xiàn)
SBR污水處理廠的自動控制系統(tǒng)由三級分布式控制系統(tǒng)組成（如圖3）。
第一級—監(jiān)控管理，由中央控制室的操作站實(shí)現(xiàn)。選用工控計(jì)算機(jī)，以TCP/ IP工業(yè)以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)通訊,實(shí)行集中控制。通過工控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)視全廠工藝參數(shù)變化、設(shè)備運(yùn)行、故障發(fā)生等情況，同時(shí)負(fù)責(zé)日常報(bào)表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。
第二級—過程控制，由現(xiàn)場的各分系統(tǒng)或成套設(shè)備的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。以AC500 PLC系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制核心 ,按場區(qū)配置分站 ,通過CS31網(wǎng)與所屬分布I/O通訊對流量、液位、pH值、電機(jī)等參數(shù)進(jìn)行采集、控制。
第三級—單機(jī)就地控制，由現(xiàn)場電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。采用ABB公司的AC31系列產(chǎn)品組成分布I/O,采集現(xiàn)場參數(shù),執(zhí)行上一級PLC主站的控制命令。
監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)及與PLC主站的通訊
由于污水處理控制對象多且分散,生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜,如果采用集中控制方式,則需要使用大量導(dǎo)線，在長距離傳輸過程中非常容易受到干擾,所以本系統(tǒng)采用分布式集散控制系統(tǒng),將管理與控制分離。計(jì)算機(jī)選用HP工業(yè)PC機(jī),預(yù)裝北京昆侖通態(tài)公司的MCGS 5.5通用版。MCGS監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)包含監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，定義數(shù)據(jù)變量，組態(tài)設(shè)計(jì)，動畫等方面。用MCGS提供的基本繪圖工具與元件庫創(chuàng)建圖形塊并進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，污水處理系統(tǒng)工藝流程組態(tài)畫面（如圖 4）：
鼓風(fēng)機(jī)，水泵，運(yùn)行閥的工作狀態(tài)可以通過動畫實(shí)時(shí)顯示；污水，污泥，藥水，空氣的流動方向及流量表的數(shù)據(jù)也能根據(jù)現(xiàn)場的情況隨時(shí)更新。操作人員在登陸并輸入用戶名和密碼后，可任意調(diào)入各局部工藝圖、運(yùn)行表、設(shè)定表和控制表，工藝圖以圖形的方式顯示各個(gè)工段的工藝流程和數(shù)據(jù)，并能根據(jù)控制的需要直接設(shè)定現(xiàn)場的相應(yīng)參數(shù)（例如，泵站的變頻器的恒定水位，報(bào)警水位，停泵水位的設(shè)定，排泥時(shí)間的設(shè)定等）。此外，系統(tǒng)還可以提供故障報(bào)警查詢，工作報(bào)表生成等功能。MCGS中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，而數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元。將用戶界面中的圖形對象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量建立聯(lián)系，現(xiàn)場的運(yùn)行情況就可以通過動畫實(shí)時(shí)的顯示在監(jiān)控界面上了。
工控計(jì)算機(jī)只需一塊普通的網(wǎng)卡就可以通過Ethernet LAN接收到來自PLC主站的數(shù)據(jù)。PLC主站由1臺AC500系列PLC及相應(yīng)的外圍設(shè)備組成,置于中央控制室。PLC主站從分布I/O接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的處理與控制，同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP通訊模塊（TB521- ETH）傳輸給工控計(jì)算機(jī),傳輸速率為10Mbit/s ,介質(zhì)為屏蔽雙絞線。
PLC主站與分布I/O的通信
PLC主站與分布I/O的通訊網(wǎng)絡(luò)框圖，如圖5所示。
PLC主站通過CPU（PM581）上保留的CS31通訊接口、CS31通訊總線與分布I/O（AC31遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊）構(gòu)成高速通訊網(wǎng)絡(luò),隨時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況和故障信息,并上傳工控計(jì)算機(jī) ,形成分布控制。
本系統(tǒng)共設(shè)8個(gè)分布I/O。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，由于AC500系統(tǒng)可以兼容AC31的遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊， 1#～8# 分布I/O分別選用AC31系統(tǒng)的遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊（ICMK14 N1-24DC）。分布I/O置于污水控制現(xiàn)場, 就近控制所屬設(shè)備,形成分布控制的能力,并采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況和故障信息,通過CS31總線聯(lián)接到PLC主站 。CS31總線是一種點(diǎn)對多點(diǎn)的RS485串行通訊。每個(gè)通訊系統(tǒng)由一個(gè)主站和最大31個(gè)從站組成。通訊距離不加中繼為500米，加中繼最大可達(dá)到2000米。通訊介質(zhì)為:屏蔽雙絞線。
以1＃分布I/O遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊為例，定義它的地址表，如表1：
地址%MX0.0.0至%MX0.0.7是ICMK14N1-M的系統(tǒng)保留區(qū)域，不能使用。地址%MX0.1.0至%MX0.1.7作為此遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊自帶的開關(guān)量輸入，分別對應(yīng)進(jìn)水泵房及沉砂池的相應(yīng)設(shè)備。依照同樣的方法，可以繼續(xù)定義1＃分布I/O的（XI16E1,XC32L,HE10-20,…等）開關(guān)量及模擬量輸入/輸出模塊，然后依次是2＃～8＃分布I/O的所有模塊。
在完成所有I/O地址表的設(shè)定后，就可以通過AC500的Control Builder軟件來編寫PLC的內(nèi)部通信程序。由于AC500的 Control Builder軟件可以提供現(xiàn)成的MODBUS功能塊，編程十分簡單。以1#分布I/O的讀指令為例，如圖6：
只需設(shè)定好MODBUS功能塊的（COM,SLAVE,FCT,ADDR,NB等）參數(shù)，PLC主站就可以順利的從1#I/O子站讀取數(shù)據(jù)。其中FCT，NB的參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況依照表2確定 。
運(yùn)用MODBUS功能塊依次完成1～8＃分布I/O的讀，寫指令的編程，PLC主站與分布I/O之間的通信就建立完成了。在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)還需通過軟件的PLC組態(tài)選項(xiàng)，將MODBUS的參數(shù)：RTS control設(shè)置為“telegram”, Parity設(shè)置為 “none”，Operation Mode設(shè)置為：“Master”。至此，PLC的主站已經(jīng)可以對I/O從站中的各種參數(shù)進(jìn)行采集與控制，并通過以太網(wǎng)顯示在工控計(jì)算機(jī)的監(jiān)控界面上。
五 結(jié)語
以本文的研究結(jié)果為基礎(chǔ)的技術(shù)方案,在浙江某生活污水處理廠具體實(shí)施。實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果表明,其設(shè)計(jì)合理,安全可靠,控制精度高，滿足了生產(chǎn)的實(shí)際需要，性價(jià)比高。AC500 PLC系統(tǒng)除了有外形美觀，性能可靠，價(jià)格適中等特點(diǎn)，在項(xiàng)目具體實(shí)施中還具有如下優(yōu)點(diǎn)：可設(shè)置輸入/輸出的開關(guān)量模塊，為備用點(diǎn)數(shù)的設(shè)置提供了方便并能進(jìn)一步降低成本；模擬量的每個(gè)輸入通道都可以設(shè)定電流，電壓或者熱電阻等輸入信號，使用方便；編程軟件中集成的MODBUS 功能塊，非常實(shí)用，易于操作，大大節(jié)省了編程時(shí)間；此外，CS31總線的連接只需要普通的屏蔽雙絞線就可以完成，成本低廉，操作靈活簡單。