资源描述：
2 0 1 0年第 0 2期 总第 1 1 7期 沿海企业与科技 N O ． 0 2 ， 2 0 1 0 C O A S T A L E N T E R P R I S E S A N D S C I E N C ET E C H N O L O G Y C u m u l a t i v e l y N O ． 1 1 7 1 西门子 s 7 2 0 0 替换 s 5 序列 P L C在鼓风机改 造中的应用 徐 国丹 [ 摘要] 福州祥坂污水处理厂有 4台鼓风机， 采用的是西门子的 5 -1 0 1 U序列P L C。由于 s s 序列P L C当前已处 于淘汰状态， 备件难以获得， 并且价格 昂贵 ， 所以需要对鼓风机系统进行升级。考虑到相同品牌的兼容性， 所以采用了主流 的 7 - 2 0 0序列 P L C进 行改造。改造 完成后 ， 鼓风机达到 了原 系统的所有功 能， 并且在 原基础上增加 了远程监控和操作功 能 。 使鼓风机子 系统和全厂 自动化得到 了整合。 [ 关键词] 鼓风机； s 7 2 0 0 ； 5 ； P r o fi b u s [ 作者简介] 徐国丹， 福州市祥坂污水处理厂， 福建福州， 3 5 0 0 0 2 [ 中图分类号] T H4 4 2 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1 0 0 7 7 7 2 3 2 0 1 0 0 2 0 0 6 2 0 0 0 4 福州市祥坂污水处理厂是福州市规划建设的 第一个污水厂，是市区内河综合整治系统工程的 主体项 目。工程于 1 9 9 2年筹建 ， 1 9 9 5年底建成运 行。污水厂主要处理福州市西湖截污管、 白马河以 西及其支流大庆河两岸汇集来的污水，服务面积 约 5 6 0 k m ， 设计污水处理能力 5万 m V日， 全厂主 要设备和自控、仪表均利用芬兰政府贷款从芬兰 ⅥT公司引进 ， 工程投资约 8 0 0 0万元。 该工程在国 内是一个较早采用具有脱氮除磷 A ／ O工艺和利用 国外政府贷款的污水处理厂，也是国内较早采用 盘式微孔曝气和潜污泵技术 的项 目。污水厂具有 工艺设计先进 、 适用 ， 总体布置合理紧凑 ， 占地指 标较小 0 ． 6 8 m 2 ／ m 污水 的特点 。 污水厂运行以来 ， 泥、 水处理效果 良好 、 稳定 ， 对保护福州段闽江水 环境发挥了重要作用。 该厂 2 0 0 5 年扩建 2 ．5 万m 3／ 日 后总规模为 7 ． 5 万m 3／ 日， 扩建工程已于 2 0 0 6 年 竣工投产。在配套管 网支持下 ，能按设计规模运 行。 鼓风机是污水处理厂比较核心的设备，基本 上都要求进口产品，以确保可靠性，如法国H I B O N ， 德国A E R Z E N的罗茨风机等。 随着自动化技 术的发展， 一部分设备也面临着淘汰的状态， 亟须 对其进行升级改造。当前工厂自动化向着总线和 网络等集成化趋势发展 ，所以一些老设备也亟须 寻求新 旧系统 的解决方案 。本次正是基于高端 自 动化解决方案提出，对该厂的鼓风机进行改造升 级。 6 2 一 、对鼓风机系统进行改造的主要原因 目前 国家对环保要求很严 ， 全国各地都在建污 水处理厂。2 0 0 4 年， 福州市顺利通过国家环保总 局验收， 获得“ 国家环保模范城市” 荣誉称号， 成为 全国第五个获得这一荣誉称号的省会城市。4 年 多时间里 ， 在已建成洋里 、 金山、 祥坂 、 快安和马尾 等5 座污水处理厂的基础上， 投入 2 ．4 亿元重点开 展市区污水处理厂扩容和污水管 网配套建设 ， 祥 坂污水处理厂扩容 2 ． 5万吨 ，日， 达 7 ． 5万吨 ／日； 洋里污水 处理厂扩容 1 0万 吨 ／日，达 3 0万吨 ／ 日。目前城市污水处理能力达 4 6 ． 5 万吨 ／ 日， 全市 生活污水处理率由2 0 0 4 年的 6 5 ％提高到目前的 8 0 ％ 以上 。 而祥坂 污水处理厂 ， 全厂 自控系统 2 0 0 5年通 过升级，在中控室对厂内大部分设备 包括潜水 泵 、 电动阀、 刮泥机等 运行状态和各种运行参数 都已实现了实时监控，并能远程控制和设备间的 联动。现有丹麦鼓风机是国外进口， 鼓风机自 带一 套控制系统 ， 人机界面为控制面板 ， 在控制面板上 操作设备开停， 设备的故障也显示在控制面板上 ， 并且没有外接信号端口，无法使鼓风机的运行参 数接人到该厂 自控系统 ，无法实现在 中控室对其 运行参数实时监控和远程控制 ，更无法实现依据 曝气池的D O 5 值变化自动调整鼓风机的供气量。 所以 ， 必须对鼓风机的控制系统进行升级改造 ， 使 其与厂 自控系统形成一体 ，才能对整个风机系统 实现 P L C的自动控制和监视功能，做到最大的兼 容性。改造后实现了就地和远程的双重控制 ， 中控 计算机失去控制能力各台鼓风机也仍然可以就地 操作 ， 最大限度地避免停产的风险 ， 提高了运行效 率， 降低了能耗。 原系统采用的是西门子公司的s 5 序列 P L C 。目前 s 5序列 P L C已处于停产状态 ， 库 存量极少 ， 购买备件成本极 高 ， 对 以后 的维护很不 方便 。所以 ，本系统采用 同品牌西 门子 的 S 7 2 0 0 序列 P L C进行改造。 二、 对鼓风机系统进行改造的范围与方案 一 鼓风机系统进行改造的范围 对鼓风机房 4台鼓风机 P L C控制系统进行改 造 ， 4台鼓风机可通过就地和远程两种方式进行 操作。 为使鼓风机系统安全和正常的运行 ，整个风 机系统 的技术改造把控制分为三级控制方式 本 地手动控制、 P L C远程手动遥控和 自动控制 。 1 本 地手动控制 。 将现场“ 手动 ／自动” 选择开关切换到 手动 ，鼓风机设备 由本地控制柜上的控制按钮直 接控制其开 、 停 。这是最高优先级 ， 在这种方式下 P L C系统仅对鼓风机系统进行监视，而不能控制， 现在风机系统采用的是这种运行方式，但改造后 这种运行方式只在风机调试和检修时使用。 2 P L C远程手动遥控 。 将现场“ 手动 ／自动 ” 选择开关 切换到自动。污水厂上位机操作系统使用 Wi n d o w s X P P r o f e s s i o n a l 版 ， 人机界面及通讯软件使用 组态 i F i x 。在这种方式下 ， 操作人员用上位机的计 算机终端， 通过 i F i x 软件， 根据曝气池上传送的溶 到一级P L C 氧数值确定风机开启 的台数和风 门开启度 ，来控 制鼓风机设备开停。这种控制方式使操作人员不 用到现场就可以控制鼓风机设备 的开停和风门开 启度调整 ，但鼓风机之间开停 的切换 以及换 向阀 的开闭都必须有运行人员来人为干预实现。在此 模式下 ， 远程仅作为本地控制按钮 的延伸或转移 ， 在今后风机 系统 的运行 中也只用 于调试或检修。 3 自动控制 。在这种方式下， 鼓风机设备的开停 、 频率调整和各个换 向阀的开 闭切换 ，都由 P L C按 照预先编制好 的程序 自动完成 ，不需要运行人员 人为干预。所有鼓风机 的运行时间 、 风门开启度调 整、 鼓风机的开启台数， 以及换向阀的开闭情况都 可以由P L C根据现场溶解氧数值的情况进行自动 调整 ，每台鼓风机 的运行情况也都可以由 P L C系 统进行监视并存储备份 。 四台鼓风机的状态 ， 包括运行 、 故障等参数 ， 如 风门开启度大小 等均可传送 到中控室计算机上显 示。中控计算机也可 以远程对鼓风机启停 、 风门大 小调节等进行操作 ，达到在鼓风机正常运行时无 人值守的目的。改造后的系统， 在保持原来就地操 作不变的情况下， 扩展中控调节能力。就地操作的 方式和流程不予改变， 做到最大的兼容性 ， 即使中 控计算机失去控制能力各台鼓风机也仍然可 以就 地操作， 最大限度地避免停产的风险。 二 鼓风机系统进行改造的方案 鼓风机系统框架结构示意图如图 1 所示 D I ／ D O A I l } } 鼓风机 D I ／ D 。 A I 2 { ； 鼓风机 图 1 D I ／ D O I 3 棹 鼓风机 D I ／ D O A I 4 陴 鼓风机 6 3 1 ． 鼓风机控制系统改造 3 鼓 风 机 s5 - s 7 I o地 址 对 照 表 输 入 DI 区 序 号 线 号 S 5地 址 S 7地 址 l ≯ G Ro I O ． o 蟹 。 包 ． 2 GRO2 IO．1 IO．1 3 GRO 3 IO． 至 o． 2 4 GR0 4 IO．3 1 0． 3 5 GRO5 Io．4 Io．4 6 GRO6 I O．5 IO．5 _ GR07 IO 6 ， 6 。 8 GR08 IO．7 IO．7 9 | GR09 lIl 00 0I1． O 。 1 O GR1O I1．1 I1．1 1I GR1l I1． 2 I1． 2 1 2 GR12 I1 ．3 I1 ．3 l 3 GR1 3 I 1 ． 4 l ．茔l 1 4 GR1 4 I1 ．5 I1 ．5 1 5 | r l G Rl I 1 ． 6 I 2 ． 0 16 GR1 6 I1．7 I2．1 1 G R1 7 I 2． 0 - I 2 ． 2 l 8 GR18 I2．1 I2．3 1 9 GRl9 I 2．2 I 2． 4 2O GR2O I 2．3 I 2．5 21 EXOt I3 0 13．0 22 EXO2 I3．1 I3．1 23 EXO 3 I3．2 I 3． 2 24 EX04 I3．3 I3．3 2 5 E XO _5 I 3 ． 4 I 13 ． 4 26 EXO6 I 3．5 I 3．5 2 7 - E X 0Z I 3 06 曩3 i 6 28 EXO8 I3．7 I3．7 29 EX09 I4．O I4．0 3O EX1 O I4．1 I 4．1 31 - EXll I4．2 I 4 2 32 EX12 I4．3 I 4．4 3 3 E X1 3 I 4 ． 4 I 4 ． 5 34 EX1 4 I 4．5 I4．6 每台鼓风机反馈和控制的 I ／ O包括 1 鼓风机运行状态 运行 ／ 停止 、 手 自动 、 泄 空阀开启和关闭、 风门全开和全关 、 启动允许状态 等。 其中运行 ／ 停止 、 风门全开和全关 、 启动允许为 原系统已提供信号输出， 手自动、 泄空阀开启和关 闭状态信号为原 P L C内部状态点，不提供 I／ O输 出。 2 鼓风机报警状态 油压过低 、 油温过高 、 冲 击报警、 循环故障报警、 电机温度过高5 个独立报 警以及 1 个总报警。当 5个独立报警其中任意一 个发生时均发生总报警。原系统 P L C只提供一个 总报警输出。 3 外部对鼓风机控制 原鼓风机控制系统中 已预留外部控制点， 包括 启动 ／ 停止、 开启风门和 6 4 输 出 D O 区 序 号 线 号 S5地 址 S 7地 址 重 0 G R 22 Q O． 0 0 0 ． 0 2 G R 23 Q 0． 1 O 0 ．1 3 G |R 2 5 Q O ． 2 Q 0 ． 2 4 GR26 Q0．3 Q0．3 5 GR28 Q0．4 Q2．4 6 GR29 Q0．5 Q2．5 G 3 1 Q0 ． 6 Q 2 ，1 8 G R3 2 Q0 ． 7 0 2 ． 2 9 G R 3 4 Q1 ． 0 Q 3 。 0 1 O GR35 Q1．1 Q3．1 l GR 37 Q1 ．2 Q0 ．4 l 2 GR 3 8 Q1 ． 3 O 0． 5 l 3 E 嚣2 2 Q 2 ． 0 口 0 ． 6 14 EX23 Q2．1 Q0．7 l j E X 25 Q2 ． 2 Q 0 l 6 EX26 Q2．3 Q1．1 ，l 7 E X 2 8 Q2 ． 4 Q 2 ． O 1 8 EX34 Q3．O 0 4．0 1 9 E X 3 5 Q 3 ．1 Q 4． 1 2 O EX 3 7 Q 3 ． 2 0 4． 2 2 E X3 8 Q3 3 Q 4． 3 定 时 器 T 区 序 号 原 T区 更 改 T区 1 T0 T37 2 T1 T38 3 T2 1 “ 39 4 T3 T4O 5 T 4 T 4l 6 T5 T42 7 T6 T43 8 T7 T44 9 。 T8 T45 1O T9 T46 l1 Tl 0 T47 1 2 T11 T4 8 1 3 T12 T49 1 4 T1 3 T5O 15 T15 T5l 关闭风门3 个控制点。 从 以上所列出的原系统 I ／ O点可以看出， 原鼓 风机控制系统只提供 启停 、 开关风门控制 ， 风 门 全开全关状态 以及总故障报警状态。还缺少的状 态点包括 风门开启度 连续量 、 5 个单独的故障 报警点、现场紧急停止状态和风门目 标值控制几 个重要的数据。这些参数对于中控室进行远程调 节是至关重要的。所以， 针对这个特点制定如下改 造方案。 如图 1 所示 ，各 台鼓风机控制系统 的 P L C均 更换为西门子公司的 S 7 2 0 0序列 P L C。 s 7 2 0 0和 S 5均为西门子公司的 P L C产品，可以在最大程度 上达到兼容度 ，也就是说改造后可以快速地切换 到新系统运行 ， 缩短改造周期 ， 不影响生产。 原系统采用 S 5序列 P L C， 均为 D I ／ D O开关 量 控制 ， 无模拟量控制 。对于 D I ／ D O， s 7 2 0 0有相应 的模块替代 s 5 ， 很容易即可实现 。另外 ， 中控室需 要显示鼓风机 当前风门的开度大小 ，并依据开度 和所需空气量调整鼓风机。所以， 风门的当前模拟 量必须进入到P L C 。在此， 增加一个模拟量输人模 块， 将风门就地显示量采集入控制系统。风门开度 为4 - 2 0 m A标准模拟量信号， 可直接进入模拟量模 块。 风 门开度进入 s 7 2 0 0 P L C后 ， 中控只需输人 所需 的风门开度 ，通过预先编写的 P L C程序 即可 自动对开度进行调节 。调节风 门开度 的 P L C程序 存放在 S 7 2 0 0内， 达到最快地调节响应速度 。 2 ．P r o fi b u s 网络 为实现中控室对各台鼓 风机 的远程遥控和状 态监视 ，需要将 4台鼓风机连接进入 到现有全厂 总线 网络。考虑到鼓风机 系统为一个 比较独立的 系统， 避免对全厂控制网络的影响， 所以建立一个 P r o fi b u s 子网， 将水控室S 7 3 0 0 P L C和 4台鼓风机 的 S 7 2 0 0组成 网络 。 为将 s 7 2 0 0 加入到 P r o fi b u s 网络，在每台鼓 风机 P L C上 配 置 一 块 E M2 7 7模 块 。E M 2 7 7为 s 7 2 0 0专用 P r o fi b u s 从 站模块 ，不需任何 的软件 配置 ， 只需将其连接入 S 7 2 0 0 P L C即可 ， 基本不 需维护。 将 4台鼓风机的 E M2 7 7模块通过 P r o t q b u s 电缆连接后 ，再连接到水 控室的 S 7 3 0 0 P L C中。 水控室 s 7 3 0 0 P L C加入一块 C P 3 4 2模块作为 P r o fi b u s 主站， 组成 P r o f i b u s 子网。 组成 P r o fi b u s网络后 ，水控的 P L C通过 S T E P 7进行重新配置 ， 加入对新 网络 的支持 ， 中控室即 可对 4台鼓风机进行状态监视和控制 。监视和控 制的 内容除 了 I ／ O点外 ，还可以包括 内部的状态 点 ，即就地显示的状态量进入 P L C后 即可在 中控 室显示 。 1 点所提到的每台鼓风机反馈和控制的 I ／ O均能反馈到中控室显示 。 3 ．中控室人机界面升级 现场到 P L C系统和 网络改造完成后 ，所有的 I ／ O和状态均可反映到中控室 ， 所 以中控室需要对 鼓风机部分的画面进行升级。 鼓风机的 E M 2 7 7作为从站，起一个数据对 s 7 3 0 0主站输入输 出功能 ，和中控室计算机交换 的数据需要 S 7 3 0 0 水控室 P L C 进行处理。和其 他设备相似，在水控室 P L C内部增加相应的处理 程序 梯形图 ， 将交换的数据映射到中控室交换 数据 区。 中控室计算机获取到现场鼓风机数据 ， 通过在 i F i x画面上增加相应的数据显示和控制功能 ， 提供 操作人员直观的界面。 i F i x画面的编写方式和风格 与其他设备相似， 保持操作的习惯性。 三、 本鼓风机 系统改造方案的优点 经过上述方案 的改造后 ， 4台鼓风机即进入到 全厂 的监控 网络 ， 除了原来简单的运行状态 、 电流 状态监视外，鼓风机内部的所有运行状态均可在 中控室显示，操作人员可实时掌握鼓风机的运行 情况。另外， 还增加了远程调控功能， 包括启停、 风 量调节等 ， 操作人员 只需在控制室 即可操作 ， 达到 现场无人值守等 目的。 本方案采用 S 7 2 0 0这种 主流 的 P L C替代 已 停产 的 S 5序列 P L C，解决了维护过程中的备件问 题。另外 ， 通过 S 7 2 0 0和 s 5序列 比较 ， s 7 2 0 0不 采用后备电池方式运行 ，完全可避免若干年后由 于 电池电量过低导致 S 5程序 丢失 或混乱造成 的 停机现象 。 系统器件清单 序号 名称 型号 品牌 单位 数量 l P L C 7 - 2 0 0 西 门子 套 3 2 模拟量输入模块 E M 2 3 l 西 门子 块 4 3 P r o f i b u s 通讯模块 E M 2 7 7 西 门子 块 4 4 E M扩展电缆 6 E S 7 2 9 0 西 门子 块 l 5 网络连接器 6 E S 7 9 7 2 西 门子 块 5 6 S 7 3 0 0 D P主站 6 G K 7 3 4 2 西 门子 块 l 7 通讯 电缆 P R O F I B U S L A P P 米 1 0 O 8 开关 电源 1 0 0 W ． 2 4 Ⅵ c M W 块 3 下转第 6 l 页 6 5 和生产过程高度 自动化 的建设工程和工业生产 ， 按设计要求顺利施 工 、 安装 和正常生产运营 ， 并保 证质量和安全 ，需要采用高精度的特殊方法进行 测量保 障，便形成了特种精密工程测量和工业测 量。特种精密工程测量是将现代大地测量学和计 量学等学科最新成就结合起来 ，运用现代测绘技 术新理论 、 新方法和新技术 ， 使用专用的仪器和设 备 ， 以高精度与高科技 的特殊方法和技术 ， 应用于 特种工程和工业生产 的测量工作 。 五 、 结语 随着我国国民经济 的飞速发展 ， 各种复杂的、 特殊的、 精密的工程建设不断增多， 相应对工程测 量技术的要求也越来越高。三维测绘技术、 地下管 线智能化探测与管理技术 、数字城市地理空间框 架是工程测量技术今后几年的重要发展方向。由 于工程测量技术领域涉及的范 围广 ，还有可能 出 现新的重要 发展领域 ，我们要随时关注工程测量 新技术 的出现和发展 ，努力推动和促进我国的工 程测量技术赶上和超过世界先进水平 ，使工程测 量技术 向电子化 、 自动化 、 数 字化 、 信息化方向迈 进 。这是工程测量技术发展的基本 目标。 上接第 6 5 页 本方案采用 P r o fi b u s网络 ， 可大量减少硬接线 的工作量。s 5到 S 7 2 0 0改造替换的是 P L C系统 ， 连接的也是原来的I ／ 0电缆。 状态点到中控室是采 用通信的方式，不需额外连接电缆 ，无需再次接 线， 减少了工作量， 也缩短了工程周期。通信既可 传送 I ／ 0信号也可传送内部数据， 传送的数据量更 多、 更为可靠， 维护的工作量也更少。 鼓风机系统采用的是 P r o fi b u s 子网方式 ， 和原 来通信 网络相对 隔离 ，不会 因为本系统 的故障造 成原来通信 网络 的瘫痪 ， 可靠性更高 。而且 ， 即使 鼓风机 网络 出现故障 ，由于是在原来就地控制上 扩展 的功能 ， 就地仍然可 以正常进行调节和操作 ， 不会有任何影响， 达到备份调节的功能。 四、 结论 通过对风机系统的全面技术改造， 可以保证鼓 风机的安全运行， 延长鼓风机的使用寿命， 满足根 据曝气池需氧量自动调节供气量的工艺要求。因 此 ， 无论在降低能耗 、 减少操作人员劳动强度， 还 是提高生产效率上，这次技术改造都起到了重要 的作用。 [ 参考文献] [ 1 ] 李梦筱， 周丽华． 污水处理厂的自动控制系统[ J ] ． 机电产 品开发与创 新， 2 0 0 4 ， 1 7 3 ． [ 2 ] 张捷． 污水处理厂鼓风机 系统的改造[ J ] ． 中国给水排水 2 0 0 5 ， 9 ． 61
展开阅读全文
