基于PLC的污水处理控制系统.pdf

经 验 交 流 T e ch 13 i c aI Comm U n i c at i on s 自动化技术 与应用2 0 1 0年第 2 9卷第 5期 基于 P L C的污水处理控制系统 牛 健 ， 李乃川 ， 李喜东 ， 朱明清 黑龙江省科学院自动化研究所 ， 黑龙江哈尔滨1 5 0 0 9 0 摘 要 本l殳介绍 J P L C 水控制系统的工岂流程、系统配置和软件设计， 并俐述了P L C 与 卜 何机纽态工之问通信I办议的建立和程 序设 汁一 他机通过组态软件承担监控和管理任务 ， 下何机采用 P 1 C 实现实时数据采集和 白动控制功 能。实际运行表叫 ， 该 系统设计合理 、_仃效 ， 安全可靠。 关键词 污水处理 ； P I C； 控制 系统 ； 组态软件 r } 1 同分类号 T M5 7 1 ． 6 l 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 5 0 0 9 5 0 4 S e wa g e T r e a t me n t Co n t r o l Sy s t e m B a s e d o n PL C NI U J i a n ， LI Na i - c h u a n ， LI Xi - do n g ， ZHU Mi ng - q i n g A u t o ma t i o n I n s ti t u t e o f He i l o n g j i a n g A c a d e my , H a r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r p r e s e n t s a s e wa g e t r e a t me n t c o n t r ol s ys t e m i n c l u d i n g i t s p r o c e s s f l ow，s y s t e m c o n f i g u r a t i on ，s o f t wa r e d e s i g n a n d f u n c t i o ns ． Th e p a p e r a l s o de s c r i b e s t h e e s t a bl i s h m e n t o f t h e c omm u n i c a t i o n p r o t o c o l b e t we e n PLC a n d Ki n g v i e w a s we l l a s t h e n e c e s s a r y p r o g r a mm i n g ． Th e u p p e r c o m p u t e r u n d e r t a k e s t h e m o n i t o r i n g a n d ma n a g i n g t a s k b y c o n f i g u r i n g s o f t wa r e ， wh i l e t h e l o we r c o m p u t e r i mp l e me n t s t h e f u n c t i o n o f d a t a c ol l e c t i o n a n d a u t o ma t i c c o n t r o 1 ． Re s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m i s r e a s o n a b l e、 a v a i l a b l e a n d r e l i a b l e ． Ke y wo r ds s e wa g e t r e a t me n t ； P LC； c o n t r o l s y s t e m； c o n f i g u r i n g s o f t wa r e 1 引言 随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展， 控制 技术在污水厂中得到了广泛应用， 使得整个污水处理过 程实现了计算机监测、控制和管理 ， 以实现高质量 、低 成本 、稳 定可靠 的运 营方 式 。 为确保污水处理工艺和设备能够长期安全可靠地 运行 ， 采用西门子 S 7 2 O 0可编程序控制器和智能检测 仪表组成下位机 ， 实现对现场设备的监控。上位机采用 北京亚控科技的组态王软件 ， 实现整个系统的画面监 测、参数设定和指令控制等功能。该系统集过程控制和 科学管理于 一体 ， 具有 可靠性高 、控制性 能优越 、管理 功能完善等优点， 对指导工艺及设备的正常运行 ， 提高 自动化控制和管理水平发挥了重要作用【 引。 污水处理工艺流程 收稿 日期2 0 1 0 0 卜 2 l 图 1 污水处理工艺流程图 污 水 处理 工艺 采 用 活性 污泥 法 工艺 。活性 污 泥是 微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总 称 ， 它由好氧微生物为主体的绒粒组成 ， 混杂着污水 中 的有机物和无机性悬浮物质及胶体物质 ， 并在其表面上 附聚着种种不同的原生动物等 ， 具有降解污水中有机物 的能力 ， 显示出生物化学活性 。活性污泥污水处理过程 就是利用此生化活性去除污水中的污染物质。具体为 原生污水经过预处理和一级处理后 ， 经初沉池出水进人 调节池 ， 在活性污泥的作用下 ， 进行好氧和厌氧生物降 解 ， 将污水中的溶解和胶体状态的有机物分解并进行脱 Ⅸ 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第5 期 经 验 交 流 氮除磷反应。污水混合液进人初沉池进行固液分离 ， 上 层澄清水排人调节池 ， 下层污泥经初步浓缩后再通过板 框压滤机脱水 ， 形成泥饼外运， 污泥池上清液和滤液回 流至调节池继续处理。其工艺流程 图见图 l 。 3 P L C控 制站的硬件配置与功能 3 ． 1 P L C控制站硬件配置 P L C采用西门子的S7 2 0 0系列， 根据系统要求， P LC总体配置如下 1 电源模块2 4 VD C 1 0 A ； 2 中央处理模块 c P u 选 用 C P U2 2 6 ； 3 数字量输入模块 DI 选用 6 E S 7 2 2 1 1 B H2 2 0 X A8和6 E S 7 2 2 3 1 P L 2 2 0 XA8 ， 处理 3 2 点输 入信号； 4 数字量输出模块 D O 选用6 E S 7 2 2 3 -1 P L 2 2 - 0 XA8 ， 处理 1 6 点输出信号 ； 5 模拟量输入模块 AI 选用 6 E S 7 2 3 1 0 H C 2 2 0 XA8 ， 处理 1 6 点输入信号 ； 6 模拟 量输出模块 AO 选用 6 E S 7 2 3 2 0 HB 2 2 0 XA8 ， 处理 8 点输 出信 号 。 系统的硬件构成如图2所示 。 图 2 控制系统框图 3 ． 2 P L C控制站的控制功能 设备控制方式分为 中央控制和就地控制两种。就 地控制装置分别设置在各单元设备附近。通过现场 手 动 ／ 自动 开关切换到手动 ， 可 由现场开关直接控制设 备 ， 这是最高优先控制 ， 在这一模式下， P LC仅对运行状 态作监视。当现场 手动 ／自动 开关切换到自动， 则成 为中央控制方式。我们在 PL C的运行程序中又设置了 上位机控制方式和 P L C控制方式 当上位机切换到上位 机控制方式方式时 P L C接收上位机发出的指令， 通过计 算机直接遥控现场设备 ， 如启动或停止各类泵 ， 风机 、 阀、搅拌器等； 当上位机切换到PL C方式时， PL C按预 先设定的测量液位、流量、溶解氧等参数 自动操作泵、 风机等， 并监视设备运行情况『 4 ] 。 3 ． 3 调节池单元的P L C 控制 鼓风机房共有 1 0台罗茨风机 ， 其中有2台是变频风 机， 调节池中共设有 4套溶解氧测试仪。调节池的控制 思路是通过计算机给这些 D O仪设置一个测量范围， 当 进水量达到平衡 ， 池 中悬浮物浓度合乎标准时 ， 一旦水 中含氧突破这个范围， P L C就会收到现场溶解氧仪反馈 回的报警信号。P L C便根据现场测量值来调节鼓风量。 鼓风机开启的台数由P L C根据测量的溶解氧的平均值 来控制， PL C每隔 1 5分钟判断一次调节池内的溶解氧 值， 溶解氧低于设定下限时调频风机增加 l 0 ％， 若调频风 机 已达最大值 ， 则增开一台普通分风机。溶解氧高于设 定上限时调频风机减少 l 0 ％， 若调频风机已达最小值， 则 关闭一台普通风机【 4 1 。其控制流程图如图 3所示。 图3 调节池控制流程图 4 系统软件设计 用户的软件设计质量的好坏直接关系到系统的控 制质量和人员设备的安全， 所以开发一套功能完善、可 靠性高的软件尤显重要。根据系统的实际情况， 用户的 软件设计同样分为上位机软件设计和下位机程序 。 4 ． 1 下位机程序设计 下位机P L C的用户程序是在基于 S I E ME NS公司的 S T E P 7 一 Mi c r 0 ／ WI N软件平台上完成硬件组态、地址和 站址的分配以及用户程序的设计开发。S t e p7主要有 3 种编程方法 线性编程、分布式编程、模块化编程。应 用模块化编程方法 ， 根据所控制设备的实际情况 ， 可把 整个污水处理流程分为若干个分流程 ， 每个分流程对应 一 个功能或功能块。把程序分成若干程序块 ， 各程序块 经 验 交 流 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第5 期 T e c hn i c aI CO m m u nIc a t i on s 分别含有一些设备和任务的程序指令 ， 每个功能区被分 成不同的块进行编程 ， 整个程序通过组织块 OB l控制调 用各功能。在主程序 OB 1 中将各种控制功能和各站点 间的通讯数据分别编写在不同的子程序中， 其中通信程 序是程序设计 中的重点和难点 ， 本文着重论述其这部 分。下面是 P LC的部分通信程序 ⋯ NETW ORK 1 L D S M0 ． 1 ／ ／第一次扫描 MOVB l 6 0 9 ， S MB3 0 ／ ／自由口通讯模式 9 6 0 0波特率， 无奇偶校验 ， 8 个 数 据位 MO VB 1 6 7 C， S MB 8 7／ ／接收信息状态字节 M0VB 1 6 5 3 ， S MB8 8 ／／设置信息的开始字符 “ S ” MOVB 1 6 4 5， S MB8 9 ／ ／设置信息的结束字符 “ E” M OVW5． SM W 9 0 ／ ／设定空闲行的时间间隔 ms M OVW 1 7 9． S M W 9 2 ／ ／字符间 ／信息间定时器超时值 ms MO V B 6 0 ， S MB 9 4 ／ ／接收字符的个数 NETW ORK2 L D S M0 ． 1 M 0VB 1 65 3 ， VB2 4 9 9 ／／设置接收和发送缓冲区的首地址 ATC H发送完中断， 9 ／ ／把发送完成中断和发送完成中断子程序连接起来 ATC H接收完中断， 2 3 ／ ／把接收完成中断和接收完成中断子程序连接起来 E NI ／ ／允许中断 PL C程序的主要流程框图如图4所示。 ～ 、 程序开雉 、 i 进行下一次发送 ． ． 图4 P L C程序主要流程框图 4 。 2 上位机程序设计 S 7 2 0 0 P L C 通信模式有两种 一种是点对点 P P I 通 讯协议 ， 另一种是对用户完全开放的 自由端 口 FREE P o r t 模式， 后者比较常用。此亚控公司组态王与 S 7 ～ 2 0 0 系列 P LC通讯而制定的串行通讯协议 ， 采用主从的问答 方式， 上位机为主呼方 ， 下位机为应答方。自由端 口协 议 C P U 的串行通讯端口可由用户程序控制。只有当 C PU处于 RUN 模式才可以进行 自由端口通讯。通信 前要对串口进行初始化， S MB3 0 和 S MB1 3 0 用来分别配 置通讯端 口0和 l， 为 自由端口通讯选择波特率、奇偶 校验和数据位数。S 7 2 0 0有两个通讯端 口P ORTO和 P OR T l ， 用P O RT l作为与上位机通讯端口， 直接与 RS 4 8 5 总线相连。这里P L C选择9 6 0 0 波特率， 端口选择 P OR T1 。由于上位机采用组态王软件， 因此 P LC在程序 上不必编写与组态王通讯的程序 ， 只需在组态王的开发 环 境 中进行必 要的设置 【 3 】 。 由于组态王编程量小 ， 而且与 PL C的通讯 已被组 态软件本身集成 ， 在此只要进行必要 的设置 即可。由 于上位机用的是PC机的 C O M1 串口， 不能与 R S 4 8 5 总 线直接相连， 要进行总线的转换。首先用 RS 2 3 2总线 一 端接上位机的串口， 另一端接 RS 2 3 2转RS 4 8 5 模块， 然后再把 RS 4 8 5总线的另一端直接接 P L C。在组态王 开发系统中， 选择 C O Ml 并进行设置， 波特率选择 9 6 0 0 ， 选择偶校验， 其他都选择默认值。选用西门子 S 7 2 0 0 P LC中的 P P I ， 即可完成上位机与PL C的通讯连接【 。 几尢图 5。 口 s 珏皿蕾 s 商 i 图 5 P L C与组态王连接图 表 1 寄存器使用举例 崭存暑 誊 岳杭 淳写 属性 敬握蒜 型 窭t甍 拦 寄存 器说明 v巨 地址为 4 0 0 解 壤 写 j 0整 觳 存 嚣l 一 个 亭 节 vN --t t lZ 址 为 4 1 6的 寄 馕碍 1 j 整 数 存嚣 四十事节 4 1 6 4 I 7．4 1 8和 4 1 9， 对 应 0 区 舯 0 0 谴冀 8 Y I O整觳 0 o ． 0 一 。 0 7 一个 罕 节‘ 凡 位 1 0 0 只谜 I ／ O爵敞 对 应 i 区 日 】1 0 0位 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第5 期 经 验 交 流 T ec h n I c a} Commun i c a t i o nS 图6 污水处理工艺画面 组态王主要接收来 自P L C的数据 。把界面 中要显示 的变量与相应 P L C寄存器中所存数据对应【 。如表 l 。 再在开发的界面中把要显示的数据与相应的变量 连接起 来 ， 当进 入组态 王 的运 行环境 时 ， 所显示 的数据 就是P L C中寄存器所存储的数据。从而实现了P L C中 数据在组态王中的实时显示。 上位机采用组态软件中的组态王， 这种软件开发上 位机界面友好、生动。根据系统要求， 设计了以下几个 主要 界面 1 主菜单 包括各个反应池总貌 、实时趋 势、历 史趋势、报警设定、报警记录、参数表 、帮助等功能选 项。用鼠标点击不同的选项按钮 ，就会弹 出相应的画 面。各个画面之间可以自由切换 ， 并都具有屏幕拷贝和 打 印输 出功 能 。 2 系统总貌 用以实时、动态地显示各个反应池 的工艺流程 、工艺参数和现场设备的运行状 态。见图 6 。 3 参数画面 用以总览所有参数实测值及流量等 的累计值 。 4 趋势画面 实时趋势画面可动态显示参数的变 化曲线， 历史趋势画面可保留9 0天的参数变化 曲线， 均 可打 印输 出。 5 报警画面 在语音报警同时， 弹出报警框， 提示 故 障位置 ， 并记入历 史报警 数据 库。 5 结束语 采用P L C控制技术后， 操作人员的工作量和劳动强 度大 大降低 ， 对 能源和设 备的利 用更加合 理 ， 解决 了设 备分散 、复杂 、难于控制的难题 ， 实现了节约能源， 降 低能耗， 出水指标稳定， 并且达到国家一级排放标准， 对 改善环境水体质量发挥了重要作用。因此， 把P L C技术 加入污水处理的控制系统中， 不仅简化了系统 ， 提高了 可靠性 ， 而且降低了劳动强度 ， 取得了很好的社会效益、 经济效益和环境效益。 参考文献 [ 1 】西门子S 7 2 0 0可编程控制器系统手册【 Z 】 ． 2 0 0 4 ， 6 ． [ 2 】组态王 6 ． 0 2 用户手册[ Z ] ． 2 0 0 5 ， 8 ． 【 3 】贾恩明， 段建民， 李大庆． 基于 D S P和P L C的污水处理 控制系统的通信设计与实现⋯ ． 工业仪表与自动化装置， 2 0 0 6 ， 4 2 4 2 6 ． [ 4 】赵芳， 李从冰． 基于P LC的污水处理控制系统． 工业控制 计算机， 2 0 0 6 ， 1 9 4 5 9 - 6 0 ． [ 5 ]黎一强． P L C技术在生活污水处理及回用系统中的应用 ．自动化技术与应用， 2 0 0 8 ， 2 7 8 1 2 3 1 2 5 ． 作者简介 牛健 1 9 8 2 一 ， 男， 研 实员， 主要从事 自 动化技术 研 发 与 应 用 工作 。