摘    要：本文采用Siemens公司S7－300型PLC和相應的I/O控制模塊、MicroMaster變頻器、SIPAN 32液體分析儀和標準的工業組態軟件WinCC等組建了一套分布式污水處理監控系統，并采用Profibus－DP作為現場通信網絡。
關鍵詞： PLC；分布式控制系統；Profibus

本設計根據一熱電廠的特點及污染物的監測結果，采用了Siemens公司的模塊化、小型PLC系統S7-300以及相應的I/O模塊、MicroMaster通用變頻器和專用于污水分析的SIPAN 32液體分析儀，組建了一套污水排放處理與監測系統。該污水處理系統采用現代控制技術和科學的污水處理方法，可隨時調整設備及工藝過程參數。

污水處理工藝
污水處理主要利用生物化學的方法并采用氧化溝工藝完成，由預處理系統、物化處理系統、生化處理系統和污泥處理系統等四個分系統構成。其工藝流程見圖1所示。
圖1中設備均有現場手動和自動工作方式供選擇。當選擇自動工作方式時,其所有動作均由PLC完成，且上位機可通過網絡實現控制。

污水處理監控系統組成
污水處理采用分布式計算機監控管理方式，各個現場控制單元可以獨立運行，并將采集到的液位、pH值、流量、各種運行狀態量以及電機、泵的運行健康狀態等信息通過ProfiBus總線上傳到中控室，以備工作人員監視。調試中控室的操作人員也可通過ProfiBus將必要的控制參數下傳到各個現場控制單元，以調整控制和工藝參數。同時，為備現場操作，每個現場監控單元均有手動/自動按鈕，可實現現場和遠控操作，從而提高了整個系統的可靠性、安全性以及運行的經濟性。另外，為便于與整個熱電廠的監控系統進行系統互聯，實現企業管控一體化，污水監控系統還通過Ethernet經廠數據交換機與熱電廠整個監控系統互聯。
污水處理監控系統將ProfiBus－DP現場總線作為現場通信網絡，采用單主站/多從站方式。包括現場自動化單元、集控單元和現場總線通訊三個部分，配置圖如圖2所示。
現場自動化單元的組成
一般地，污水處理系統的現場自動化單元安裝在比較潮濕的環境中，通過采用溫控除濕和柜子頂部通風等措施以防潮。其核心采用Siemens的高可靠性可編程控制器S7-300。該可編程控制器采用模塊化結構設計，配有CPU模塊、開關量輸入DI模塊、開關量輸出DO模塊、模擬量AI模塊和通訊模塊，并采用STEP7 5.1軟件對PLC各個模塊的參數進行組態。液位信號的檢測采用硬件冗余措施，即傳感器模擬采樣和水位接點檢測同時進行，以保證檢測的可靠性。
單元的設置
粗細格柵程控系統
粗細格柵均采用液位差控制，在粗細格柵前后裝有超聲波液位探頭，由變送器將0~10V的液位差信號送到PLC模擬量輸入模塊，當液位差超過設定值時，PLC強制啟動格柵進行清渣，否則按預定周期清渣。為保證控制可靠運行，需定期對超聲波液位計進行維護和校正。格柵程控系統根據格柵前后的水位差，自動控制柵耙，按預定周期運行，以保證格柵正常工作，格柵調節有現場控制(手動)和遠程控制(自動)兩種模式。
水泵程控系統
水泵程控系統按水泵池的液位經過MicroMaster通用變頻器，并采用數字增量式PID方式控制水泵的轉數和流量。每臺泵房均有主運行泵、備用泵，以備不測。對每個泵的控制，同樣有現場控制和遠程控制兩種模式。
氧化溝空氣量調節系統
氧化溝是污水進行生化反應的場所，主要通過轉刷控制污水的曝氣時間。每條氧化溝設有8臺轉刷，并在出水堰口設有溶解氧儀、氧化還原電位計和污泥濃度計、SIPAN 32液體分析儀。溶解氧儀和氧化還原電位計輸入信號連接在PLC不同的輸入模塊上，以免由于模塊損壞造成控制失調。曝氣空氣量的調整，采用控制鼓風機導葉片的方式，即通過改變鼓風機導葉片的角度來改變空氣量，從而保證溶解氧的需求量。
回流污泥量調節系統
回流污泥量的調節是為了將氧化溝中的懸浮污泥濃度控制在規定的范圍內，其調節采用數字式增量PID控制方式，按進入氧化溝的水量控制回流污泥泵的開啟臺數和回流污泥管道上閥門的角度，以保證回流污泥管道上閥門的合適比例，所有泵的調節均由變頻器控制。
泥溫調節系統
其任務是為了控制污泥溝中的泥溫在允許范圍內，以保證其在35℃內充分發酵。泥溫調節采用熱平衡控制方式，即改變換熱器的熱水溫度或流量來改變換熱量，以實現污泥溫度的調節。對每個泵的控制，也都有現場控制和遠程控制兩種模式。 
清化調節系統
清化調節系統由沼氣攪拌程控系統、消化池配泥程控系統、濾池程控系統等組成，主要完成水質的清化過程，滿足環保要求。
若以上各現場控制單元PLC任何一臺出現故障，現場報警信號立即通過網絡反饋到中控監視室，并在監視屏上顯示故障位置，同時聲光報警，操作人員便可根據實際情況進行操作，排除故障或自動啟動備用泵。
上位中控監視計算機
由于單純的PLC無法實現工藝的最佳控制，如確定轉刷運行方式和加藥量的控制等，必須有上位機參與控制。上位機在本系統中不再單純地以信息采集為主要功能，污水處理廠在運行穩定后，它可運用歷史數據、運行經驗以及先進的控制手段進一步提高處理的自動化水平，以達到降低能耗的最佳控制，并可實現企業的管控一體化。
中控監視計算機采用工業計算機，并用大型電子投影儀作為電子屏。本工控機采用PCA6181/1GHz CPU和256M內存。為滿足數據備份的需要，集控站配有雙硬盤，容量均為40G，人體工程鍵盤以及3D鼠標給用戶提供了友好的人機信息交互界面。
現場總線
現場總線采用Profibus-DP，其物理層采用EIA-RS-485協議，通信板卡采用CP5611用于Profi bus-DP的主站和從站之間通訊。CP5611的傳輸速率從9.6k bit/s 到12M bit/s，每個字符為11個位。在CP5611通信軟卡安裝時，與Softnet-DP (Softnet-DP V5.3)軟件配套使用；應用于從站時，必須與Softnet-DP Slave軟件包配套使用。

監視軟件設計
上位機監視系統采用Windows 2000 Professional為操作系統，并采用WinCC組態軟件。該工控組態軟件是一個集成的HMI系統和監控管理系統，其特性之一是全面開放。各系統集成商可用WinCC作為其系統擴展的基礎，通過開放接口開發自己的應用軟件。本系統將WinCC與STEP7配合使用。因為在STEP7中定義的變量可以在WinCC中直接使用，從而節省了工程開發時間。另外，WinCC中的Ｃ語言腳本及提供的與數據庫之間的接口更增加了其應用功能，可滿足用戶的復雜要求。

結語
本系統通過可編程控制器與變頻調速技術在污水處理系統中的配合使用，提高了整個污水處理系統的自動化水平。同時，由于PLC模塊化的特性，軟件采用WinCC，若處理規模加大，只需增加相應的功能模塊，增加適當的軟件功能就可在較小的投入下很方便地實現規模擴展。該控制系統通用性好，擴展性強，對于我國中小型熱電廠污水處理的自動化建設具有一定的推廣價值。■

參考文獻
1 鐵道部標準處.污水處理技術與應用.北京. 中國鐵道出版社，1987.2
2 于海生等.微型計算機控制技術.北京：清華大學出版社，1999.6

作者簡介：
王緒軍，高級工程師，主要從事生產過程計算機控制、現場總線應用等方面的研究工作。