西門子 PLC 在某市污水處理工程中的應用

某市污水處理工程為日處理城市污水 4 萬噸建設規模。城市污水首先經粗格柵和細格柵去除漂浮雜物，然后進入曝氣沉砂池進行曝氣除砂處理，吸砂機和砂水分離器將泥砂排出，然后污水流入氧化溝進行生化處理以及進行硝化/反硝化脫氮，處理后的水在沉淀池進行沉淀，沉淀池的污泥在回流及剩余污泥泵房經適量回流，回流污泥按比例進入氧化溝外溝道。剩余污泥被抽至污泥濃縮脫水機房，裝車外運。沉淀后產生的水經過出水泵房去配水井排出。污水泵池收集來自曝氣沉砂池砂水分離器的分離水、污泥處理部分的沖洗水等廠區污水，回送至總進水。

一 控制系統概述

某市污水處理工程控制系統是采用集中監視、分散控制的模式。由設在中心控制室的集中監控管理級計算機和分散在各工段的控制級 PLC 分控站組成。采用這種結構可使生產過程中的信息集中管理，以實現整體操作、管理和優化，同時也使得控制危險分散，提高系統可靠性。

整個系統分為三層管理，包括中央控制室、分控站及就地控制。在廠內共設有 2 個 PLC 現場控制主站，分別設于變配電站和污泥濃縮脫水機房。2 個 PLC現場控制站和中控室通過 10M 光纖以太網連接，組成現場控制網絡。各控制站主要負責采集現場實時數據、根據工藝調度要求控制現場設備，如泵、閥等。在主控室設有分別側重于監控、管理的兩臺工作站、模擬屏、UPS、打印機等設備。其中監控工作站、管理工作站、模擬屏智能控制器均連在 10M 以太網上。用來顯示整個工藝流程、主要數據和設備狀態。打印機分別和管理工作站、監控工作站連接。

控制系統采用集中監視、分散控制的模式。

主控站：某市污水處理工程控制系統由監控中心（主控室）和現場 PLC 控制站組成，主控制器選用西門子公司的 S7300 系列 PLC，兩臺上位機工作站及模擬屏之間采用通信電纜傳輸的 10M 工業以太網絡；主控室和 S7-300 型 PLC 控制站之間的控制級網絡采用光纖傳輸的 10M 工業以太網絡，（系統網絡圖見 “某市污水處理工程控制系統示意圖”。）

現場站：現場共設有 2 個 S7-300 型 PLC 控制站，分別是：位于變配電站的PLC 控制站；位于污泥濃縮脫水機房的 PLC 控制站。位于各個工藝區域的現場儀表由各自所在區域 PLC 控制站供電。

在每個 S7-300 型 PLC 控制站都設置有 UPS，為所有 PLC 及儀表設備提供穩定、可靠的供電電源；另外在中心控制室還為上位機監控系統設置有 UPS 電源，以便在外部供電系統掉電時為中心控制室上位監控系統設備提供后備電源以保存數據，大大提高了系統的可靠、穩定運行能力。

主控室監控工作站選用先進的上位監控軟件 IFIX，10M 工業以太網絡組成控制系統，其功能共包括三大類：

（1）管理功能：即生成本項目系統工藝流程，顯示現場工藝流程的參數和動態生產實時數據，提供清晰、良好的人機界面。在線提供操作員幫助，完成報警、歷史數據、歷史趨勢曲線的儲存、顯示和查詢。實時生成、打印各類生產運行管理報表。實時編程、組態修改。能夠在線、離線修改并具有自診斷功能。

（2）監視功能：即在基于圖形和菜單的方式上，操作人員可以在主控室監視各工藝設備運行狀態。

（3）通訊功能：主控室的監控網絡能夠和現場 PLC 站通過工業以太網通訊。

（4）控制功能： 根據生產工藝過程，利用 STEP7 編制控制軟件，實現整個系統的工藝控制。

二 系統特點

根據用戶的技術要求和項目的特點，我們在系統中遵循以下原則： 安全可靠、技術先進、性價比高、操作簡單、易于維護、系統開放、便于擴展。

1、安全可靠

硬件具體措施：

（1）首先控制系統的主控制器選用了世界著名電器控制產品制造商—德國西門子公司可靠性極高的 S7-300 系列 PLC.

（2）在廠內各控制站之間采用 10M 光纖以太網，保證了廠內各控制站能及時和中控室通訊

（3）控制中心的兩臺上位機互為備份，而且后臺數據庫也可互為備份。 在軟件設計上： 采用成熟而又可靠性高的操作系統平臺 Windows NT4.0； 采用功能強大的 IFIX 監控組態軟件完成對系統監控和管理；后臺數據庫可采用 SQL Server、Orcale、Access 完成統計報表。 軟件采用結構化、模塊化設計。

2、技術先進

控制系統主要選用德國 Siemens 公司 S7-300 系列 PLC 作為主要的控制器。該系列 PLC 是 Siemens 公司近年主推的 PLC 產品，采用成熟、先進的技術。S7-300系列 PLC 已經成熟的應用到國內外許多領域。

在 I/O 信號處理方面，系統對模擬量提供線性化、補償、累積、開方和報警功能；系統對開關量提供報警和狀態變化的檢測。

系統能夠完成調節控制，聯鎖邏輯，手動操作，由標準算法或用戶程序組合而成的自動順序控制等功能。

調節控制功能包括各種 PID 算法（反饋、前饋、開關、比率、超前/滯后等）、標準計算（加、減、乘、除、符合運算等）、基本的控制功能（開關、限幅、高/低選擇等）、自適應控制功能。

聯鎖控制功能包括用于調節控制的布爾邏輯和用于開關控制的梯形邏輯。

自動順序控制功能可以執行啟停順序、批處理或任何預先定義的程序步驟。

控制器具有非易失性內存，在供電中斷情況下能保存內存數據七天以上。

現場控制站可以支持來自現場設備的各種輸入和輸出信號，所有的輸入和輸出電路都能防止信號過載、瞬變和浪涌沖擊。

3、操作簡便

操作員工作站設有友好的人機界面，操作簡捷方便、界面美觀、功能實用。操作員站根據不同的操作權限，設置不同的操作界面，避免越權操作。

控制操作臺柜根據人體特征，按人性化設計控制臺面，布置操作按鈕、指示燈。具有良好的人機界面和操作提示及誤操作的保護和提示；系統的故障診斷、報警、信息提示和記錄分析；硬件、軟件模塊化設計配置。

4、易于維護

自動控制系統在硬件配置上采取整體布局、統一選型、結構化設計，器件與設備互換性強，板卡與外設即插即用等有效措施，將設備硬件故障維護時間降到少。軟件系統做成恢復光盤，可以短時間內恢復系統。PLC 控制系統采用模塊化結構。當某個 I/O 模塊故障時，可以帶電方便地拔出模塊，然后用新模塊進行替換，所以，整個系統的硬件維護非常容易。軟件方面，業主工程師經過培訓后，可以對軟件進行定期維護和工藝參數的調整。

控制系統具有完整的自診斷系統，在上位機操作站上顯示自診斷狀態和結果。自診斷系統包括全面的離線和在線診斷軟件，診斷程序能對系統設備故障進行檢查。

控制系統具有一定的容錯能力，即當某些模塊發生故障后，不影響整個系統的有效工作：

    （1）主控制器出現故障，系統輸出也能保持在后時刻的輸出數值，或是預先設定的故障安全狀態而不影響系統工作。

    （2）由軟件設計對各個模塊完好狀態監視，通過上位機操作站就可以看到模塊的工作狀態是否正常，如果出現模塊故障及時報警。

5、系統開放

控制系統軟件（WindowsNT4.0，IFIX 等）、硬件平臺選用開放性平臺，以保證系統的互聯性以及系統擴展和設備更新時軟件的可移植性。

（1）控制網絡選用 10M 以太網。

（2）集中監控系統的操作系統平臺采用開放平臺 WindowsNT4.0；

（3）監控軟件 IFIX 的顯著特點就是其全面開放性和易擴展性。

6、便于擴展

   根據系統情況，在控制點數的基礎上留有 20%的余量，同時在控制屏、預埋和軟件中均考慮了遠期工程。

   另外，系統的組態是一個開放型的結構，不管是模塊，還是網絡均可以方便的進行擴展。從主控制器的性能來看，也還有很大的擴展余地。監控網絡采用了標準的工業以太網，對于以后設備的擴展留有了很大的余地。