西门子S7-300 PLC在县级中小城市污水处理厂中的应用

[摘 要]
　　介绍了县级中小城市污水处理工艺，西门子S7-300 PLC主要特点，污水处理厂的自控要求、PLC的系统硬件配置、软件设计，和实际运行结果。
　　可编程控制器PLC是实现污水处理厂自动控制的关键，县级中小城市的污水处理厂处理能力一般在10万m3/d以下，很多是1～5万立方米/d，监控点数一般不是很多，而选用西门子S7-300 PlC是一种即经济又切合实际的解决方案，它具有高度模块化结构，指令集功能强大，能够满足多样化和个性化的需求。
1 污水处理工艺流程
　　从当前污水处理工艺和技术研究、开发和应用的情况看，由于传统的活性污泥处理工艺在中小规模的污水处理厂中存在基建投资高、运行费用高以及电耗高等问题，因此，处理水量在10万立方米/d以下的县级中小城市的污水处理厂处理工艺一般多采用氧化沟和SBR工艺。西北某县城污水处理厂日处理污水4万吨，处理工艺采用的是奥贝尔氧化沟。主要处理：工段有机械处理段、生物处理段、和污泥脱水处理段。机械处理段由粗格栅间、进水泵房、细格栅间、旋流沉砂池组成。生物处理段由厌氧池、氧化沟、回流及剩余污泥泵房、二沉池、接触池等组成，污泥脱水处理段由储泥池、污泥脱水机房组成。该工艺的流程见图1。

　　城市污水管网收集到的污水到了进水泵房，在这里大的固体杂质被格栅机过滤掉，然后较稀的污水被提升泵送到旋流沉砂池，污水由于搅拌机和吸砂机的作用，其中的固体颗粒又被去除。下一道工序是污水先被送到厌氧池，目的是去磷、脱氮，然后流入氧化沟，这里有相应的菌种来分解、净化污水，氧化沟中的污泥细菌生态系统维持存活的主要条件一个是污水中的有机物杂质，另一个就是氧气的供应，所以氧化沟上的曝气转碟的作用是对污水进行充氧。经过氧化沟处理后的污水在二沉池沉淀后然后在接触池加氯达标后可直接排放，多余的污泥被排泥泵送到脱水机房，通过脱水处理，污泥被压干制成饼，用作肥料。
2 自控系统的硬件选择
　　污水处理主要是顺序逻辑控制，这正是PLC控制的优势所在。在众多的PLC生产厂家中，西门子公司的S7-300 PLC系列产品以其较高的性价比成为众多用户的首选。S7-300是模块化的中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用，模块化、无排风扇结构，各种单独的模块之间可进行广泛的组合以用于扩展。接口模块（IM）用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER），S7-300通过分布式的主机架（CR）和二个扩展机架（ER）可以操作多达32个模块。中央处理单元（CPU）集成有PROFIBUS-DP和MPI通讯接口，多点接口（MPI））用于同时连接编程器、PC机和人机界面等。信号模块（SM）用于数字量和模拟量的输入输出。
3 总体控制要求及功能
　　污水处理厂自控系统的要求是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到要求的范围；在公司中控室发出上传指令时，将当前时刻运行过程中的主要工作参数（水质参数、流量、液位等）、运行状态及一定时间段内的主要工艺过程曲线等信息上传到公司中控室。功能如下：
1）控制操作：在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。
2）显示功能：用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。
3）数据管理：依据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库，存储生产原始数据，供统计分析使用。利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化氧化沟的准闭环控制，并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去。
4）报警功能：当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）阀发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。
5）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式可分为：定时打印、事件触发打印。
4 系统构成及其布局
　　如果采用常规PLC集中控制方式，将现场信号通过电缆连接到集中控制室内的PLC上，由于工艺线路长、现场控制点分布范围广，需要敷设大量的电缆及桥架，且现场环境恶劣、其施工难度非常大。鉴于此，采用了PROFIBUS现场总线技术，根据工艺划分，系统共设了两个主站、两个子站、两个操作员站。采用西门子的S7-300系列PLC，主站采用CPU315-2DP，其带有一个DP通讯口和一个MPI口。子站采用通用性较好的ET200M远程模块，用于现场数据的采集和控制，并借助PROFIBUS（工业现场总线），方便控制网络系统的建立。其自控系统见图2。
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