隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和城市人口的急劇增加，大量工業(yè)和生活污水未經(jīng)處理流入江河湖海，使環(huán)境和飲用水被嚴(yán)重污染。因此，建立高度自動(dòng)化的污水處理廠是解決水污染問題的有效途徑。為確保污水處理工藝和設(shè)備能長期安全可靠地運(yùn)行，采用西門子S7-300PLC1可編程控制器和智能檢測(cè)儀表組成下位機(jī)，上位機(jī)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。該系統(tǒng)集過程控制和科學(xué)管理于一體，具有可靠性高、控制性能優(yōu)越、管理功能完善等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)工藝及設(shè)備的正常運(yùn)行，提高自動(dòng)化控制和管理水平發(fā)揮了重要作用。

　　摘要：污水處理項(xiàng)目的自控工藝相對(duì)于其他項(xiàng)目的工藝來說相對(duì)簡單，但它也有自身的特點(diǎn)，如設(shè)備更分散，功能則相對(duì)獨(dú)立等。針對(duì)這種情況，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7-300型PLC，并通過工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS總線聯(lián)網(wǎng)的污水處理自控系統(tǒng)。首先大致介紹了污水處理的工藝流程；其次介紹了基于PLC的硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本原則和步驟；最后利用STEP7仿真軟件進(jìn)行編程仿真，得到了較好的結(jié)果。

　　關(guān)鍵詞：污水處理,S7-300PLC,軟件仿真

　　1引言

　　主要工作是通過PLC的編程完成整個(gè)污水處理過程的自動(dòng)高效運(yùn)行，通過PLC與上位機(jī)以及現(xiàn)場(chǎng)的布線使其能根據(jù)污水處理每個(gè)階段的控制理量的變化自動(dòng)完成相應(yīng)的處理動(dòng)作，從而保持污水處理的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到用戶設(shè)定的要求。

　　2污水處理工藝流程

　　污水處理廠從主污水管道而來的污水進(jìn)入格間，由粗格柵和細(xì)格柵將污水中體積較大的污物除去。進(jìn)而流入進(jìn)水泵房，該處應(yīng)為全廠區(qū)標(biāo)高的最低處，進(jìn)水泵房底部放置大功率潛水泵，主要用于將污水提升到高處的旋流塵沙池，以使污水只靠重力作用流經(jīng)其余的處理階段。旋流塵沙池將污水中的砂子分離出來，經(jīng)過旋流砂池的污水靠重力進(jìn)入生物池，生物池為厭氧/好氧生物反應(yīng)池，經(jīng)過生物的作用，將有機(jī)物質(zhì)分解。然后污水通過污泥泵池進(jìn)入二級(jí)沉淀池，經(jīng)過刮泥橋的運(yùn)動(dòng)，池上面的浮渣進(jìn)入浮渣井中，池下部的污泥由真空泵吸出并送到污泥均質(zhì)池。經(jīng)過二次沉淀處理后的污水通過管道自流到消毒渠道，經(jīng)紫外線消毒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過處理的污水經(jīng)管道自流到附近的河流。污水處理的工藝圖如（圖1）。

　　3控制系統(tǒng)總體方案

　　各個(gè)控制池之間采用分布式I/OET200進(jìn)行通信連接，并由PROFIBUS總線連接至單片機(jī)的CPU模塊。CP342-5是S7-300系列的PROFIBUS通信模塊，可以作為DP主站或從站，但是不能同時(shí)作為主站或從站，且只能在S7-300的中央機(jī)架上使用。CP342-5與CPU上集成的DP接口不一樣，其對(duì)應(yīng)的通信接口區(qū)不是I區(qū)和Q區(qū)，而是虛擬的通信區(qū)，需要調(diào)用CP通信功能FC1和FC2。系統(tǒng)各部分之間的連線以及通信線路連接如（圖2）所示。

　　4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)選用西門子的S7-300PLC進(jìn)行污水處理的控制。通過對(duì)設(shè)計(jì)要求分析得到需要的數(shù)字量輸入為65；數(shù)字量輸出為65；模擬量輸入為38；模擬量輸出為24�；�于此選擇CPU型號(hào)為CPU314。CPU314使用于要求高速處理和中等I/O規(guī)模的任務(wù)。它可以裝載中等規(guī)模的程序，其每1KB二進(jìn)制語句執(zhí)行的時(shí)間為0.3ms。CPU314內(nèi)置24KB的RAM，其裝載存儲(chǔ)器為內(nèi)置40KB的RAM，可用擴(kuò)展卡擴(kuò)展裝載存儲(chǔ)器，最大容量可為512KB。最大可擴(kuò)展512點(diǎn)數(shù)字量I/O或64路模擬量通道。

　　CPU314的操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的用戶程序掃描過程。CPU響應(yīng)事件，操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該事件的組織塊OB。CPU314可以調(diào)用128個(gè)功能塊FB，128個(gè)功能調(diào)用塊FC，127個(gè)數(shù)據(jù)塊DB，OB、FB、FC、DB的容量均不大于8KB。此外，有34個(gè)系統(tǒng)功能塊SFC集成在操作系統(tǒng)中供用戶調(diào)用，有9個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊SDB裝載S7-300的系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)可用STEP7組態(tài)軟件輸入。

　　4.1I/O模塊的選擇

　　由于CPU314型PLC主機(jī)不存在數(shù)字量的輸出模塊，因此需要擴(kuò)展數(shù)字量的輸出模塊。由于數(shù)字量輸出的點(diǎn)數(shù)為65，因此選用3個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322。SM322將S7-300內(nèi)部的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過程所需要的外部信號(hào)電平，同時(shí)有隔離和功率放大的作用�？梢灾苯域�(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電機(jī)、燈和電機(jī)啟動(dòng)器等，輸出的電流的典型值為0.5～2A，負(fù)載由外部現(xiàn)場(chǎng)提供。其主要的技術(shù)特征為：額定電壓24VDC；輸出點(diǎn)數(shù)32點(diǎn)晶體管；與總線采用光耦合隔離；最小輸出電流5mA；功率9W。

　　4.2硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)置

　　在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，首先應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)的性質(zhì)和點(diǎn)數(shù)，以及對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)的硬件配置。對(duì)于S7-300來說，如果SM、FM和CP的塊數(shù)超過8塊，除了中央機(jī)架外還需要配置擴(kuò)展機(jī)架和接口模塊。本設(shè)計(jì)利用SIMATIC管理器STEP7進(jìn)行硬件的配置工作（圖3）。

　　5程序設(shè)計(jì)及仿真

　　以污水處理的應(yīng)急池為例說明設(shè)計(jì)過程：

　�。�1）顯示要求：①COD：顯示范圍2000～8000mg/L，監(jiān)測(cè)頻率2小時(shí)/次；由于傳感器采集的COD數(shù)值為模擬量，需要模擬量輸入模塊SM331；顯示的數(shù)值同樣為模擬量因此需要用到模擬量輸出模塊SM332。監(jiān)測(cè)頻率為兩小時(shí)，需要用到保持型延時(shí)接通定時(shí)器SS_ODTS。COD的數(shù)值顯示范圍在2000～8000范圍內(nèi)，8000的對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值為“1111101000000”共13位，因此選用的模擬量輸入模塊的類型為AI8×14Bit，表示8通道的14位二進(jìn)制輸入；同樣輸出模塊選擇類型為AO4×16Bit。②氨氮：顯示范圍0～200mg/L，監(jiān)測(cè)頻率2小時(shí)/次；同樣需要模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332，以及保持型延時(shí)接通定時(shí)器SS_ODTS。③PH值：顯示范圍0～14，需要模擬量輸入/輸出。（2）控制要求：根據(jù)PH計(jì)顯示數(shù)據(jù)，控制加堿量，調(diào)節(jié)應(yīng)急池出水PH在6～9。需要用到比較器，當(dāng)PH值小于6時(shí)接通控制電機(jī)往應(yīng)急池中加減；當(dāng)PH值大于9時(shí)控制電機(jī)往應(yīng)急池中加水。

　　5.1程序設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)說明：COD的輸入數(shù)據(jù)存放在PID256中，輸出數(shù)據(jù)存放在PQD260中；氨氮的輸入數(shù)據(jù)存放在PIW264中，輸出數(shù)據(jù)存放在PQW266中；PH值輸入值存放在PIB268中，輸出值存放在PQB269中。

　�。�1）程序結(jié)構(gòu)

　　OB1為主程序，負(fù)責(zé)調(diào)用控制程序FB1，F(xiàn)B2。DB1、DB2、DB3為FB1型數(shù)據(jù)塊，DB1為COD顯示控制的數(shù)據(jù)塊，DB2為氨氮顯示的控制數(shù)據(jù)塊，DB3為PH值顯示的數(shù)據(jù)塊。FB2為PH控制的功能塊（圖4）。

　　（2）OB1程序設(shè)計(jì)（圖4）

　　5.2控制系統(tǒng)仿真

　　仿真界面如（圖5）所示。選擇RUN-P模式，為可編程運(yùn)行方式，CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從CPU中讀出，也可以由編程裝置裝入CPU中。用編程裝置可以監(jiān)控程序的運(yùn)行。

　　在仿真界面插入IB0、QB0、IB268。其中IB0表示可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)I0.0-I0.1的值；QB0表示Q0.0-Q0.3對(duì)應(yīng)的輸出值；IB268用以設(shè)置PH值，以二進(jìn)制形表示。如（圖5）所示，假設(shè)PH值為13（對(duì)號(hào)表示導(dǎo)通），則Q0.0與Q0.2接通。

　　當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到2小時(shí)時(shí)刻，COD和氨氮的數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鲈O(shè)備（綠線表示導(dǎo)通，下同）（圖6）。

　　當(dāng)MW200的值即PIB268中的值也就是檢測(cè)的PH值設(shè)置為4時(shí)，由于小于6則Q0.3控制的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向應(yīng)急池中加堿（圖7）。

　　當(dāng)MW200的值即PIB268中的值也就是檢測(cè)的PH值設(shè)置為13時(shí)，由于大于9則Q0.2控制的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)向應(yīng)急池中加水。以保證PH值控制在合理的范圍內(nèi)（圖8）。

　　6結(jié)語

　　本文在研究污水處理的基本工藝流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以PLC為主控制器的污水處理控制系統(tǒng)。針對(duì)某種控制要求編寫了相應(yīng)的程序段，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)并仿真，結(jié)果表明PLC的控制過程的優(yōu)越性。PLC控制系統(tǒng)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；功能完善，適用性強(qiáng)；維護(hù)方便，易于維護(hù)等一系列特點(diǎn)使其在更多場(chǎng)合得以應(yīng)用。

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